蜂窝式钢框架边节点抗震性能试验研究

蜂窝式钢框架边节点抗震性能试验研究

蜂窝式钢框架梁柱节点长期以来，人们普遍认为，钢框架结构（mrf）具有良好的抗疲劳动性能，在地震区域得到了广泛应用。然而,1994年1月17日发生的北岭地震使这一观点受到了挑战。震害调查显示,尽管地震中无钢框架结构倒塌破坏的事例,但是在梁柱节点处却发现了大量的脆性裂缝。随后发生的日本阪神地震(1995年)也引起了类似的破坏。因此,近10年来,关于钢框架梁柱连接节点的破坏机理、抗震性能以及设计方法等方面的研究引起了科技工作者和工程师的重视,并取得了许多研究成果。蜂窝式钢框架梁柱节点是由H型钢或工字型钢沿腹板上一定的折线或圆弧线切割成的两部分错位焊合而成的腹板有孔洞的梁柱连接而成的新型节点形式,其孔洞类型一般为六边形孔、圆孔、椭圆孔和矩形孔等(本文主要研究正六边形孔,详见图1)。蜂窝节点域的截面高度扩大为原型钢的1.3~1.6倍(相应的正六边形孔的边长或外接圆半径为原型钢高度的0.35~0.7倍),较大地提高了蜂窝节点的承载力和刚度。此新型节点具有自重轻、承载力高、省材、造型美观及便于穿插管线和工业化加工制作等特点,适用于建造多层钢结构住宅、无大型吊车厂房和轻钢结构别墅等建筑。国内外关于蜂窝梁的研究成果和应用很多,如一些门式刚架结构采用了腹板开圆孔或椭圆孔的斜梁。国外钢框架结构中有些采用了蜂窝框架梁(如英国Vulcan大楼),而我国钢结构框架梁或柱还没用应用蜂窝构件的实例。目前,国内外对蜂窝式钢框架结构及其节点的抗震性能研究很少,限制了该结构体系在工程中应用。因此,很有必要对蜂窝式钢框架梁柱节点性能作深入研究,为蜂窝式钢框架结构研究及应用奠定基础。孔洞大小和位置是影响蜂窝式节点受力性能的两个重要因素。文献指出由于梁翼缘板参加抗剪,使得削弱截面的抗剪能力并未随腹板削弱面积等比例的降低。当扩张比K=1.5时,梁上第一个开孔位置与其腹板高度之比d/ht和柱上第一个开孔位置与其腹板高度之比e/hc则是蜂窝节点主要的设计参数,这两个参数的取值应由梁根部与削弱处截面的抗弯能力比和梁翼缘对腹板的约束要求两个因素来控制。当d/ht与e/hc在某些范围内时,能够达到使塑性铰首先出现在梁上的削弱部位,从而远离梁根部节点焊缝区的设计目标。为了对上述可行性研究提供试验支持,同时为下一步的蜂窝钢框架整体分析提供依据,本文在沈阳建筑大学结构工程实验室进行了6个试件的拟静力试验。1试验总结1.1试验模型及材料试件选取6个典型的梁柱T形节点形式,即原型钢节点、4种在腹板上有不同开孔位置的蜂窝式节点和一个犬骨-蜂窝式节点(见图1),其几何尺寸见表1和表2。试验模型采用Q235B钢制作,按《GB/T228—2002金属材料—室温拉伸试验方法》制作试样,测得试件材料性能平均值见表3。梁、柱采用工字形焊接H截面,梁柱连接采用全焊接刚性连接,焊接材料采用E43型焊条,按等强度原则设计。节点试件设计参照《钢结构设计规范》(GB50017—2003)和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2008)中的有关构造规定。1.2加载和数据采集系统试验采用电液伺服结构试验机进行低周反复循环加载-拟静力试验方法,以模拟节点在地震中的受力情况。试件的加载及支撑设计如图2所示,采用梁端加载方式,节点的柱上、下为铰接,梁端为自由端,这种加载方式比较符合整个框架中梁、柱的实际受力情况。梁端垂直低周往复荷载由250kNMTS加载,作动器行程±250mm。柱顶采用600kN油压千斤顶加载,在其上安装传感器以控制此反力的大小。试验全过程由MTS伺服控制机及微机控制。在距离柱顶10cm的位置安装250kNMTS作为横向水平支撑锚固于反力墙上。为了防止结构发生平面外失稳,在梁端加载点外伸150mm处加了侧向支撑。在距离柱顶10cm的位置安装250kNMTS作为横向水平支撑锚固于反力墙上。为了防止结构发生平面外失稳,在梁端加载点外伸150mm处加了侧向支撑。试验数据使用IMP数据采集系统采集。现场试验装置如图3所示。1.3梁的挠度与柱的剪切变形量测内容包括:(1)柱顶轴心压力;(2)梁端拉、压MTS实际加载数;(3)梁根部挠度和柱的转角、节点域的剪切变形;(4)柱翼缘及腹板、梁根部翼缘及腹板以及柱上第一个孔洞和梁上第一个孔洞周围的应变;(5)节点域角点的应变;(6)梁端挠度;(7)梁端荷载P-位移Δ滞回曲线。1.4竖向加载再梁端竖向循环加载《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101—1996)中建议,一般在做循环加载试验时,试验加载过程中可采用从荷载控制到位移控制的加载方式,即先以荷载控制加载到构件基本屈服,之后再以位移控制变幅循环到某个位移值达到规定的限值为止。本试验采用先柱顶竖向加载再梁端竖向循环加载的加载顺序。具体加载步骤如下:(1)在柱顶施加竖直向下荷载,预载完毕后,一次加载至竖向荷载设计值P1(蜂窝式节点P1=160kN,原型钢节点P1=107kN,轴压比均为0.25),并在整个试验过程中保持恒定;(2)梁端加载采用荷载-位移控制法,加载分两个阶段,弹性阶段以荷载增量控制,分三至四步单循环加至试件达弹性极限时的梁端竖向荷载Pe(根据理论计算约为30kN),节点出现塑性变形后以屈服位移(根据绘制的梁端P-Δ曲线上出现较为明显的拐点来确定)增量控制。SFJD、FWJD-1、FWJD-2以屈服位移的倍数加载,FWJD-3、FWJD-4、FWJD-5以屈服位移的一半为位移增量加载,每级循环两周,直至试件破坏(荷载下降到最高荷载的80%~85%,且不低于屈服荷载),整个加载过程由计算机控制。2受拉压梁端试验后的受荷特点6个试件的试验过程非常相似。在力控制阶段,当6个试件上的力达到各自的屈服荷载时,相应的试件在节点域中心最先屈服,然后向四周扩展,梁端荷载-位移滞回曲线出现明显拐点,对应的梁端位移为屈服位移,构件进入塑性工作阶段,承载力继续增加;在位移控制阶段,按屈服位移Δ的倍数(FWJD-3、FWJD-4、FWJD-5按0.5Δ)循环加载,出现了各种不同的破坏形态(见表4),且伴有较响的声音,试件承载力迅速下降,试验结束。各试件破坏情况见图4。3试验结果及分析3.1延性在试验试件中的效果为了使梁柱连接能够形成可靠的耗能体系,FEMA要求刚性连接试件在破坏时的塑性转角能达到0.03rad。本次试验的6个试件中只有FWJD-5和FWJD-2满足这个要求,延性最好的FWJD-5的塑性极限转角为0.032rad,最差的SFJD塑性转角仅为0.018rad。试件虽然未都达到FEMA要求,但与原型钢相比,延性在一定程度上得到了提高。表5列出了节点试件的主要试验数据,包括试件极限荷载、塑性极限转角、最大位移等。3.2节点延性和塑性转角连接节点在反复荷载作用下的荷载-变形曲线是其延性、耗能能力、强度、刚度等力学性能的综合反映,所以滞回性能分析是钢框架梁柱节点研究的关键。图5为各节点的荷载-位移滞回曲线。从P-Δ滞回曲线可以看出,同以往关于梁柱连接的试验类似,这次试验结果在一定程度上具有较大的离散性,但从中也可以看出一些规律:(1)较之原型钢节点,5个蜂窝式节点的滞回环均显得大而饱满,呈梭形,说明这种形式能够改善节点的抗震性能,但相比而言犬骨-蜂窝式节点(FWJD-5)更为有效,主要是由于犬骨式削弱部位塑性铰的转动能力和范围比在梁根部塑性铰的转动能力和范围大。对于蜂窝式梁柱节点,梁腹板开孔使截面受到削弱,以及孔周边的应力集中,促使塑性铰在孔洞附近产生,塑性铰的吸能耗能可以避免梁柱节点在焊根处脆性破坏,改善了节点的抗震性能。(2)犬骨-蜂窝式节点(FWJD-5)包络线面积最大,延性最好,主要是由于能首先在梁翼缘削弱处有效地形成塑性铰,进而充分发挥材料的塑性性能,满足延性破坏的要求。除试件FWJD-5特殊外,延性大小跟孔的位置与腹板高度的比值有关。在本次试验的参数范围内,根据滞回曲线面积大小,可以得到这样的规律:当e/hc一定时,d/ht=3.2的试件的延性比d/ht=0.97的试件的延性提高25%,比d/ht=3.58的试件的延性提高6%,说明当试件其他参数都相同时,d/ht越靠近3.2,梁柱节点的延性就越好;当d/ht一定时,e/hc=1.97的试件的延性比e/hc=0.79的试件的延性提高2.8%,二者延性几乎相同,可知e/hc对试件的滞回性能影响较小。这可以从以下两方面来解释,在抗弯框架的传力体系中,要求塑性铰产生处不能紧邻节点,必须相隔一定的距离(也就是指梁上开孔位置d,此值太大或太小都不能有效地改变塑性铰形成位置)。但是实际此处的弯矩值要小于柱翼缘表面处的弯矩。另外,柱翼缘也约束梁的变形,使此处的应力状态为高三轴应力,而通过对梁截面的削弱,使塑性铰形成位置发生改变,改善节点处的应力状态,达到提高节点延性的目的。对于本文中的节点,由于是柱贯通型,柱腹板上开孔并不能影响柱翼缘对梁的约束作用,从而不能缓解梁根部焊缝处的应力集中,只能缓解节点域加劲肋焊缝处的应力状态,因此在柱腹板上开孔对节点滞回性能影响较小。(3)焊接质量是防止节点发生脆性破坏的关键,明显的焊接缺陷很可能导致焊缝中的裂纹过早开展,从而降低节点的延性和耗能能力。观察发现试件FWJD-4的梁柱节点焊缝存在较明显的初始裂纹,而其他试件节点焊缝质量较好。因此,试验结果FWJD-4未能表现出应有的延性,说明焊接质量对梁柱连接的延性有很大影响。(4)节点域变形对节点滞回性能有较大的影响。试件SFJD节点塑性转角主要是由节点域转角产生的。虽然试件FWJD-1、FWJD-2、FWJD-3、FWJD-4和FWJD-5(同时削弱梁翼缘和腹板)由于削弱腹板塑性转角变形比较大,但节点域的转角也占相当比重。因为当梁翼缘或腹板没有进入塑性时,节点域局部已进入塑性,且有了相当的塑性发展。3.3节点的延性分析各节点试件的P-Δ骨架曲线如图6所示。从图中可以看出,在达到屈服荷载之前,五种蜂窝式节点的荷载-位移基本为线性关系,屈服之后,呈现明显的非线性。曲线在经过强化阶段达到峰值荷载后有较长的水平段,说明这些节点具有较好的延性;原型钢节点在屈服之前骨架曲线直线段很短,经过强化阶段达到峰值荷载后没有明显的水平段,说明这种节点延性较差。骨架曲线在两个方向的形状基本相似。3.4种蜂窝式节点的承载力从滞回曲线看,原型钢节点(SFJD)和犬骨-蜂窝式节点(FWJD-5)屈服后,变形增大较快,但承载力增加不多。与原型钢节点相比,五种蜂窝式节点的最大承载力都有不同程度的提高:FWJD-2提高最大(73.7%),FWJD-1提高54.2%,FWJD-3提高46.9%,FWJD-4提高45.1%,FWJD-5提高53.1%。这是因为这五种节点都是在原型钢基础上对腹板进行扩高,增加了构件的截面抵抗矩。虽然腹板局部有开孔削弱,但是翼缘板能承担绝大部分的弯矩,腹板只承担部分弯矩和全部剪力,因此腹板的局部削弱对其抗弯承载力影响不大。3.5节点延迟和能耗指数3.5.1节点延性分析位移延性系数μΔ反映了节点延性性能,μΔ值越大,节点延性越好,其定义为:式中:δy为屈服位移;δu为极限位移。表6列出了试件的位移延性指标。可以看出,只有试件FWJD-1、FWJD-2和FWJD-5的位移延性系数大于4.0,表明合理控制d/ht,可以提高节点延性。犬骨-蜂窝式节点(FWJD-5)延性最好,较原型钢节点延性提高了75.6%。这是由于能首先在梁翼缘削弱处有效地形成塑性铰,进而充分发挥材料的塑性性能,以达到延性破坏的要求。3.5.2粘滞阻尼系数he的计算耗能能力是评定结构抗震性能的主要指标。节点试件的耗能能力一般用荷载-位移滞回曲线包络线所包围的图形面积来衡量,通常以能量耗散系数E或等效粘滞阻尼系数he表示(按图7中曲线ABC所围面积与三角形AOD面积进行计算式(2)),其值越大,表示耗能能力越好,计算结果见表6。从表6中数据可以看出,原型钢节点的耗能能力同蜂窝式节点相比较低,这主要由于塑性铰的形成位置离焊缝区太近,在梁端竖向力作用下过早出现脆性断裂;犬骨-蜂窝式节点的耗能能力最强,是由于有效地将塑性铰的形成位置远离节点域,大大缓解了节点处的高三轴应力状态,降低了连接焊缝发生脆性破坏的可能性。4节点延性分析通过低周反复荷载试验研究和理论分析,可以得出如下结论:(1)焊接质量是防止节点脆性破坏的首要保证。明显的焊接缺陷容易导致裂缝过早扩展,从而降低节点延性和耗能能力。(2)与原型钢相比,梁柱腹板扩高开孔后,节点受弯承载力和转动刚度均有较大程度地提高,梁端荷载-位移关系的滞回曲线饱满、稳定,呈梭形,刚度退化不明显,具有较好的耗能能力。(3)扩张比一定的情况下,d/ht对节点抗震性能的影响显著,而e/hc对节点抗震性能影响较小;除犬骨-蜂