高层钢框架节点抗震性能足尺模型试验研究

高层钢框架节点抗震性能足尺模型试验研究

结构体系的动态模拟在1994年美国北德罗志地震和1995年日本科贝斯塔地震中，大量连接节点受到脆弱破坏。在强烈地震作用下,框架节点的变形一般都处于复杂的非线性弹塑性状态中,合理而经济的结构抗震设计应利用结构的非弹性变形,尤其是钢梁与钢筋屈服后的塑性变形所能吸收的能量。时程反应分析法是当今世界公认的一种较合理的分析方法,它是利用计算机对建筑物在地震时的状态进行动态模拟,预测在地震波作用下结构的地震反应及其破坏特征,然后再对设计进行反馈修正,以确保所设计的结构具备相当的安全度。显然预测结构地震反应及其安全性的可靠程度,主要取决于对结构构件和节点的滞回特性认识的可靠性和结构构件恢复力模型的准确程度。国内外不少学者都对钢框架梁柱节点的恢复力特性做过研究,提出了一些恢复力模型,目前常用的弹塑性恢复力模型包括:双线型、三线型、四线型(带负刚度段)、退化二线型、退化三线型、指向原点型和滑移型,但都没有考虑组合效应的影响。在Northridge地震的震后调查中发现,混凝土楼板与钢梁间的协同受力作用,造成大量梁柱节点的下翼缘应力水平偏高,提前发生脆性破坏,因此,在钢框架抗震设计时,应充分考虑到楼板的组合效应对结构弹塑性状态下抗震性能的影响。本文在试验研究的基础上,对考虑节点区组合效应的标准型、改进型梁柱节点的滞回特性进行了分析,探讨了组合梁柱节点的延性指标、耗能能力和强度、刚度退化等滞回特性参数。根据标准型、改进型型节点的试验滞回曲线,提出了这两类节点宜采用的二折线恢复力模型。节点弹塑性恢复力模型的提出,为罕遇地震下考虑节点区组合效应的高层钢结构的弹塑性时程分析提供了基础。1试件结构及试验构件设计所进行的四个节点试件试验,选取了常规承重钢框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体,试件采用主框架平面的十字形足尺模型。其中钢梁柱部分均为焊接H型钢,梁腹板用高强度螺栓通过连接板与柱翼缘连接。钢梁截面尺寸均为400mm×150mm×8mm×14mm,每侧钢梁长1.8m,柱截面尺寸均为450mm×250mm×12mm×16mm。钢板所用材料为Q235B钢,楼板采用压型钢板组合楼盖,楼板宽度为850mm,楼板厚125mm,其中压型钢板高75mm。混凝土采用C30级,混凝土板纵筋采用直径为12mm的HRB335钢筋,其中CJ1和CJ2试件采用12@110的小配筋率,而CJ3和CJ4采用12@80的大配筋率设置,分布钢筋则采用8@100的HPB235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外侧的全熔透对接焊缝施焊时都设有焊接衬板,衬板与梁柱翼缘点焊固定,施焊后未去掉衬板。梁端由竖直放置固定于丝杠上的上下4个千斤顶轮流施加压力,在梁端施加竖直低周往复循环荷载直至构件完全破坏,如图2所示。试验中上下柱反弯点为不动铰,梁反弯点为自由端,忽略了柱子位移时的P-δ效应,以梁端塑性铰和核心区为主要研究对象。节点量测项目包括施加荷载、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上应力分布等。2节点的延性及耗能特性在低周反复荷载作用下,梁柱节点的滞回特性主要通过循环荷载加载过程中强度和刚度的变化情况、延性指标以及能量耗散能力等几方面来描述。根据荷载-变形的滞回曲线,可以计算得到各试件的滞回圈累计面积S、滞回包络线面积A、能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he。这些参数代表了试件在地震往复荷载下吸收能量的能力大小。以各试件破坏时的极限转角φu和屈服时的节点转角φy的比值μ=φu/φy定义为转角延性系数,作为节点在屈服后的塑性变形能力的度量指标,另外定义节点承载力储备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。表1给出了上述各延性和耗能指标的计算结果。图3给出了试验中4个节点滞回曲线无量纲化的包络图,横坐标为相对转动能力,等于转角φ与弹性极限转角φy的比值;纵坐标为相对弯矩,等于节点弯矩M与弹性极限弯矩My的比值。从试验结果可以看出,各节点的滞回曲线都比较饱满,基本呈现稳定的梭形,耗散能量的能力较大,呈现出良好的强度和延性特征。钢框架节点在反复循环竖向荷载作用下的滞回曲线图形基本上是对称的,基本上可分为“屈服段”、“极限段”两部分。各个试件的滞回曲线表明,当梁端变形增加时,梁刚度逐渐衰减,耗能逐渐增加,这种变化不仅受荷载增加的影响,而且还受到荷载不变时循环次数增加的影响。但由于钢梁的刚度退化并不明显,因此限制了混凝土楼板低周疲劳的发展,使整个节点的抗剪能力和刚度退化均较缓慢,同级荷载作用下刚度退化不明显。各曲线形状大体一致,但也存在着以下差别。2.1滞回圈累计面积以及能耗对于每个试件,包络线面积大致代表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。包络线越饱满光滑,越接近于梭形,耗能能力越好。另外,对于节点吸收的实际能量,还与循环次数有关。通过比较表1中列出的试验加载过程中各试件的滞回圈累计面积S,可以看到因为焊接缺陷而较早破坏的试件CJ3的累计面积非常小,也即吸收的能量非常小,这对于节点抗震性能是非常不利的。大焊接孔和高配筋率的CJ4由于循环的次数最多,因此其能量吸收也是最大的,比CJ3要高出61%,耗能效果比较突出。国外一些试验研究成果表明节点构造与其耗能能力存在某种关系:在保证节点延性破坏的前提下,通过节点传力板件的局部减弱,节点的承载力会有所降低,但其耗能能力将有所提高。CJ4通过扩大焊接工艺孔,不仅使焊接的施工质量得以保证,而且可以改变节点的破坏模式,提高其耗能性能;较多的钢筋可以弥补强度上的削弱,使节点的强度高,延性好。2.2节点转角延性系数各节点构件的延性系数μ不同,但均大于3。延性系数越大,说明其屈服后的超弹性变形能力越好,发生脆性破坏的可能性也越小。在所进行的试验中,改进型的高配筋节点CJ4的μ值最大,标准型的低配筋节点CJ1次之,改进型的低配筋节点CJ2与CJ1相差无几,而标准型的高配筋节点CJ3最差,其脆性破坏发生最早,耗能能力也相对最差。对于试验中的考虑节点区组合效应的栓焊连接节点,过大的延性系数,将可能导致节点强度和刚度较大的降低,因此从试验结果看,节点转角延性系数取3.0较为合适,既能保证节点塑性的充分发挥,又能保证节点具有足够的承载力和刚度。这一结论与文献中得到的是一致的,说明在考虑组合效应后,节点的延性虽然有所下降,但是能够满足抗震设计的需要。2.3节点延性和承载力的要求各节点构件的承载力储备Sr也不尽相同,分布在1.295～1.689之间。节点在承受低周往复循环荷载时,承载能力会随着循环次数的增加逐渐下降。承载力储备Sr越大,说明节点在屈服后承载力的上升幅度越大,在设计中就应考虑利用钢梁与钢筋屈服后强度。试验中除了CJ4的Sr值较大之外,其余3个节点差别不大。从试验发现,尽管通常来说焊接孔构造对于节点承载力有影响,较大的焊接孔一般会降低节点的极限承载力,但应该指出,改变焊接孔形状和尺寸的主要目的是改善节点的延性性能。判断一种焊接孔构造是否合理的主要标准是它能否降低应力和应变集中,降低节点发生脆性破坏的危险,而不是它对节点极限承载力的影响。事实上,试验结果表明,改善节点的延性后,减少了较早发生断裂的可能性,使得截面的塑性发展比较完全,充分发挥了材料的承载性能,反而能够安全而有效地提高试件的极限承载力。由此可见,在考察节点试件的力学性能时,应该综合考虑到强度、刚度及转动能力各方面的协调和影响。2.4横向加荷延性系数为了反映节点在经历多次反复循环荷载以后的承载性能与变形的统一关系,可以采用累计延性系数来表征。向上加荷的累计延性系数μ=(φ1+φ3+⋯+φn)/φy(1)μ=(φ1+φ3+⋯+φn)/φy(1)向下加荷的累计延性系数μ=(φ2+φ4+⋯+φn+1)/φ′y(2)μ=(φ2+φ4+⋯+φn+1)/φ′y(2)上式中:φy和φ′y为屈服时的转角(向上、向下各有一个),而φ1和φ2等指向上和向下加荷时所达到的最大转角。这样,每一循环向上、向下加荷时可以计算出各自的累计延性系数。将累计转角延性系数作为横坐标,以每一循环向上、向下加荷时的截面最大试验弯矩与屈服弯矩的比值作为纵坐标,可以得到图3。图中每一条曲线,代表着一个构件,曲线上的点,代表着第几循环。从图3可以清楚的看出,当循环次数增加时,累计延性系数增大,而同级荷载下节点的最大弯矩降低,体现出试件进入塑性后强度和刚度的退化。2.5节点强度和刚度退化分析试件在往复荷载作用下强度和刚度退化的原因,主要是由于混凝土板开裂,以及钢筋出现了粘结滑移引起的。对于长焊接孔的CJ2和CJ4,除了上述原因之外,还由于长焊接孔使得梁腹板和翼缘可以相对自由变形,在试件进入塑性后,焊孔区段内梁翼缘发生明显屈曲变形,初始的屈曲变形在随后的位移反向过程中尚可恢复,但当位移加大或在同一级位移重复的过程中,屈曲变形加大,且不能完全恢复,位移循环次数的增加,将进一步加大屈曲变形,从而造成节点强度和刚度的进一步降低,即为退化发生,CJ4的刚度退化尤为明显。美国加州大学伯克利分校的Astaneh-Asl教授的研究工作曾提出:在地震荷载作用下,结构刚度的退化在一定程度上有利于结构抗震。如何在确保承载力和刚度在地震荷载作用下退化到一个合理的程度,除了出于结构安全和经济的考虑之外,还必须考虑钢框架各单元对于结构整体所造成的影响。综合试验中的节点滞回特征,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往复循环地震荷载的能力,并且这种节点构造也便于加工制作,经济效益佳,值得推荐。3恢复力模型的确定恢复力模型是进行结构非线性分析的基础,由于地震作用过程的变形速度快,且是反复多次循环加载过程,因此,可以在结构恢复力特性的试验研究基础上,加以综合、理想化而形成特定的恢复力模型。确定恢复力模型的试验方法主要有三种,分别是反复静荷载试验法,周期循环动荷载试验法和振动台试验法。目前多采用本文中的反复静荷载试验法来确定恢复力模型。通常可选用非线性模型和线性模型,前者可考虑Bauschinger效应、应变强化效应、强度退化效应的影响。由于考虑了诸多影响因素,使得单元刚度表达非常复杂。实际上结构最大地震反应发生在震后的最初2～3s内,结构振动循环次数不多,位移并非很大时,其强度退化不明显。国内外的试验研究表明,梁、柱及节点板域单元的恢复力模型可采用二折线型,亦能反映各单元的恢复力特性,且表达直观、简便。3.1折线恢复力模型在试验研究和有限元研究的基础上,提出了节点的恢复力计算模型。针对四种形式节点的滞回曲线包络图,对其进行分段线性模拟,总结归类,得到以两种钢节点为基础的组合节点的建议恢复力模型,对标准型节点和改进型节点均采用如图4所示的二折线恢复力模型。对于二折线的恢复力模型,曲线关于原点对称,控制点的确定包括弹性极限弯矩My,塑性极限弯矩Mu,弹性极限转角φy,塑性极限转角φu。横坐标为φ/φy,取值范围为(-φu/φy,φu/φy);纵坐标为M/My,取值范围为(-Mu/My,Mu/My)。在图4中,Ke为节点的相对弹性刚度,Kp为屈服后的塑性刚度,Kr为刚度退化后的剩余刚度。3.2节点的恢复力模型标准型节点和改进型节点的恢复力模型各段如表2所示下:建议恢复力模型中节点承载力储备系数Sr=Mu/My,其取值在1.20～1.40之间;节点转角延性系数μ=φu/φy取3.0。应用节点恢复力模型时,My和φy可以取柱表面处梁截面达到边缘屈服时的弯矩和转角,Mu和φu的确定与梁截面的具体尺寸和节点形式有关,需要综合考虑节点的实际承载能力、节点剩余强度和设计安全度等诸多因素的影响。值得注意的是,各种节点的恢复力模型的卸载阶段的刚度Kr与节点弹性刚度Ke并不完全相等,这与理想强化模型不同。一般而言,结构卸载时其刚度应该等于弹性阶段的刚度,其中的差异是由于截面塑性发展,混凝土开裂、钢筋的滑移、混凝土与钢梁间的滑移、高强度螺栓滑移以及剪切板与梁翼缘间的滑移等因素影响,这种刚度退化是不可避免的,也是不可恢复的。4抗震节点的选择合理合理本文总结了考虑节点区组合效应的钢框架梁柱节点滞回特性,提出了考虑组合作用的钢框架梁柱节点的建议恢复力模型。(1)研究