強(qiáng)旭紅，舒 悅，姜 旭，王 飛

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海中建海外發(fā)展有限公司，上海 200126）

國際上一般把名義屈服強(qiáng)度高于460 MPa的結(jié)構(gòu)鋼材定義為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材，以下簡稱高強(qiáng)鋼［1］。高強(qiáng)鋼在國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中已有一些典型應(yīng)用［2-5］，如巴黎米約大橋、北京新保利大廈和深圳會(huì)展中心等。目前針對高強(qiáng)鋼的研究主要集中于高強(qiáng)鋼材性層面和高強(qiáng)鋼構(gòu)件層面，而高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)高溫下力學(xué)性能的研究較少。結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)中廣泛采用的是基于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法［6］。然而，對于高強(qiáng)鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的抗火設(shè)計(jì)與高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)，因世界各國高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范的嚴(yán)重缺乏而沿用基于普通鋼研究成果的規(guī)范條文，這不僅制約了高強(qiáng)鋼在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，還可能存在安全隱患［7-8］。

當(dāng)前對高強(qiáng)鋼梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究較少［9-12］。Golara等［13］采用有限元參數(shù)分析的方法，研究普通鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)、蓋板加固節(jié)點(diǎn)、雙側(cè)加腋和單側(cè)加腋節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載下的抗震性能，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)域的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變隨節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式的改變而改變。強(qiáng)旭紅［14］對普通鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后性能進(jìn)行足尺試驗(yàn)，探究火災(zāi)后鋼構(gòu)件的力學(xué)性能。通過有限元軟件Abaqus對結(jié)構(gòu)升溫及降溫的試驗(yàn)過程進(jìn)行精確模擬，從而獲得節(jié)點(diǎn)各組件的應(yīng)力、應(yīng)變以及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角等的變化規(guī)律。胡軍［15］對Q235B梁柱栓焊邊節(jié)點(diǎn)火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)和有限元模擬，結(jié)果表明火災(zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)的焊縫質(zhì)量是影響結(jié)構(gòu)抗火性能的主要因素。然而，無論在常溫下還是在火災(zāi)高溫下，國內(nèi)外針對高強(qiáng)鋼梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究有限，這與該類型節(jié)點(diǎn)在土木工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用不符。因此，有必要對高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)在常溫和火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能展開研究，為現(xiàn)行規(guī)范的修訂以及經(jīng)濟(jì)安全的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗火設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

通過足尺試驗(yàn)研究Q690和Q960 2種強(qiáng)度的栓焊連接節(jié)點(diǎn)在550℃火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能。為探究常溫與火災(zāi)高溫下栓焊連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的異同，同時(shí)對上述試件在常溫下的相應(yīng)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。然后，將節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)值與中國、歐洲、美國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議的框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證各國規(guī)范對高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的適用性。此外，結(jié)合強(qiáng)旭紅、武念鐸等［16-20］對高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)火災(zāi)性能試驗(yàn)的研究成果，對比高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)和高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8［21］和中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50017―2017［22］。設(shè)計(jì)并制作4個(gè)高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)試件，分別為Q690A1和Q960A1（符號A表示常溫下）與Q690E1和Q960E1（符號E表示火災(zāi)高溫下），具體試件尺寸如表1所示。所有節(jié)點(diǎn)試件中梁、柱、連接板及加勁肋等均采用國產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q690或Q960，螺栓布置方式為兩排兩列布置。以Q960A1為例，節(jié)點(diǎn)尺寸如圖1所示。

圖1 Q960A1節(jié)點(diǎn)尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimensions of Q960A1 connections（unit:mm）

表1 節(jié)點(diǎn)尺寸Tab.1 Dimensions of connections

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分為常溫試驗(yàn)與火災(zāi)高溫試驗(yàn)兩部分，在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。圖2為常溫試驗(yàn)裝置?；趯?shí)驗(yàn)室已有反力架，為方便施加靜力荷載，將柱水平放置。火災(zāi)高溫試驗(yàn)在如圖3所示的火災(zāi)試驗(yàn)爐（4.5 m×3.0 m×1.7 m）中進(jìn)行。圖4為火災(zāi)高溫試驗(yàn)加載裝置示意圖，柱下部的節(jié)點(diǎn)部分和梁位于火災(zāi)試驗(yàn)爐內(nèi)，柱上部（爐外）通過螺栓和連接板固定于反力架。千斤頂加載裝置在試驗(yàn)爐外對爐內(nèi)的試件梁端施加豎向荷載。

圖2 常溫試驗(yàn)裝置Fig.2 Test set-up in ambient temperature tests

圖3 火災(zāi)試驗(yàn)爐Fig.3 Fire test furnace

為獲得火災(zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，以10℃·min-1的速率升溫，當(dāng)試件關(guān)鍵控制部位的溫度均穩(wěn)定在550℃時(shí)，持溫30 min，然后按照如圖4所示加載方案采用位移控制方式對試件正式加載，加載速率為10 mm·min-1，同時(shí)觀察節(jié)點(diǎn)的變形。加載至焊縫開裂，停止加載，獲得高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)火災(zāi)高溫下的失效模式、彎矩-轉(zhuǎn)角曲線、抗彎承載力、初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度及轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

圖4 火災(zāi)高溫試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading set-up in elevated temperature test

1.3 測點(diǎn)布置

常溫試驗(yàn)下在試件上布置多個(gè)位移計(jì)和應(yīng)變片，火災(zāi)高溫試驗(yàn)下在試件上布置多個(gè)位移計(jì)和熱電偶。

（1）位移計(jì)及應(yīng)變片測點(diǎn)布置

常溫試驗(yàn)和火災(zāi)高溫試驗(yàn)中，所有位移計(jì)布置如圖5a所示。位移計(jì)DT1、DT2及DT13布置在梁下翼緣，用于測量梁的橫向位移；位移計(jì)DT9―DT12布置在柱左端翼緣側(cè)，用于測量柱的橫向位移；位移計(jì)DT5―DT8對稱布置在梁翼緣根部，可用于控制加載時(shí)偏心，也可用于直接測定節(jié)點(diǎn)域的轉(zhuǎn)角；位移計(jì)DT3、DT4、DT14及DT15分別布置在柱的左右翼緣和上下加勁肋，用于直接測量節(jié)點(diǎn)域轉(zhuǎn)角。節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片SG1―SG19布置如圖5b所示。

圖5 位移計(jì)與應(yīng)變片布置Fig.5 Arrangement of displacement sensors and strain gauges

（2）熱電偶布置

為獲得火災(zāi)高溫試驗(yàn)過程中試件關(guān)鍵位置的溫度，共布置8個(gè)熱電偶（TC1―TC8），熱電偶布置如圖6所示。爐內(nèi)溫度由爐內(nèi)自帶的溫度計(jì)測得。

圖6 火災(zāi)高溫試驗(yàn)熱電偶布置（單位：mm）Fig.6 Arrangement of thermocouple in elevated temperature test（unit:mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常溫試驗(yàn)荷載-應(yīng)變曲線

在柱腹板的節(jié)點(diǎn)域核心區(qū)域布置三向應(yīng)變片，由三向應(yīng)變片ε0、ε45、ε90示數(shù)求得的最大拉應(yīng)變?chǔ)舤，max和最大壓應(yīng)變?chǔ)與，max表征彈塑性發(fā)展情況；對于節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)或受壓區(qū)，由布置在該點(diǎn)的單向應(yīng)變片的值表征彈塑性發(fā)展情況。最大拉應(yīng)變?chǔ)舤，max和最大壓應(yīng)變?chǔ)與，max的計(jì)算式如下所示：

Q690A1與Q960A1的荷載-應(yīng)變曲線類似，囿于篇幅，僅給出Q690A1的結(jié)果。圖7a―f分別為節(jié)點(diǎn)域受剪區(qū)（全局與局部）、柱腹板拉壓區(qū)、柱翼緣拉壓區(qū)、梁翼緣拉壓區(qū)以及柱橫向加勁肋的應(yīng)變隨荷載的發(fā)展情況。

由圖7可看出，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)剪切域塑性發(fā)展較為充分，其他部位（受拉區(qū)和受壓區(qū)）塑性發(fā)展不充分。節(jié)點(diǎn)剪切域一旦發(fā)生屈服，節(jié)點(diǎn)域的塑性發(fā)展將在較短時(shí)間內(nèi)完成。由節(jié)點(diǎn)各組件拉應(yīng)力進(jìn)入塑性段對應(yīng)的梁端荷載可知，節(jié)點(diǎn)各組件屈服的先后順序是節(jié)點(diǎn)域受剪區(qū)、梁翼緣受拉區(qū)、梁翼緣受壓區(qū)、柱翼緣受拉區(qū)、柱腹板受拉區(qū)、柱加勁肋靠近柱翼緣區(qū)域。由節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變-荷載曲線可知，高強(qiáng)鋼從開始加載直至節(jié)點(diǎn)破壞，塑性段較短，并且鋼材強(qiáng)度越高，這種現(xiàn)象越明顯，這是由高強(qiáng)鋼塑性相對普通鋼差造成的。當(dāng)栓焊連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)所采用的鋼材是高強(qiáng)鋼時(shí)，應(yīng)考慮如下設(shè)計(jì)建議：節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)宜采用彈性設(shè)計(jì)法，充分利用高強(qiáng)鋼彈性段；設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)使塑性鉸外移，從而使破壞發(fā)生在梁端，以便在發(fā)揮高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度優(yōu)勢的同時(shí)避免高強(qiáng)鋼塑性差的特性。

圖7 Q690A1節(jié)點(diǎn)塑性發(fā)展Fig.7 Plastic development of Q690A1 connections

2.2 節(jié)點(diǎn)變形

記錄所有節(jié)點(diǎn)試件的變形，以Q690A1和Q690E1為例。由圖8和圖9可知，對于高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)剪切域主要受剪力作用，在產(chǎn)生剪切變形的同時(shí)參與能量耗散。當(dāng)高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生過大的剪切變形時(shí)，容易造成梁柱焊縫連接區(qū)的開裂。高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)常見失效形式為焊縫開裂進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞，因此焊縫的焊接質(zhì)量對高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響至關(guān)重要。然而，由于高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的焊縫是通過焊接連接2塊較薄的高強(qiáng)鋼板，焊接難度較普通鋼大，焊接方法尚不成熟，因此焊接質(zhì)量提高亟需探索。

圖8 Q690A1節(jié)點(diǎn)變形形態(tài)Fig.8 Final deformation of Q690A1 connections

圖9 Q690E1節(jié)點(diǎn)變形形態(tài)Fig.9 Final deformation of Q690E1 connections

2.3 失效模式

根據(jù)節(jié)點(diǎn)組件的不同，列出節(jié)點(diǎn)各組件的失效情況，如表2所示。節(jié)點(diǎn)域變形過大導(dǎo)致焊縫破壞是高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)最主要的失效模式。不同強(qiáng)度等級高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的失效模式有所不同。柱翼緣-柱腹板、柱翼緣-柱加勁肋焊縫區(qū)焊縫破壞導(dǎo)致Q690A1失效，而柱翼緣-梁翼緣焊縫區(qū)焊縫破壞導(dǎo)致Q960A1失效。

表2 栓焊節(jié)點(diǎn)各組件失效模式Tab.2 Failure modes of components for flange-welded web-bolted connections

與Q690A1一樣，Q690E1和Q960E1的失效為柱翼緣-柱腹板、柱翼緣-柱加勁肋焊縫區(qū)焊縫破壞。和常溫試驗(yàn)一樣，火災(zāi)高溫下高強(qiáng)鋼栓焊節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)終止于受拉區(qū)焊縫開裂，這表明火災(zāi)高溫下焊縫的質(zhì)量對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響至關(guān)重要?；馂?zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)失效模式在節(jié)點(diǎn)域變形程度與裂縫開裂等方面與常溫下失效模式相比有所改變，如常溫下Q690A1節(jié)點(diǎn)柱翼緣-梁翼緣焊縫區(qū)焊縫未開裂，而火災(zāi)高溫下該位置有裂紋，但未擴(kuò)展。

2.4 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能一般由節(jié)點(diǎn)承載力、節(jié)點(diǎn)剛度以及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力等力學(xué)參數(shù)表征，在內(nèi)力分析時(shí)首先必須確定節(jié)點(diǎn)的M-θ（彎矩-轉(zhuǎn)角）曲線。由圖5a中布置的位移計(jì)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)梁轉(zhuǎn)角θb和柱轉(zhuǎn)角θc，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角θ，如下所示：

為進(jìn)一步說明試驗(yàn)精度，以常溫下Q690A1為例，其節(jié)點(diǎn)M-θb曲線如圖10所示。由圖10可知，由DT1―DT2和DT3―DT4的測量結(jié)果得到的M-θb曲線近似。

圖10 常溫下Q690A1節(jié)點(diǎn)的M-θb曲線Fig.10 M-θb curves of Q690A1 connections at ambient temperature

柱轉(zhuǎn)角θc由DT3和DT4的讀數(shù)獲得，節(jié)點(diǎn)M-θc曲線如圖11所示。由圖11可知，節(jié)點(diǎn)柱轉(zhuǎn)角均處于彈性狀態(tài)，并且Q690A1（Q690E1）的θc大于Q960A1（Q960E1）的θc。

圖11 栓焊節(jié)點(diǎn)M-θc曲線Fig.11 M-θc curves of flange-welded web-bolted connections

由圖12可知，常溫下的M-θ曲線從彈性段到彈塑性段有明顯的過渡，而火災(zāi)高溫下的M-θ曲線從彈性段到彈塑性段無明顯過渡。與常溫下相比，火災(zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力沒有提高。圖12a中，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力θmax，Q690E1低于θmax，Q690A1，這是因?yàn)榛馂?zāi)高溫試驗(yàn)環(huán)境較常溫更復(fù)雜，在加載后期難以確定裂紋擴(kuò)展到何種程度時(shí)才停止加載。雖然失效均為節(jié)點(diǎn)相關(guān)部位焊縫的破壞，但是Q690A1的焊縫開裂程度大于Q690E1。此外，Q690E1試件加工時(shí)的焊接質(zhì)量較差，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)提前破壞。

圖12 栓焊節(jié)點(diǎn)M-θ曲線Fig.12 M-θ curves of flange-welded web-bolted connections

2.5 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能指標(biāo)

常溫下，節(jié)點(diǎn)抗彎承載力設(shè)計(jì)值My按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8［22］建議的方法確定，詳見文獻(xiàn)［16］。以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，割線剛度Kj為斜率，割線與曲線相交于點(diǎn)R，R對應(yīng)的縱坐標(biāo)為歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議的抗彎承載力設(shè)計(jì)值?；馂?zāi)高溫下，節(jié)點(diǎn)由于焊縫質(zhì)量等原因較早破壞，節(jié)點(diǎn)塑性未有效發(fā)展，故取My=Mmax。

根據(jù)如圖12所示的節(jié)點(diǎn)M-θ曲線，結(jié)合文獻(xiàn)［16］中節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能指標(biāo)的確定方法，可得節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力設(shè)計(jì)值My、極限抗彎承載力Mmax、初始剛度Kini以及Mmax對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θmax，如表3所示。Kj的計(jì)算式如下所示：

式中：η為剛度折減系數(shù)，對于梁柱栓焊連接η取2。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力用θmax表征。

按照各國規(guī)范節(jié)點(diǎn)域承載力理論計(jì)算方法計(jì)算出抗彎承載力，并與文獻(xiàn)［16］所提供的方法獲得的節(jié)點(diǎn)抗彎承載力試驗(yàn)值對比，結(jié)果如表3所示。由表3可得出以下結(jié)論：常溫下，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8［21］理 論 值（My，EC3-1-8）與 試 驗(yàn) 值（My，test）相比偏于保守，而中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50017―2017［22］理論值（My，GB50017―2017）和美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC360-10［23］理論值（My，AISC360-10）偏于不安全；火災(zāi)高溫下，中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50017―2017［22］推薦的節(jié)點(diǎn)抗彎承載力的理論值與試驗(yàn)值最為接近，但Q960E1節(jié)點(diǎn)抗彎承載力理論值偏于不安全，美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC360-10［23］節(jié)點(diǎn)抗彎承載力理論值與試驗(yàn)值也較為接近，但有時(shí)也偏于不安全，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8理論值與試驗(yàn)值相比偏于保守。

表3 各國規(guī)范節(jié)點(diǎn)域抗彎承載力設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值比較Tab.3 Comparison of design value and test value of flexural bearing capacity at connection panel zone between various codes 單位：kN·m

由圖12和表4可知：節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)高溫下的極限抗彎承載力和初始剛度較常溫均有不同程度降低，并且節(jié)點(diǎn)初始剛度的降幅大于極限抗彎承載力的降幅。在極限抗彎承載力方面，Q690E1約為Q690A1的69%，Q960E1約為Q960A1的59%；在初始剛度方面，Q690E1約為Q690A1的61%，Q960E1約為Q960A1的43%。

表4 常溫與火災(zāi)高溫下高強(qiáng)鋼Q690與Q960栓焊節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能比較Tab.4 Comparison of mechanical properties of Q690 and Q960 flange-welded web-bolted connections at ambient temperature and elevated temperatures

3 高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)與栓焊連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果比較

武念鐸［16］設(shè)計(jì)了常溫20℃和火災(zāi)高溫550℃2組高強(qiáng)鋼外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，除節(jié)點(diǎn)類型不同外，梁尺寸、柱尺寸、螺栓強(qiáng)度等級、螺栓尺寸、試驗(yàn)環(huán)境以及試驗(yàn)條件等均與高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)性能試驗(yàn)相同。鑒于此，將梁柱截面尺寸和鋼材強(qiáng)度等級相同的高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)與高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能進(jìn)行對比分析。

3.1 試件編號

為方便將文獻(xiàn)［16］中高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)與本研究中高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比分析，對所有端板連接節(jié)點(diǎn)重新編號，統(tǒng)一編號后的節(jié)點(diǎn)尺寸如表5所示。將文獻(xiàn)［16］中的高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)Q690A1、Q690F1和Q960A1、Q960F1重新編號為Q690A2、Q690E2和Q960A2、Q960E2。

表5 2種節(jié)點(diǎn)尺寸Tab.5 Dimensions of two types of connections

3.2 節(jié)點(diǎn)失效模式

按照組件在節(jié)點(diǎn)中的位置將節(jié)點(diǎn)分為節(jié)點(diǎn)剪切域和節(jié)點(diǎn)連接區(qū)。表6為節(jié)點(diǎn)各組件的破壞模式。

表6 2種節(jié)點(diǎn)各組件失效模式Tab.6 Failure modes of components for two types of connections

由表6可知，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的變形主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)剪切域，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)連接區(qū)剛度較大，使梁端傳來的力（主要是彎矩）幾乎完整地傳遞到節(jié)點(diǎn)剪切域。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剪切域變形過大時(shí)，梁柱翼緣間焊縫或柱翼緣和腹板間焊縫達(dá)到極限拉應(yīng)變，焊縫產(chǎn)生裂紋。高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)的變形主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)連接區(qū)，這是因?yàn)檫B接區(qū)域的受拉區(qū)在受到梁端傳來的彎矩時(shí)，會(huì)經(jīng)歷端板與柱翼緣緊密接觸―接觸壓力消失―分開的過程。

由此可得出以下結(jié)論：在栓焊連接中，保證節(jié)點(diǎn)的焊縫質(zhì)量，尤其是柱翼緣-柱腹板間焊縫質(zhì)量，對節(jié)點(diǎn)承載力提高貢獻(xiàn)較大，而螺栓的抗剪承載力遠(yuǎn)大于其所承受的剪力，可通過適當(dāng)降低螺栓等級和直徑提高經(jīng)濟(jì)性；在端板連接中，對于較薄的高強(qiáng)鋼端板連接，端板具有較強(qiáng)的變形能力，導(dǎo)致螺栓易發(fā)生破壞，需要通過提高螺栓等級和直徑來提高節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力和變形能力，使得高強(qiáng)鋼端板與螺栓的塑性協(xié)調(diào)發(fā)展，這與文獻(xiàn)［9］的結(jié)論一致。

3.3 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

不同形式高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)在常溫和火災(zāi)高溫下的M-θ曲線如圖13所示。由圖13可知，相比于高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)高溫下有較強(qiáng)的抗彎承載力和初始剛度，即火災(zāi)高溫下栓焊連接可保持較高的抗火性能，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能相對優(yōu)于高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)。

圖13 Q690和Q960高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)和端板連接節(jié)點(diǎn)的M-θ曲線比較Fig.13 Comparison of M-θ curves between Q690 and Q960 high strength steel flange-welded web-bolted connections and end-plate connections

3.4 節(jié)點(diǎn)抗彎承載力

表7列出高強(qiáng)鋼Q690和Q960節(jié)點(diǎn)在不同節(jié)點(diǎn)形式和溫度下的極限抗彎承載力。可以看到，相同的梁和柱尺寸，常溫下Q690端板連接節(jié)點(diǎn)的Mmax為栓焊連接節(jié)點(diǎn)的68%，火災(zāi)高溫下比值下降到50%；Q960端板連接節(jié)點(diǎn)的Mmax與栓焊連接節(jié)點(diǎn)的Mmax的比值與Q690節(jié)點(diǎn)相近。對于栓焊連接節(jié)點(diǎn)，Q690E1的Mmax為Q690A1的69%，Q960E1的Mmax為Q960A1的59%；對于端板連接節(jié)點(diǎn)，其火災(zāi)高溫下承載力折減系數(shù)分別為0.51和0.46?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：當(dāng)梁和柱尺寸相同時(shí)，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能優(yōu)于高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)。

表7 Q690與Q960高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)和端板連接節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力比較Tab.7 Comparison of ultimate flexural bearing capacity between Q690 and Q960 high strength steel flangewelded web-bolted connections and end-plate connections

3.5 節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度

表8列出2種節(jié)點(diǎn)初始剛度的對比結(jié)果。從表8可以看到，高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)與高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的剛度均隨溫度的升高而降低。相同溫度下，高強(qiáng)鋼Q960端板連接節(jié)點(diǎn)與栓焊連接節(jié)點(diǎn)初始剛度的比值要大于高強(qiáng)鋼Q690節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)比值，這與節(jié)點(diǎn)所用鋼材強(qiáng)度等級和生產(chǎn)工藝有關(guān)。

表8 常溫與火災(zāi)高溫下Q690、Q960高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)和端板連接節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度比較Tab.8 Comparison of initial rotational stiffness between Q690 and Q960 high strength steel flange-welded web-bolted connections and end-plate connections at ambient temperature and elevated temperatures

以節(jié)點(diǎn)極限承載力對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角θmax表征節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。表9為2種節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力的對比結(jié)果。Q690A1與Q690A2的轉(zhuǎn)動(dòng)能力接近，這是因?yàn)樵诤缚p開裂后，栓焊連接節(jié)點(diǎn)的承載力隨著裂縫的擴(kuò)展短暫上升。此外，端板連接的轉(zhuǎn)動(dòng)能力大于栓焊連接的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，這是由節(jié)點(diǎn)的不同構(gòu)造決定的，栓焊連接節(jié)點(diǎn)的剛度更大，更接近于剛接節(jié)點(diǎn)。

表9 常溫與火災(zāi)高溫下Q690與Q960高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)和端板連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力比較Tab.9 Comparison of rotation ability between Q690 and Q960 high strength steel flange-welded web-bolted connections and end-plate connections at ambient temperature and elevated temperatures

4 結(jié)論

（1）高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)變形主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)剪切域；高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)剪切域一旦發(fā)生屈服，整個(gè)節(jié)點(diǎn)域的塑性發(fā)展將在較短時(shí)間內(nèi)完成。

（2）在常溫和火災(zāi)高溫下，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要是焊縫破壞，因此提高焊縫質(zhì)量對保證高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能至關(guān)重要，尤其是柱翼緣-柱腹板間焊縫的焊接質(zhì)量。常溫和火災(zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)的失效模式有所不同，主要表現(xiàn)在焊縫開裂的區(qū)域及焊縫塑性發(fā)展的程度上。

（3）常溫下，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8在預(yù)測節(jié)點(diǎn)域抗彎承載力時(shí)偏于保守；中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50017―2017和美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC360-10在預(yù)測高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力時(shí)偏于不安全?；馂?zāi)高溫下，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Part1-8關(guān)于抗彎承載力的理論值與試驗(yàn)值相比偏于保守。因此，亟需對規(guī)范相應(yīng)條款進(jìn)行修訂。

（4）高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)宜采用彈性設(shè)計(jì)法，使塑性鉸向靠近節(jié)點(diǎn)的梁端外移，從而使破壞發(fā)生在梁端。另外，可采用加強(qiáng)柱腹板或加勁肋的方法減小節(jié)點(diǎn)域的變形，從而降低框架的水平位移。

（5）無論常溫下還是火災(zāi)高溫下，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的剛度均大于相同梁柱尺寸同鋼號的高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)，高強(qiáng)鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能明顯優(yōu)于高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)。

作者貢獻(xiàn)聲明：

強(qiáng)旭紅：試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)執(zhí)行，數(shù)據(jù)分析，論文初稿的撰寫。

舒悅：參與試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果分析。

姜旭：項(xiàng)目構(gòu)思，試驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，數(shù)據(jù)分析，論文寫作與修改。

王飛：參與論文撰寫與修訂。