梁柱刚性连接节点强震性能研究

梁柱刚性连接节点强震性能研究

由于传统梁柱螺旋连接节点的闭合角度难以形成，因为连接区域的板块是不连续的，柱的强度很难限制。梁端很难形成塑料拱。虽然一些参数已经改进，但延迟性无法满足连接塑料薄膜的要求。为了解决梁柱刚性连接节点在强震作用下脆性破坏的问题,实现“强节点、弱构件”的设计思想,一般通过两条途径改善梁柱刚性节点的抗震性能:一是通过对梁翼缘的局部削弱(骨形节点)使梁柱连接区域焊缝附近的破坏位置外移;二是在连接区域局部加大梁截面,提高节点延性,简称加强型节点。这两种方式的共同目的都是将塑性铰从焊接节点区域移到距柱面一定距离的梁上,避免塑性铰出现在韧度较差的焊接接头处,以确保构件具有足够的延性。削弱型节点包括梁腹板削弱型连接、腹板切缝型连接和梁翼缘削弱型连接。近年来,国内外众多学者针对不同形式的削弱型节点进行了深入研究。其中,翼缘削弱型节点是近十年研究的热点之一。梁翼缘圆弧削弱式是美国FEMA所推荐的一种塑性铰外移的梁柱节点连接形式,并给出了圆弧削弱式RBS连接的设计步骤。但大量研究结果表明,削弱型节点是以削弱梁截面、降低梁承载力为代价,来达到强震作用下其塑性发展的目的,此外,削弱型节点对加工制作的精度要求较高。为避免削弱型节点这一弊端,加强型节点得到了工程界的广泛关注,加强型节点是通过在梁上下翼缘局部范围加大梁截面,在不降低其承载力的前提下,使梁在大震作用下同样可以获得较好的塑性发展,节点具有很好的延性。加强型节点连接分为梁端加腋式节点、肋板加强式节点、板式加强型节点、扩大型节点。此类节点的共同特征是通过加强节点,使塑性铰的生成位置出现在偏离节点的梁上。其基本思想是根据地震弯矩梯度对梁端截面进行加强,使加强后的区域截面抵抗弯矩大于地震弯矩需求梯度。由于塑性铰总是在结构M/Mu值最大截面处首先出现,因此只要使得加强段端部梁截面的M/Mu值小于梁上其它截面处的M/Mu值,加强段端部就会形成塑性铰,远离梁柱翼缘交界面,如图1所示。梁端加腋式节点构造的特点是在梁端下翼缘处通过小梁或板对节点进行加固,同时在梁腹板和柱腹板的相应位置设置加劲肋,如图2所示。苏明周,顾强等人进行了全焊梁柱刚性连接的循环加载试验,试验结果表明,梁端加腋改进形式可大幅度提高连接的延性和极限承载力,其破坏形式均为梁端形成塑性铰后经历反复塑性变形而发生整体失稳。根据美国SACSteelProject的4种梁柱规格共9个加腋刚性节点的试验研究表明,加腋节点的抗震性能优越,具有良好的塑性能力,塑性转角由原来不足0.018rad可增至0.03rad以上,最大可达0.05rad。1998年,Chia-MingUang,DuaneBondad对梁截面加腋型节点进行了试验研究。2003年,韩国汉城大学建筑学院的Cheol-HoLee等人进行了加腋型梁柱连接节点在往复荷载作用下的抗震试验研究分析,试验发现,加腋型节点有效地转移了塑性铰,在缓解梁端焊缝处的应力集中、防止脆性破坏方面表现出了良好的性能。但加腋型节点用钢量大,节点处梁翼缘中部的应力集中仍然严重,且梁腋的存在也给建筑设计增加了困难。此外,还增加了现场安装难度、降低了建筑物净空高度。肋板加强型节点的具体形式有很多种,主要包括多肋板加强型和单肋板加强型等。其特点是依靠在钢梁上下翼缘焊接一块或者两块垂直肋板增加钢梁翼缘截面的抗弯承载力,使塑性铰移至肋板加强区之外,缓解梁端翼缘焊缝处的应力集中,有效阻止梁端翼缘焊缝处产生的破裂。Popov,Tsai,Engelhardt,Anderson和Duan等人分别对肋板加强型节点进行过试验,试验结果显示,肋板加强型节点有良好的塑性变形能力。2003年,Cheng-ChihChen进行了钢框架梁翼缘单肋板加强型梁柱节点的有限元分析和试验研究,试验结果表明单肋板加强型节点具有明显、可靠的延性来保证非线性变形的实现。2004年,他们又对普通钢框架梁柱节点和另外一种形式的肋板加强型节点进行了有限元理论分析和往复荷载作用下的试验研究。试验研究发现,单肋板加强型节点能够缓解梁端翼缘焊缝处的应力集中,有效阻止梁端翼缘焊缝处产生的破裂。较厚肋板试件表现出良好的滞回性能,而较薄肋板试件由于肋板端部脆性破裂而失败,但文章未对这种发生不同破坏模式的现象和发生脆性破坏的原因作出解释。肋板加强型节点同样存在降低建筑净空高度的缺点(图3),且不方便组合楼板的安装。综上所述,由于梁端加腋式节点和肋板加强式节点在施工及建筑设计等方面存在缺陷,板式加强型节点及梁翼缘扩大型节点将成为钢结构梁柱刚性抗震节点今后的发展趋势。本文将主要针对这两种加强型节点的研究与发展进行综述。1梁柱连接节点的分析板式加强型节点包括翼缘板加强型连接与盖板加强型连接,如图4所示,是美国FEMA350推荐的使塑性铰外移的一种梁柱节点连接形式。翼缘板加强型节点中的梁翼缘与柱翼缘不直接焊接,而是通过加强板进行过渡,加强板与柱翼缘采用全熔透单面坡口焊接,盖板加强型节点的盖板与梁翼缘同时与柱翼缘全熔透单面坡口焊接连接。这种连接方法是美国规范FEMA350在北岭地震灾后通过试验总结并推荐的一种新型钢框架节点连接方式,且FEMA350给出了其设计步骤,如图5所示。其中,各参数含义如下:Ry为钢材超强系数;Fy、Fu分别为材料的屈服强度及极限抗拉强度;Sb为钢梁在塑性铰处的弹性截面模量;Zbe为钢梁在塑性铰处的有效截面塑性模量;dc为柱高度;tplt、tplb分别为上下翼缘加强板的厚度;Cpr为承载力系数;bp为加强板在柱翼缘处的截面宽度;Cy为系数,Cy=1/[(CprZbe)/Sb];Mf为柱翼缘表面弯矩,Mf=Mpr+Vpx;lw为焊缝总长度,包括焊缝端部长度;Fw为焊缝的标准设计强度;tw为焊喉高度。T.Kim等人采用有限元分析及试验方法研究了翼缘板加强型和盖板加强型连接节点,T.Kim等共制作了10个足尺试件,5个为翼缘板加强型,5个为盖板加强型,并对试件施加了低周往复荷载。试验中所有试件均在远离柱翼缘的位置出现了塑性铰,梁腹板和翼缘均出现了局部屈曲,节点强度退化并达到极限状态。塑性转角在2.3%~3.9%,当加强板的形式为矩形时,节点性能表现最好。PoPov等人对翼缘盖板螺栓连接节点进行了循环荷载作用下的试验研究。作者指出必须对连接区的梁翼缘进行加强,迫使塑性铰在连接区以外形成,否则裂缝将在净截面处形成,同时螺栓必须为高强螺栓。目前国内针对翼缘板加强型连接和盖板加强型连接节点开展的试验研究较少。陈杰,苏明周等人研究了焊接翼缘板加强式梁柱刚性连接。对4个1/2模型施加了循环荷载,研究了梁翼缘宽厚比、腹板高厚比对连接性能的影响和节点域强弱对连接塑性转动能力的影响。作为比较,还进行了一个盖板加强式梁柱刚性连接的试验。试验结果表明,这种连接形式性能优良,确保塑性铰转移到加强板以外,梁端塑性转角介于0.044rad~0.054rad之间,达到了特殊抗弯钢框架连接塑性转动能力不小于0.03rad的要求,在试验过程中所有的加强板都没有发生局部屈曲。该论文还指出,在满足我国抗震规范要求的前提下,增大梁翼缘的宽厚比,梁翼缘更易于发生塑性局部屈曲,但对极限承载能力和变形能力的影响不大;减小梁腹板的高厚比则对承载力的影响较明显;较弱的节点域,会显著降低连接的承载力,但可提高其变形能力。北方交通大学的张海军、陈爱国和杨庆山采用有限元分析方法,对钢框架盖板连接节点的承载力、刚度、塑性铰发展行为、关键部分的应力分布以及滞回性能等方面进行了比较深入的研究。其研究成果表明:随着节点域厚度的增大,梁柱连接的强度和刚度都增加;柱翼缘厚度增加时,连接的刚度和强度增大、延性降低,厚度达到一定程度后,增加其厚度对梁翼缘的横向约束将没有多大的影响;随着柱翼缘宽度的增大,连接的强度和刚度提高;随着梁高的增加,梁柱连接的刚度和强度增加,延性降低;梁柱连接的强度和刚度随着梁翼缘的增厚而提高,但其提高或降低的幅度均不大,即梁翼缘厚度对梁柱连接性能的影响不是很显著;盖板长度太小时容易造成盖板端部的应力集中,对梁柱连接的受力不利;盖板长度达到一定值的时候,增大盖板长度对提高梁柱连接的承载力和刚度效果很小;盖板厚度增加时,梁柱连接的强度和刚度都增加,但增加或降低的效果均不明显。笔者针对翼缘板加强型节点和盖板加强型节点开展了试验研究工作,设计制作了4个1/2缩尺比例的节点试件,进行了低周反复循环荷载作用下的试验研究。通过改变加强板的形状和尺寸,研究了翼缘板加强型节点和盖板加强型节点的破坏形态、耗能能力、滞回性能、骨架曲线及刚度退化等力学性能。主要试验现象有:4个试件均在距离加强板端部约1/4梁高位置形成塑性铰,远离柱翼缘,保护了梁柱节点焊缝;梁翼缘均未出现撕裂现象,塑性铰处的梁截面出现了较大的塑性变形,翼缘翘曲明显,腹板鼓凸严重,腹板与剪力连接板之间形成了较大的缝隙;试件的P-Δ滞回曲线均非常饱满,无捏拢现象;翼缘板加强型节点的延性系数μ分别为3.51、3.28,盖板加强型节点的延性系数μ分别为3.42、3.11,均满足了抗震性能要求;翼缘加强板的等效粘滞阻尼系数he分别为0.584、0.550,盖板加强板的等效粘滞阻尼系数he分别为0.564、0.536。试件的骨架曲线,翼缘板加强型节点的承载力高,延性较好,优于盖板加强型节点。得到的主要研究成果如下:(1)长方形板式加强型节点的滞回性能、耗能能力明显优于梯形板式加强型节点;(2)加强板的长度对结构耗能能力影响不大。在保证塑性铰能够有效外移的前提下,加强板的长度越短,节点的耗能能力越强;(3)盖板加强型节点的盖板与梁翼缘同时与柱翼缘焊接,焊缝厚度较大造成了柱翼缘表面加强板和翼缘的接合处的应力升高,其延性系数低于翼缘加强型节点;(4)翼缘板加强型节点加工制作简单,材料利用率高,制作成本较低,耗能能力优于盖板加强式节点,推荐在强地震区应用。2节点抗震性试验研究扩翼式节点主要分为直接扩翼型和侧板加强型两种节点形式(图6)。直接扩翼型节点是通过一段变翼缘宽度的焊接牛腿进行过渡,牛腿提前在工厂与钢柱全焊连接,现场将等翼缘宽度的钢梁与短牛腿栓焊连接,牛腿翼缘与柱翼缘交界处的焊缝质量能够得到保证,现场安装时牛腿亦可作为安装工作平台,方便施工。梁端翼缘侧板加强式连接节点采用日本《钢构造接合部设计指针》颁布的构造作法,只需在梁端部用几块与梁翼缘厚度相同或相近的平板与梁翼缘对接焊接即可。与普通的钢结构梁柱节点相比,侧板加强式节点梁端塑性变形能力明显提高。日本的设计均为针对日本国内高层建筑多使用的箱形截面,而美国多采用H型钢柱,故震后美国的学者几乎未对这种连接形式做过研究,也鲜有文献报道。目前国内外对于扩翼式节点的研究尚处于探索阶段。王想军设计了4个缩尺1/2的模型,其中2件为梁端翼缘扩大型节点,2件为梁翼缘侧板加强型节点,并对这两种节点进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验。试验结果表明:扩大翼缘部分越短,转移塑性铰的效果越好;梁端翼缘放大型节点较侧板加强型节点而言,不但其耗能性能、抗震性能具有显著优势,且加工制作过程较为方便。采用对接型梁端翼缘放大型节点,不仅可以保持梁端翼缘放大型节点的优点,同时能够提高材料的利用率,故此类节点具有诸多加强型以及削弱型节点难以媲美的优势。台湾交通大学的陈诚直,李智民对钢构造梁扩翼接头的抗震性进行了试验研究。按照FEMA规定设计了6组足尺的不同扩翼参数的扩翼式节点试件,试验结果表明:扩翼式节点确实能改善梁根部焊缝处应力集中的现象,降低了梁柱接头处焊缝发生破坏的可能,并且6组试件都产生了塑性铰,增加扩翼段及圆弧段长度可使塑性铰远离柱面,避免了焊接热影响区发生脆性破坏,增加了塑性消能范围,提高了梁柱连接接头的抗震性能,并且建议按照FEMA进行扩翼式节点设计时翼缘扩大处的截面抵抗矩与钢梁的全截面塑性弯矩之比应等于或大于1.2。台湾大学的陈嘉有分别对盖板式连接和梁端侧板加强型节点进行了对比性试验,其中加强侧板采用梯形形式,两试件在加强侧板末端处梁翼缘都有裂缝产生,最终梁翼缘与腹板产生局部屈曲导致承载力严重下降而停止试验。试验结果显示梁端翼缘侧板加强式节点变截面处应力集中现象显著。台湾交通大学的陈诚直教授对梁端翼缘侧板加强式梁柱节点的抗震性能进行了试验研究,结果显示试件未达到极限承载力之前,已于侧板与翼缘对接焊缝处开裂,加强侧板末端有裂缝产生并向梁翼缘延伸导致梁翼缘撕裂,这种单肋板的加强型节点的稳定性仍需进一步研究。哈尔滨工业大学的王想军通过试验现象指出:侧板加强型节点由于侧板处焊缝的影响,塑性变形能力和延性远远比不上翼缘放大型节点,这说明加强侧板处焊缝是影响试件塑性和延性性能的主要因素。刘占科,苏明周等人参考日本《钢构造接合部设计指针》,结合我国规范设计了4个缩尺比例为1/2的侧板加强型试件,并进行了低周往复荷载作用下的拟静力试验。试验结果表明,该连接形式强度和刚度较好,能满足我国现行抗震规范的要求,但该连接构造形式塑性转动能力稍差,不能完全满足特殊抗弯钢框架连接塑性转动能力的要求。梁端翼缘扩大型节点不影响建筑美观和净空高度,对节点加工工艺的要求不高,现场施工难度较小,缺点是梁端节点形成扩大段后切除的钢材不能得到充分的利用。黄艳,刘新春采用ANSYS软件建立了非线性有限元分析计算模型,对侧板加强式梁柱节点的抗震性能进行了研究,分析了侧板长度对连接性能的影响。结果表明,侧板加强节点滞回性能优于普通无侧板节点,节点承载力也大大提高。侧板加强节点滞回曲线稳定、饱满,这种连接表现出了较好的耗能能力。笔者针对翼缘扩大型节点开展了试验研究工作,分别设计制作了2个直接扩翼型节点试件、2个侧板加强型节点试件,进行了低周反复循环荷载作用下的试验研究。笔者针对直接扩翼式节点的研究结果表明:梁端翼缘圆弧扩翼式节点的塑性铰中心形成于扩翼圆弧段末端,远离柱翼缘,避免于梁柱连接端部焊缝处发生脆性破坏,实现了“强节点、弱构件”的设计思想;节点的塑性铰中心形成于扩翼圆弧段末端,远离柱翼缘,达到了塑性铰外移的目的,有效地保护了节点;扩翼式节点试件加载过程中没有出现撕裂现象,塑性铰范围内的翼缘屈曲现象明显,表现出了良好的塑性耗能能力;由于扩翼式节点在构造中采用圆弧渐进式过渡的措施,使应力在传递路径上平滑过渡减少了梁端变截面端部应力集中现象;试件在断裂发生前滞回曲线均很饱满,且没有“捏缩”效应;M/Mp-θp及M/Mp-θ总滞回曲线显示扩翼式节点具有良好的塑性变形能力;扩翼式节点的延性系数μ分别为4.17、3.93,扩翼式节点的等效粘滞阻尼系数he分别为0.680、0.689。笔者针对侧板加强式节点的研究结果表明:侧板加强式节点塑性铰中心在距离加强侧板末端以外1/4梁高处形成,达到了塑性铰外移的目的,保护了梁柱连接根部焊缝;梁端翼缘侧板加强式试件均是加强侧板末端出现向梁翼缘中心发展的裂缝时停止加载,主要是由于加强侧板末端截面突变现象明显、侧板端部焊接热影响区的钢材变脆导致此处的应力集中现象严重,由此可见加强侧板制约了此类节点塑性耗能的发展;节点试件滞回曲线均很饱满,且没有“捏缩”效应;侧板加强式节点容易发生翼缘变截面处的侧板开裂,裂缝的出现限制了变截面附近塑性的发展,计算梁端翼缘侧板加强式节点的承载力控制截面应选在梁端加强侧板端部位置处;试验节