钢框架通流改造的抗震性能试验研究

钢框架通流改造的抗震性能试验研究

0柱-梁节点的选用随着国内钢产量的提高和钢类型的增多，钢框架结构的应用越来越受到重视。梁柱节点或梁柱连接在钢框架结构中起着举足轻重的作用,其性能可对结构的整体行为产生影响。日本和美国关于震后的研究表明,地震作用下框架节点区域受力复杂,存在严重的应力集中,往往会发生因焊缝破坏而导致节点失效的现象［1］。我国现行规范推荐使用柱贯通式节点,但这种节点需要较高的成本来设置内隔板,或者施焊时由于操作空间限制,不得不将柱在内隔板附近断开,因此不能保证完全意义上的柱贯通［2］。日本的钢管柱-梁节点广泛采用隔板贯通式连接,但我国对隔板贯通式节点的研究较少［3］。为了研究这种节点的实际抗震性能,本文针对方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点进行了低周反复荷载作用下的试验研究,重点研究了贯通隔板相关参数对节点抗震机理的影响,给出了满足抗震设计要求的隔板相关参数的取值依据,为工程设计和相关规范的修订提供参考。1材料及试验结果以隔板的厚度和平面尺寸为主要考察参数,共制作了4个方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点试件,见图1。其中试件JD2,JD4隔板的外挑长度为50mm,试件JD1,JD3隔板的外挑长度为25mm,与梁翼缘搭接长度为250mm,均采用实腹钢板。隔板与方钢管柱均采用全熔透坡口对接焊缝,与梁翼缘和腹板之间均采用10.9级摩擦型高强螺栓连接,接触面喷砂处理,表面摩擦系数为0.45。各试件的参数见表1。4个试件均采用Q235B钢材,方钢管柱为焊接箱形截面,梁为焊接工字形截面,焊条采用E43系列。根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228—2002)［4］要求制作标准拉伸试条进行材性试验。材性试验结果为:8mm厚钢板屈服强度为249MPa,极限强度为392MPa;10mm厚钢板屈服强度为245MPa,极限强度为388MPa。1.2试验加载制度在梁端用50t伺服液压千斤顶施加低周反复荷载,试验过程中用X-Y函数记录仪同步绘制荷载-位移曲线以便加载控制,并采用数据自动采集系统同步记录各电阻应变片、位移计及百分表的数据。试验装置及隔板应变片位置见图2。加载过程分预加载和加载两个阶段［5］。水平荷载采取荷载、位移混合加载制度,分级循环施加荷载,直至试件破坏,是否破坏以荷载-位移曲线是否出现明显拐点、构件变形及裂缝等进行综合评定。弹性阶段采取荷载控制,荷载增量为6kN,即6,12,18kN,…,每级循环2次;试件屈服后采用位移控制,以0.25倍屈服位移为级差控制加载,每级循环3次。试件加载时各循环均先使梁的左侧翼缘受拉,即先推后拉。2试验结果2.1破坏模式及破坏形态分析各个试件在加载初期的荷载-位移曲线(图3)基本为直线,表明试件处于弹性阶段。加载至一定程度后,试件隔板受压,发生局部屈曲,之后随着荷载的加大,隔板上均出现较为明显的残余变形。高强螺栓的滑移程度随着荷载和位移的增大而加剧,底部两个螺栓孔首先出现扩孔,变成明显的椭圆形,且螺栓主要通过螺栓杆与钢板之间的承压接触来抵抗外力。各试件的失效模式见表2。试件JD1,JD2的最终破坏为离柱表面最近的隔板上螺栓孔之间钢材的断裂;试件JD3,JD4的最终破坏出现在节点域附近的焊缝处,但在此之前试件JD3已出现严重扭转,不宜继续加载,试件JD4的承载力也已有明显下降,各个试件的典型破坏形态见图4。试件JD3由于加工制作误差及加载偏心,梁端在加载过程中出现了扭转,使得隔板两侧受力差异较大,导致隔板与柱壁板连接的焊缝开裂。在低周反复循环荷载作用下,由4个试件的破坏特征可知:(1)隔板受拉时,底部两螺栓之间钢材应力最大,并最先出现屈服;受压时,由于隔板宽厚比较大,在该部位发生平面外鼓曲,在循环荷载作用下试件JD1,JD2最终在此处发生疲劳断裂。(2)节点域隔板与柱壁板之间焊缝是主要的受力焊缝,由于试件JD3,JD4采用的隔板宽厚比较小,在该部位没有发生平面外鼓曲,而是发生源于焊缝及其热影响区的脆性破坏。(3)高强螺栓的滑移导致试件后期的位移中有相当一部分是“荷载走空程”,即荷载不变,位移增大,表现为试件的整体刚度减小,滞回曲线出现一定的“捏缩”现象。2.2滞回环面积的影响加载初期试件的弹性刚度最大,且基本保持不变,卸载后残余变形很小,一次加载循环形成的滞回环面积很小;试件屈服后,随着梁端位移的增大,卸载后残余变形也随之增大,一次加载循环形成的滞回环面积逐渐增大,表明耗能能力逐渐增大。由图3可以看出:隔板厚度对连接节点滞回性能有明显的影响,试件的承载力随隔板厚度增大而增大;隔板外挑长度对节点滞回性能有影响,隔板外挑长度较长时,试件承载力提高,但提高的幅度不大。由图3还可以看出,加载至一定程度时滞回环出现微小捏缩现象,这是因为高强螺栓开始出现滑移并伴随有“咔咔”的响声,此时滞回曲线总体呈“梭形”。加载至更大位移时滞回环“捏缩”明显,滞回曲线总体呈“弓形”。螺栓滑移较大时,“咔咔”声频率加快,刚度退化也加快。2.3模块外挑长度对试件承载力的影响由图5可以看出,试件JD3,JD4的骨架曲线在最外侧且比较接近,说明随着隔板厚度的增大,试件承载力提高,而隔板外挑长度的增大对试件承载力提高并不明显;而对于试件JD1,JD2,随着隔板外挑长度的增大,试件承载力均有所提高,且当隔板外挑长度增大时,试件承载力退化不明显。从整体来看,随着隔板厚度的增大,试件承载力提高,但隔板厚度应在合理范围内增大,而不宜过大。2.4荷载及位移延性系数延性是构件在非弹性阶段的耗能能力的体现,是抗震性能的一个重要指标,本文通过位移延性系数μ来分析试件的延性:式中:Δu为构件的荷载下降到85%的最大荷载Pmax时的变形;Δy为构件在屈服荷载Py时的变形。由图5可知,在低周反复荷载作用下,各试件经历了弹性阶段、屈服荷载Py、最大荷载Pmax、极限荷载Pu而最终破坏。各个试件的屈服荷载Py取荷载-位移曲线上有明显拐点处的荷载值,可能会有一定的人为偏差;最大荷载Pmax对应的最大位移为Δmax;极限荷载Pu取荷载下降到0.85倍的最大荷载Pmax,极限荷载Pu对应的位移为极限位移Δu。由此确定的特征荷载、特征位移以及位移延性系数见表3。由表3可知:(1)各个试件的位移延性系数μ介于3.33~5.82之间,均满足规范延性要求,说明这种节点连接形式使结构具有更好的延性。(2)与试件JD1,JD2相比,随着隔板厚度增大,试件JD3,JD4初始刚度和承载力的提高幅度大,延性系数降低,耗能能力下降。这是由于较厚的隔板能将梁翼缘传来的外力更可靠地传递给节点,外力被分散至更大的受力面积上,使应力在隔板上分布更为均匀,能有效缓解隔板在柱表面的应力集中现象,提高材料的利用效率。由于外力主要靠隔板传递,因而隔板对试件受力性能的影响最为明显。(3)试件JD1与试件JD2相比,试件JD3与试件JD4相比,随着隔板外挑长度的增大,其延性系数增大,耗能能力增强;且隔板外挑长度增大,试件的屈服荷载和最大荷载均有一定程度的增大。2.5i级加载时荷载承载力退化是指在位移幅值不变时,结构构件承载能力随着反复加载次数的增加而降低的特性。用承载力退化系数来表示结构构件的承载力退化［5］,λi为同一级(i级)加载中各循环的峰值荷载与前一级(i-1级)加载中各循环的峰值荷载比值的算术平均值。各试件的承载力退化系数的变化见图6。由图6可知,4个试件表现出基本相同的承载力退化趋势。在各级荷载作用下,承载力退化系数多数大于0.95,随着位移的增大没有明显的突变,试件承载力非常稳定,说明试件在低周反复荷载作用下承载力退化程度比较小,在地震作用下有较好的工作性能。最后一级加载时,隔板发生疲劳断裂或焊缝开裂,承载力有明显的退化。2.6试验结果分析为了研究隔板沿梁轴线方向应变的分布规律,取位移控制阶段梁端位移在25mm以内时隔板上应变片的数据进行分析,不同梁端位移下隔板沿梁轴线方向应变分布如图7所示。由图7可知:(1)开始的几个加载级,沿梁轴线方向的应变值变化较小,分布较均匀。随着加载级别增大,各处应变均增大,应变分布明显不均匀,且距离柱翼缘越近,应变值增幅越大。(2)对比试件的应变数据可知,隔板厚度增大后,相同位移时试件的应变值明显减小。试件JD1,JD2隔板(近柱翼缘处)的46号测点最早屈服,该测点附近出现内力重分布,故后期的47号测点应变值逐渐增大,甚至超过了46号测点。这与试验中该部位率先出现疲劳裂缝而后在相对薄弱部位向上转移的试验现象一致。而隔板加厚之后的试件JD3,JD4,未见明显的内力重分布现象,说明要有足够的厚度来保证隔板最下部两螺栓之间的最薄弱位置传力的可靠性。分析布置于隔板上的应变片数据表明,在整个试验过程中,与梁不直接相连的隔板均处于较低的应力水平,说明隔板对试件的承载力贡献不大;而与梁相连的一侧,隔板边缘的应变片数值随着外挑长度的增大只有小幅增大,而且应力水平较低,说明外挑长度能有效避开焊缝热影响区即可,但不宜太长。3国内对隔空板外挑长度、焊缝、螺栓孔与梁翼缘的缺陷,可解决建模时犯(1)隔板宽厚比:本次试验中,梁翼缘厚度均为10mm。试件JD1,JD2隔板的宽厚比较大,受压后易发生平面外鼓曲,并出现螺栓孔之间隔板钢材的疲劳断裂,裂缝横向扩展,试件承载力明显下降。试件JD3,JD4隔板的宽厚比较小,受压后不易发生变形,隔板下部两螺栓孔之间钢材屈服较晚,且未见明显的裂缝。由此可见,为保证隔板传力的可靠性,隔板厚度应取与梁翼缘相同或者比梁翼缘略大,同时保证隔板有较小的宽厚比。(2)隔板外挑长度:隔板外挑长度太小时螺栓孔与焊缝热影响区距离太小,此处应力集中严重。参考日本的相关经验,试件JD1,JD3的柱壁板厚度小于28mm时,隔板外挑长度取25mm,而试件JD2,JD4的取50mm,以作对比。增大隔板的平面尺寸能有效地将隔板上的力分散到更大的范围,对结构承载力有一定贡献。因此,隔板外挑长度要保证避开焊缝的热影响区,但太大时对结构承载力没有明显贡献。(3)焊缝:焊接质量对结构承载力有非常重要的影响,虽然设计均采用全熔透坡口对接焊缝,但是实际的加工质量未必理想。(4)高强螺栓:用高强螺栓代替梁翼缘与隔板的焊接后,有效地避免了隔板与梁翼缘之间焊缝的脆性破坏问题。但高强螺栓存在滑移,在屈服后的加载阶段“荷载走空程”的现象明显,对应的滞回曲线出现“捏缩”现象,耗能能力一般,但在后期加载时试件仍具有较高的承载力和延性。4模块连接方式影响通过对方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点在低周反复荷载作用下的试验研究和分析,得出以下结论:(1)隔板尺寸对连接节点滞回性能有明显的影响。试件的承载力随隔板厚度增大而增大。在合理范围内,随着隔板外挑长度的增大,试件承载力提高,超出