半刚性连接钢框架梁柱节点试验研究

半刚性连接钢框架梁柱节点试验研究

0半刚性节点的必要性多高层钢框架刚性连接的梁柱节点具有良好的承受能力，但结构复杂，施工困难，存在节点限制作用，节点延续性差，容易发生脆弱损害。铰接连接的梁柱节点虽然构造简单,但刚度和耗能性能差,并忽略了节点约束的有利作用,对结构抗风、抗震不利。半刚性连接节点承载性能好,构造简单,施工快,质量易保证,可节省节点用钢量,而且,当钢框架结构采用半刚性节点,可以增加结构阻尼,延长周期,减少振幅,降低震害,对于低烈度区的钢结构房屋抗震设计,将带来有利影响。目前,国内外许多单位和学者对半刚性连接都在进行研究与试验,但由于半刚性连接的非线性性质决定了连接的复杂性,因而半刚性连接不能按常用的计算模型计算,要系统全面掌握半刚性连接的受力性能和设计方法,有可利用的数据库,并有权威机构做出的规定和提供明确指引的文献,计算机设计软件等,并使之推广与应用,必须在半刚性节点连接中进行深入和细致的研究。1连接体系的特性欧美等国家早已明确规定半刚性连接类型,欧洲规范(EC3、EC4)按框架有无侧移将框架连接分为刚性、半刚性和铰接连接三类。美国钢结构学会(AISC,1989,1993)允许应力法(ASD)设计规范(AISC,1989)列出三种结构形式。(1)刚接框架:假定梁柱连接都有足够的刚度,能保持相交构件原有的几何角度,并可以进行弹性分析。(2)简支框架:假定梁柱连接在结构受到重力载荷时只能传递竖向反力,不能传递弯矩,可无约束自由转动。(3)半刚性连接框架:假定梁柱连接能传递竖向剪力,也能传递一定弯矩。载荷和抗力系数(LRFD)规范(AISC,1999)在其规定中有两种结构形式:FR型(完全约束)和PR型(部分约束)和铰接,FR型相当于ASD规范中刚接框架,PR型相当于简支框架。日本规范也将框架分为刚接、半刚性连接和铰接三类。我国GB50017钢结构设计规范规定了梁柱半刚性连接是有限的转动刚度,在承受弯矩的同时会产生相应的转角,在内力分析时必须确定连接的弯矩转角特性,以便考虑变形的影响,但规范未给出M—θ关系的具体数据,对进一步如何实现半刚性连接的设计计算、要求标准以及实施步骤均未做出说明。目前,常用的半刚性连接的主要形式如图1。2试验总结2.1回采柱和试件本试验采用的试件中梁柱均采用热扎H型钢,梁截面为HN300mm×150mm×6mm×9mm,柱截面为HW200mm×200mm×8mm×12mm,柱高为2800mm、梁长为1600mm,共制作了7个构件(图2),TA-1和TA-2两个试件为T型键连接,T型钢为175×150×12×12和175×150×12×16两种,TB1、TB-2、TB-3为外伸端板连接,外伸端板厚度采用16mm、22mm两种,TC-1和TC-2为顶底角钢腹板双角钢连接和双腹板角钢连接,连接角钢规格为L90×10。除TB-3构件外均在节点柱腹板处配置厚12mm横向加劲肋,并与梁上下翼缘对齐,螺栓采用10.9级M20的摩擦型高强螺栓连接。2.2构件内部破坏试验加载过程为混合加载,试件屈服前用荷载控制,;屈服后用梁端竖向位移控制,位移步长为屈服位移,直至构件破坏。压力传感器用来测定千斤顶的推力,1#位移计布置在梁翼缘量测梁监控点的位移,在柱翼缘外表面和节点域布置位移计用以量测柱节点域转动和柱腹板的变形,拉压力传感器和量测梁水平位移的百分表连在UCAM-70A静力电阻数据采集仪上直接绘出P-△曲线。3梁上翼缘与柱翼缘定型损伤试件TA-1,在梁端荷载达到45kN时,柱左翼缘外凸,梁端T型键与柱翼缘出现明显裂缝。当梁端载荷加到62kN时,柱两侧翼缘变形明显。极限荷载达到82.4kN,此时柱节点域有斜向裂纹,梁端位移为134.7mm,T型键与柱翼缘之间开裂达13.1mm。试件TA2,梁端荷载达58kN时,柱左翼缘外凸,表面起皱、脱皮。当载荷达72kN时,柱翼缘外凸很严重,上T型键与柱翼缘出现明显裂缝,极限载荷达86.9kN,梁端位移为126.9mm,T型键与柱翼缘之间开裂达12.7mm。试件TB-1,在梁端荷载达到49.2kN时,梁上翼缘处端班与柱翼缘连接处开裂,节点板域出现斜向细裂纹,柱左翼缘外凸明显,梁下翼缘在加腋处有明显的弯曲变形。梁端位移加至91.7mm时,极限载荷达94.7kN,螺栓处柱翼缘外凸很严重,端板自身几乎无变形,梁上翼缘处端板与柱翼缘连接处开裂达15.6mm。试件TB-2,在梁端载荷达到64.1kN时,梁上翼缘处端板与柱翼缘连接处开裂,节点板域出现斜向细裂纹,柱左翼缘外凸明显。梁端位移加至110.7mm时,极限载荷达96.3kN,螺栓处柱翼缘外凸比较严重,端板自身几乎无变形,而与柱翼缘一起变形,梁上翼缘处端板与柱翼缘连接处开裂达11.5mm。试件TB-3,在梁端载荷达到35.2kN时,柱节点板域出现斜向细裂纹,起皱、脱皮,梁端载荷达到72.7kN时,节点域变形和裂纹更加明显,柱左翼缘外凸明显,极限荷载达93.2kN,梁端位移为104.2mm,梁上翼缘处端板与柱翼缘连接处裂缝为12.1mm。试件TC-1,在梁端荷载达到43.9kN时,上角钢与柱翼缘连接处有明显裂缝,腹板角钢与柱翼缘稍见裂缝,梁端荷载达到54.7kN时,柱节点板域出现斜向细裂纹,起皱、脱皮,柱左翼缘稍有外凸,上角钢肢背脱离柱翼缘,裂缝很大达10.3mm,极限荷载达62.3kN,梁端位移为130.2mm,上角钢与柱翼缘连接处裂缝为17.4mm。试件TC-2,在梁端荷载达到11.5kN时,梁腹板角钢发生变形,第二排螺栓处因变形过大达11.2mm,致使测试6#百分表脱落,梁端位移为19.3mm时,梁腹板出现明显整齐的环形裂纹,连接角钢肢背产生裂缝,梁下翼缘与柱翼缘顶紧,出现瞬间承载力提高。极限荷载达16.3kN,梁柱构件无变化,只有连接角钢转动较大,梁端位移为127.3mm。各试验构件节点破坏照片如图2(a、b、c、d、e、f、g)4梁柱节点板域半刚性连接(1)从节点抗弯承载力分析,半刚性连接弯矩—转角性能都为非线性的各种连接,都在理想的刚接和铰接之间,而且T型键、端板连接刚度最大,接近刚接;腹板双角钢连接刚度最小,传递的弯矩很小,接近铰接。(2)半刚性连接都具有较好的延性和变形性能,抗震性能好,节点吸收能量大部分都通过T型键、端板、顶底角钢和腹板角钢来消耗,梁对柱的约束刚度降低了,柱翼缘几乎不参于消耗能量,所以半刚性连接在多层钢结构框架中应用非常合理。(3)TA-2抗弯承载力大于TA-1,说明增大T型键厚度对提高承载力有效;TB-1、TB-2、TB-3破坏现象说明增加端板厚度可以提高节点抗弯承载力;TC-1承载力大于TC-2,说明顶底角钢腹板双角钢连接刚度较好,由于腹板处角钢限制节点转动,因而提高了连接的承载力。(4)柱节点板域的变形主要以剪切变形为主,在弹性阶段,剪切变形几乎可以忽略,在弹塑性阶段,柱节点板域的剪切变形迅速增加,导致板域斜向裂缝明显,设计时剪切变形应适当考虑。(5)柱