混凝土楼板对钢框架梁柱节点抗震性能的影响

混凝土楼板对钢框架梁柱节点抗震性能的影响

节点构造的确定多层楼结构已成为广泛应用的建筑振动结构形式。高架结构框架的节点通常采用柱连接和刚性连接。典型梁柱节点结构形式为钢梁翼边缘与柱连接、钢梁背板与柱连接或高强度螺钉连接。钢框架结构中的楼盖常采用混凝土或压型钢板混凝土组合楼板，但是目前在钢框架结构节点设计时却很少考虑楼板对节点承载性能的影响。现行的抗震设计原则之一是“强节点，弱构件”，但对于多高层钢结构，工程实际中采用的方法是局部加强节点，如梁端加腋、梁翼缘加厚或加盖板等，并没有利用节点区楼板使承载力提高的部分，特别是在采用钢柱-组合梁的框架结构中，楼板对节点区的承载性能影响更为突出。一般认为楼板会使节点承载力和刚度提高，但楼板也有其不利的一面，混凝土楼板的存在将使节点正弯矩区截面中和轴上移，下翼缘应力可能比不考虑楼板作用时有所加大，将使钢梁下翼缘处于不安全状态。同时，考虑楼板影响后，节点的刚度上升，对钢框架整体的内力分布和抗震延性产生影响，有必要研究楼板对钢结构框架梁柱节点抗震性能的影响。已经进行的研究结果表明，改进节点区焊接孔构造型式可以使塑性铰外移，可以有效增强节点延性，而且对节点区的承载力影响也较小，制作工艺与传统的节点基本相同，是一种比较理想的节点构造。因此，本试验中选取了现行GB50011—2001《建筑抗震设计规范》（简称“抗震规范”）中推荐的梁柱标准节点形式和改进焊孔构造节点的两种形式，并参考文献确定了试件节点构造。研究考虑楼板影响后节点在循环荷载作用下的应力和位移分布，比较其应力集中情况及承载能力和刚度的变化，为改进钢结构框架节点抗震设计方法提供试验依据。1试验总结1.1钢板、混凝土板材料本文所进行的4个试件试验采用框架平面的十字形模型。其中钢梁柱部分均为焊接H形截面，梁腹板采用4个10.9级M20摩擦型高强度螺栓与柱翼缘连接。梁截面尺寸为400mm×150mm×8mm×14mm，柱截面尺寸为450mm×250mm×12mm×16mm，梁柱截面板件的宽厚比、高厚比均满足我国现行“抗震规范”的构造要求。钢板所用材料为Q235B钢，实测屈服强度平均值为fy=312.93N/mm2，弹性模量为E=2.080×105N/mm2。楼板采用压型钢板混凝土组合楼盖，抗剪栓钉均按照完全剪力连接设计，楼板有效宽度为850mm，楼板厚125mm，其中压型钢板槽深75mm。混凝土强度等级采用C30级，实测单轴抗压强度平均值为40.96N/mm2。混凝土板纵筋采用直径为12mm钢筋，间距分别为80mm和120mm，材性试验得到钢筋的屈服强度为371.2N/mm2，分布钢筋则采用φ8@100钢筋。节点部分的详细构造如图1所示，梁端上下翼缘与柱翼缘全熔透对接焊缝采用垫板焊接，施焊后未去掉垫板。1.2节点区、混凝土楼板、钢柱受力及变形测量试验加载装置见图2，柱试件竖直放置，柱上无轴向荷载。在梁端施加低周循环荷载，直至构件完全破坏，计算机同步采集各测点的位移、应变等测量值。上下柱端为不动铰，梁反弯点为自由端。节点区量测项目包括荷载、加载点位移、梁柱相对转动、节点域变形、沿梁下翼缘中线应力分布及梁腹板应力分布等。混凝土楼板量测项目包括混凝土板中纵向钢筋应力分布情况、楼板受力过程中的裂缝发展、楼板与钢梁间的相对滑移等。图2中，1～4号压力传感器用来测定梁端施加的荷载。5～10号位移计用来监测梁段位移；11、12号位移计监测混凝土板与钢梁之间的相对位移；13、14号位移计监测柱端位移；15、16号引伸仪用来量测节点域内部柱腹板的变形；17、18号位移计布置在柱翼缘外表面，位置与柱加劲肋一致，用来量测节点域整体变形。1.3试件荷载分析循环荷载加载过程按照JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》的规定，采用荷载-变形双控制的方法。加载分两个阶段（图3），试件屈服前采用荷载增量控制，根据有限元分析，试件的弹性极限荷载约为120kN，分4级，每级循环1次，直到试件破坏。由于组合梁上下刚度并不对称，造成节点在承受正向和反向竖向荷载时所产生的位移不一致，以B侧的梁段进行加载控制，规定荷载向上为正，加载点的位移亦以向上为正。2试验现象和破坏形式2.1裂缝的分布特征试验加载时，均先加B端的正向荷载，表1给出了主要试验现象和破坏模式。从试验中可以看出，配筋率会影响混凝土板的破坏模式，尽管4个节点的开裂荷载都相差无几，但是在裂缝的形式和分布上有差别。配筋率高的试件的裂缝呈现出细而密的分布特征，斜向裂缝占大多数，而配筋率低的试件裂缝则相对来说少而宽，以水平通长裂缝为主。梁腹板的剪切连接板在所有试验中均没有产生明显的滑移，高强度螺栓未见任何滑动破坏现象。2.2节点破坏阶段所有节点试件都是以钢梁下翼缘受拉时翼缘根部焊缝截面断裂为破坏特征，而上翼缘对接焊缝没有任何损坏。试验结果显示，考虑楼板影响后所带来的下翼缘根部焊缝的应力集中程度远高于上翼缘的情况，而且由于柱翼缘对梁翼缘变形的限制，使得在梁柱交界面处的应力状态为三向拉应力，这在下翼缘表现得更为突出，使得下翼缘焊缝更容易发生脆性断裂。从试验结果分析，影响节点破坏模式的因素主要包括焊接缺陷、应力分布状态、应力集中等。(1）焊接缺陷：明显的焊接缺陷往往是裂缝开始扩展的位置，焊缝质量是影响节点低周疲劳特性的主要因素。试件CJ3的焊缝存在缺陷，因此在滞回圈数较少的情况下便发生低周疲劳脆断，造成节点的承载力也偏低。从钢筋与钢梁截面的应力分布也可以看出节点破坏阶段的差异。最早发生脆性破坏的试件CJ3，裂缝断裂时，受拉钢筋刚刚达到屈服，而钢梁截面下翼缘虽然达到了屈服，但应变较小，仅为试件CJ1和CJ2相应位置峰值应变1/10左右，钢梁腹板远未达到屈服。对于试件CJ1和CJ2，钢筋在受拉时屈服，在受压时接近于屈服状态，钢梁下翼缘应变水平较高，远大于屈服应变，但钢梁腹板截面整体上屈服不明显，只是在受压外侧接近于屈服。对于延性最好的试件CJ4，钢筋在受拉和受压状态下均进入屈服，受压钢梁翼缘的应变值为试件CJ1的2倍左右，加载到峰值应变时，钢梁腹板的两侧都已经进入屈服状态，接近于达到全截面屈服的状态。从上面的应力分布状况可以看出，除了试件CJ4外，其余3个节点受到焊缝提前断裂的影响较大，没有达到全截面屈服的破坏状态。(2）应力分布状态：不同的焊接孔形状对节点区附近梁翼缘的应力分布状况有很大影响，进而影响试件的破坏模式。试验中，试件CJ2和CJ4节点具有较长的焊接孔，梁翼缘在开孔段近似为承受轴向力的板件，在往复拉压荷载作用下，发生了明显的局部屈曲，滞回曲线均匀饱满，而试件CJ1和CJ3焊孔较小，难以发挥翼缘屈曲耗能的性能，完全累计在焊缝的变形上，容易使节点焊缝在低周往复循环荷载作用下较早地发生脆性断裂，影响其滞回耗能性能。(3）应力集中状态：在焊接孔根部梁腹板与翼缘相交处出现应力集中，应力集中的程度明显受到了混凝土板配筋的影响。配筋率高，整个截面刚度增大，作用弯矩相等的情况下，应力集中程度增加，尤其是在梁下翼缘与柱翼缘相交焊缝处，表现出不同的断裂模式。低配筋的试件CJ1和CJ2，焊缝源自焊趾处，在焊缝体内扩展，最后造成焊缝处的全截面断裂，而高配筋的试件CJ3和CJ4，裂缝从焊趾处发生后，向柱翼缘内扩展，最后造成焊缝根部，包括部分柱翼缘母材在内的全截面断裂。3心线处相对转角一般来说，节点转角φ是指节点连接处梁柱轴线之间夹角在某荷载作用下相对于无荷载时的改变值，在承受水平地震荷载作用时，节点变形将以节点域内的柱腹板剪切变形为主。本文试验中，节点转角φ是指钢梁梁端上下翼缘中心线处的相对转角，如图4所示。图中x1,x2为钢梁梁端处上下翼缘所产生的变形（图2中17和18号位移计测得变形），d为上下翼缘中心线的间距，节点转角按φ=dx1-x2计算，同时，将节点处的柱翼缘外侧的弯矩值作为考察的M值，M值按M=PL计算，式中，P为施加的荷载值，L为加载点到柱翼缘外侧的力臂长度。表2和图5给出了节点试件的主要试验数据结果，试件屈服是指柱表面处梁截面钢材达到边缘屈服的状态，该状态下的荷载、位移和转角定义为弹性极限荷载Py、弹性位移Δy和弹性极限转角φy。极限状态是指构件达到了试验峰值破坏荷载时的状态，取试件破坏前出现的最大荷载及其所对应的位移和转角作为极限状态参量Pu、Δu、φu。3.1试验件的滞回曲线除试件CJ3由于焊缝破坏较早，滞回曲线面积明显偏小外，其他的试件都表现出较好的延性，基本上都呈纺锤形，其截面的破坏形式均为出现塑性铰后再发生焊缝撕裂。试件CJ1和CJ2的滞回曲线在卸载完成的时候出现捏拢的现象，这主要是由于在反向加荷时，受拉区混凝土裂缝尚未闭合，使初始刚度下降，待裂缝闭合受压区混凝土参加工作后，刚度增加，曲线也上升了。从图5(d）中可以看出，试件CJ4的包络线面积最大，延性最好，滞回曲线最为饱满光滑，证明该节点具有良好的承受低周循环地震荷载的能力。3.2节点极限承载力(1）节点的极限承载力，从表3可以看出，有比较大的焊接孔及高配筋率的试件CJ4节点最高，这一方面是因为试件CJ4配筋率较高，能够有较多的钢筋远离钢节点的中和轴，与钢梁一块共同抵抗节点所受的梁端荷载作用，提高了节点的承载力和刚度，另一方面，由于焊接孔部位梁翼缘自由段较长，在节点弯矩作用下，焊孔处段梁翼缘发生屈曲，然后在循环加载过程中被反复压屈和拉直，使得较大范围内出现塑性发展，降低了应力集中，减缓了焊缝的裂缝脆断撕裂的过程，使得节点能够承受较高的荷载循环。试件CJ3由于焊接孔处翼缘塑性发展很少，导致焊缝断裂较早，承载力较低。对比文献中的纯钢节点试验，除试件CJ3基本接近以外，试件CJ1提高10%，试件CJ3提高了20%，试件CJ4的极限承载力更是提高了42%，说明在保证延性的前提下可以显著提高节点的极限承载力。(2）弹性极限荷载各试件基本一致，说明在受荷初期，混凝土开裂以前，截面的正向刚度与负向刚度比较接近，焊孔类型对钢梁截面的削弱并没有体现出来，因此，在初始线刚度上各试件也相差无几，高配筋下节点的初始线刚度略高一些。由于考虑了混凝土楼板的影响，正负弯矩下的弹性极限荷载相对于文献中的纯钢节点均提高了15%以上。(3）考虑楼板影响的节点变形相对于纯钢节点有不同程度的下降，主要是截面刚度增加以后，转动能力下降，相对于同样的变形分布，截面的应力水平要高许多，导致截面的极限变形能力下降。但从试验结果看，试件CJ4的极限转角接近0.02rad，说明对于只要合理的设计节点和配置楼板钢筋，就可以获得良好的转动能力，并且可以控制节点各部分的屈服顺序。3.3节点能量吸收本文采用位移延性系数μΔ=Δu/Δy和转角延性系数μφ=φu/φy作为节点塑性变形能力的度量指标。根据图6所示的节点滞回曲线的包络图，还可以计算得到各试件的能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he。表4给出了各试件延性和耗能指标以及文献中对应的纯钢节点的结果，同时，表中还定义了节点承载力储备Sr=Mu/My，用以表示节点开始屈服后承载能力继续增加的能力。对于每个试件，包络图面积基本反映了在加载到极限位移的一个加载循环中，节点所吸收的能量。通过比较表4列出的能量耗散系数E，可以看到因为焊接缺陷而较早破坏的试件CJ3能量耗散系数E非常小，而试件CJ4由于循环的次数最多，因此其能量吸收也是最大的，比试件CJ3高出61%。从表4可知，本次试验的4个节点的转角延性系数μφ=3.48～7.22，均大于3。各节点的等效黏滞阻尼系数he=0.202～0.325，而钢筋混凝土节点的he一般为0.1左右，可见本次试验中的节点耗能能力相当于混凝土节点的2～3倍，与文献钢节点相当，耗能性能良好。3.4破坏过程分析本文作者还对节点试件进行了相应的有限元分析。采用ANSYS程序对考虑混凝土楼板影响的节点受力及破坏全过程进行了模拟，钢梁柱采用Solid45单元，混凝土采用Solid65单元，分析中考虑了节点区混凝土开裂与压溃、钢筋屈服、摩擦滑动等破坏模式。表5给出了节点极限承载力计算值与试验值的比较，可以看到有限元分析的结果与试验值比较接近，证明有限元计算结果是可靠的。4节点延长试验(1）节点区混凝土楼板对于提高钢框架梁柱节点在低周循环荷载下的抗弯承载力效果明显，即使配筋较小的情况下，也有10%以上的提高，设计合理的节点提高程度更是可以达到40%以上，有利于实现抗震设计中的“强节点，弱构件”的设计原则；(2）本