鋼框架通流改造的抗震性能試驗(yàn)研究

鋼框架通流改造的抗震性能試驗(yàn)研究

0柱-梁節(jié)點(diǎn)的選用隨著國內(nèi)鋼產(chǎn)量的提高和鋼類型的增多，鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越受到重視。梁柱節(jié)點(diǎn)或梁柱連接在鋼框架結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用,其性能可對(duì)結(jié)構(gòu)的整體行為產(chǎn)生影響。日本和美國關(guān)于震后的研究表明,地震作用下框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力復(fù)雜,存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,往往會(huì)發(fā)生因焊縫破壞而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效的現(xiàn)象［1］。我國現(xiàn)行規(guī)范推薦使用柱貫通式節(jié)點(diǎn),但這種節(jié)點(diǎn)需要較高的成本來設(shè)置內(nèi)隔板,或者施焊時(shí)由于操作空間限制,不得不將柱在內(nèi)隔板附近斷開,因此不能保證完全意義上的柱貫通［2］。日本的鋼管柱-梁節(jié)點(diǎn)廣泛采用隔板貫通式連接,但我國對(duì)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的研究較少［3］。為了研究這種節(jié)點(diǎn)的實(shí)際抗震性能,本文針對(duì)方鋼管柱-焊接工字形鋼梁鋼框架隔板貫通式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究了貫通隔板相關(guān)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震機(jī)理的影響,給出了滿足抗震設(shè)計(jì)要求的隔板相關(guān)參數(shù)的取值依據(jù),為工程設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考。1材料及試驗(yàn)結(jié)果以隔板的厚度和平面尺寸為主要考察參數(shù),共制作了4個(gè)方鋼管柱-焊接工字形鋼梁鋼框架隔板貫通式節(jié)點(diǎn)試件,見圖1。其中試件JD2,JD4隔板的外挑長度為50mm,試件JD1,JD3隔板的外挑長度為25mm,與梁翼緣搭接長度為250mm,均采用實(shí)腹鋼板。隔板與方鋼管柱均采用全熔透坡口對(duì)接焊縫,與梁翼緣和腹板之間均采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓連接,接觸面噴砂處理,表面摩擦系數(shù)為0.45。各試件的參數(shù)見表1。4個(gè)試件均采用Q235B鋼材,方鋼管柱為焊接箱形截面,梁為焊接工字形截面,焊條采用E43系列。根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228—2002)［4］要求制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試條進(jìn)行材性試驗(yàn)。材性試驗(yàn)結(jié)果為:8mm厚鋼板屈服強(qiáng)度為249MPa,極限強(qiáng)度為392MPa;10mm厚鋼板屈服強(qiáng)度為245MPa,極限強(qiáng)度為388MPa。1.2試驗(yàn)加載制度在梁端用50t伺服液壓千斤頂施加低周反復(fù)荷載,試驗(yàn)過程中用X-Y函數(shù)記錄儀同步繪制荷載-位移曲線以便加載控制,并采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)同步記錄各電阻應(yīng)變片、位移計(jì)及百分表的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置及隔板應(yīng)變片位置見圖2。加載過程分預(yù)加載和加載兩個(gè)階段［5］。水平荷載采取荷載、位移混合加載制度,分級(jí)循環(huán)施加荷載,直至試件破壞,是否破壞以荷載-位移曲線是否出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)、構(gòu)件變形及裂縫等進(jìn)行綜合評(píng)定。彈性階段采取荷載控制,荷載增量為6kN,即6,12,18kN,…,每級(jí)循環(huán)2次;試件屈服后采用位移控制,以0.25倍屈服位移為級(jí)差控制加載,每級(jí)循環(huán)3次。試件加載時(shí)各循環(huán)均先使梁的左側(cè)翼緣受拉,即先推后拉。2試驗(yàn)結(jié)果2.1破壞模式及破壞形態(tài)分析各個(gè)試件在加載初期的荷載-位移曲線(圖3)基本為直線,表明試件處于彈性階段。加載至一定程度后,試件隔板受壓,發(fā)生局部屈曲,之后隨著荷載的加大,隔板上均出現(xiàn)較為明顯的殘余變形。高強(qiáng)螺栓的滑移程度隨著荷載和位移的增大而加劇,底部兩個(gè)螺栓孔首先出現(xiàn)擴(kuò)孔,變成明顯的橢圓形,且螺栓主要通過螺栓桿與鋼板之間的承壓接觸來抵抗外力。各試件的失效模式見表2。試件JD1,JD2的最終破壞為離柱表面最近的隔板上螺栓孔之間鋼材的斷裂;試件JD3,JD4的最終破壞出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)域附近的焊縫處,但在此之前試件JD3已出現(xiàn)嚴(yán)重扭轉(zhuǎn),不宜繼續(xù)加載,試件JD4的承載力也已有明顯下降,各個(gè)試件的典型破壞形態(tài)見圖4。試件JD3由于加工制作誤差及加載偏心,梁端在加載過程中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn),使得隔板兩側(cè)受力差異較大,導(dǎo)致隔板與柱壁板連接的焊縫開裂。在低周反復(fù)循環(huán)荷載作用下,由4個(gè)試件的破壞特征可知:(1)隔板受拉時(shí),底部兩螺栓之間鋼材應(yīng)力最大,并最先出現(xiàn)屈服;受壓時(shí),由于隔板寬厚比較大,在該部位發(fā)生平面外鼓曲,在循環(huán)荷載作用下試件JD1,JD2最終在此處發(fā)生疲勞斷裂。(2)節(jié)點(diǎn)域隔板與柱壁板之間焊縫是主要的受力焊縫,由于試件JD3,JD4采用的隔板寬厚比較小,在該部位沒有發(fā)生平面外鼓曲,而是發(fā)生源于焊縫及其熱影響區(qū)的脆性破壞。(3)高強(qiáng)螺栓的滑移導(dǎo)致試件后期的位移中有相當(dāng)一部分是“荷載走空程”,即荷載不變,位移增大,表現(xiàn)為試件的整體剛度減小,滯回曲線出現(xiàn)一定的“捏縮”現(xiàn)象。2.2滯回環(huán)面積的影響加載初期試件的彈性剛度最大,且基本保持不變,卸載后殘余變形很小,一次加載循環(huán)形成的滯回環(huán)面積很小;試件屈服后,隨著梁端位移的增大,卸載后殘余變形也隨之增大,一次加載循環(huán)形成的滯回環(huán)面積逐漸增大,表明耗能能力逐漸增大。由圖3可以看出:隔板厚度對(duì)連接節(jié)點(diǎn)滯回性能有明顯的影響,試件的承載力隨隔板厚度增大而增大;隔板外挑長度對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能有影響,隔板外挑長度較長時(shí),試件承載力提高,但提高的幅度不大。由圖3還可以看出,加載至一定程度時(shí)滯回環(huán)出現(xiàn)微小捏縮現(xiàn)象,這是因?yàn)楦邚?qiáng)螺栓開始出現(xiàn)滑移并伴隨有“咔咔”的響聲,此時(shí)滯回曲線總體呈“梭形”。加載至更大位移時(shí)滯回環(huán)“捏縮”明顯,滯回曲線總體呈“弓形”。螺栓滑移較大時(shí),“咔咔”聲頻率加快,剛度退化也加快。2.3模塊外挑長度對(duì)試件承載力的影響由圖5可以看出,試件JD3,JD4的骨架曲線在最外側(cè)且比較接近,說明隨著隔板厚度的增大,試件承載力提高,而隔板外挑長度的增大對(duì)試件承載力提高并不明顯;而對(duì)于試件JD1,JD2,隨著隔板外挑長度的增大,試件承載力均有所提高,且當(dāng)隔板外挑長度增大時(shí),試件承載力退化不明顯。從整體來看,隨著隔板厚度的增大,試件承載力提高,但隔板厚度應(yīng)在合理范圍內(nèi)增大,而不宜過大。2.4荷載及位移延性系數(shù)延性是構(gòu)件在非彈性階段的耗能能力的體現(xiàn),是抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo),本文通過位移延性系數(shù)μ來分析試件的延性:式中:Δu為構(gòu)件的荷載下降到85%的最大荷載Pmax時(shí)的變形;Δy為構(gòu)件在屈服荷載Py時(shí)的變形。由圖5可知,在低周反復(fù)荷載作用下,各試件經(jīng)歷了彈性階段、屈服荷載Py、最大荷載Pmax、極限荷載Pu而最終破壞。各個(gè)試件的屈服荷載Py取荷載-位移曲線上有明顯拐點(diǎn)處的荷載值,可能會(huì)有一定的人為偏差;最大荷載Pmax對(duì)應(yīng)的最大位移為Δmax;極限荷載Pu取荷載下降到0.85倍的最大荷載Pmax,極限荷載Pu對(duì)應(yīng)的位移為極限位移Δu。由此確定的特征荷載、特征位移以及位移延性系數(shù)見表3。由表3可知:(1)各個(gè)試件的位移延性系數(shù)μ介于3.33~5.82之間,均滿足規(guī)范延性要求,說明這種節(jié)點(diǎn)連接形式使結(jié)構(gòu)具有更好的延性。(2)與試件JD1,JD2相比,隨著隔板厚度增大,試件JD3,JD4初始剛度和承載力的提高幅度大,延性系數(shù)降低,耗能能力下降。這是由于較厚的隔板能將梁翼緣傳來的外力更可靠地傳遞給節(jié)點(diǎn),外力被分散至更大的受力面積上,使應(yīng)力在隔板上分布更為均勻,能有效緩解隔板在柱表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象,提高材料的利用效率。由于外力主要靠隔板傳遞,因而隔板對(duì)試件受力性能的影響最為明顯。(3)試件JD1與試件JD2相比,試件JD3與試件JD4相比,隨著隔板外挑長度的增大,其延性系數(shù)增大,耗能能力增強(qiáng);且隔板外挑長度增大,試件的屈服荷載和最大荷載均有一定程度的增大。2.5i級(jí)加載時(shí)荷載承載力退化是指在位移幅值不變時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力隨著反復(fù)加載次數(shù)的增加而降低的特性。用承載力退化系數(shù)來表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力退化［5］,λi為同一級(jí)(i級(jí))加載中各循環(huán)的峰值荷載與前一級(jí)(i-1級(jí))加載中各循環(huán)的峰值荷載比值的算術(shù)平均值。各試件的承載力退化系數(shù)的變化見圖6。由圖6可知,4個(gè)試件表現(xiàn)出基本相同的承載力退化趨勢。在各級(jí)荷載作用下,承載力退化系數(shù)多數(shù)大于0.95,隨著位移的增大沒有明顯的突變,試件承載力非常穩(wěn)定,說明試件在低周反復(fù)荷載作用下承載力退化程度比較小,在地震作用下有較好的工作性能。最后一級(jí)加載時(shí),隔板發(fā)生疲勞斷裂或焊縫開裂,承載力有明顯的退化。2.6試驗(yàn)結(jié)果分析為了研究隔板沿梁軸線方向應(yīng)變的分布規(guī)律,取位移控制階段梁端位移在25mm以內(nèi)時(shí)隔板上應(yīng)變片的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,不同梁端位移下隔板沿梁軸線方向應(yīng)變分布如圖7所示。由圖7可知:(1)開始的幾個(gè)加載級(jí),沿梁軸線方向的應(yīng)變值變化較小,分布較均勻。隨著加載級(jí)別增大,各處應(yīng)變均增大,應(yīng)變分布明顯不均勻,且距離柱翼緣越近,應(yīng)變值增幅越大。(2)對(duì)比試件的應(yīng)變數(shù)據(jù)可知,隔板厚度增大后,相同位移時(shí)試件的應(yīng)變值明顯減小。試件JD1,JD2隔板(近柱翼緣處)的46號(hào)測點(diǎn)最早屈服,該測點(diǎn)附近出現(xiàn)內(nèi)力重分布,故后期的47號(hào)測點(diǎn)應(yīng)變值逐漸增大,甚至超過了46號(hào)測點(diǎn)。這與試驗(yàn)中該部位率先出現(xiàn)疲勞裂縫而后在相對(duì)薄弱部位向上轉(zhuǎn)移的試驗(yàn)現(xiàn)象一致。而隔板加厚之后的試件JD3,JD4,未見明顯的內(nèi)力重分布現(xiàn)象,說明要有足夠的厚度來保證隔板最下部兩螺栓之間的最薄弱位置傳力的可靠性。分析布置于隔板上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)表明,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,與梁不直接相連的隔板均處于較低的應(yīng)力水平,說明隔板對(duì)試件的承載力貢獻(xiàn)不大;而與梁相連的一側(cè),隔板邊緣的應(yīng)變片數(shù)值隨著外挑長度的增大只有小幅增大,而且應(yīng)力水平較低,說明外挑長度能有效避開焊縫熱影響區(qū)即可,但不宜太長。3國內(nèi)對(duì)隔空板外挑長度、焊縫、螺栓孔與梁翼緣的缺陷,可解決建模時(shí)犯(1)隔板寬厚比:本次試驗(yàn)中,梁翼緣厚度均為10mm。試件JD1,JD2隔板的寬厚比較大,受壓后易發(fā)生平面外鼓曲,并出現(xiàn)螺栓孔之間隔板鋼材的疲勞斷裂,裂縫橫向擴(kuò)展,試件承載力明顯下降。試件JD3,JD4隔板的寬厚比較小,受壓后不易發(fā)生變形,隔板下部兩螺栓孔之間鋼材屈服較晚,且未見明顯的裂縫。由此可見,為保證隔板傳力的可靠性,隔板厚度應(yīng)取與梁翼緣相同或者比梁翼緣略大,同時(shí)保證隔板有較小的寬厚比。(2)隔板外挑長度:隔板外挑長度太小時(shí)螺栓孔與焊縫熱影響區(qū)距離太小,此處應(yīng)力集中嚴(yán)重。參考日本的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),試件JD1,JD3的柱壁板厚度小于28mm時(shí),隔板外挑長度取25mm,而試件JD2,JD4的取50mm,以作對(duì)比。增大隔板的平面尺寸能有效地將隔板上的力分散到更大的范圍,對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有一定貢獻(xiàn)。因此,隔板外挑長度要保證避開焊縫的熱影響區(qū),但太大時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力沒有明顯貢獻(xiàn)。(3)焊縫:焊接質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有非常重要的影響,雖然設(shè)計(jì)均采用全熔透坡口對(duì)接焊縫,但是實(shí)際的加工質(zhì)量未必理想。(4)高強(qiáng)螺栓:用高強(qiáng)螺栓代替梁翼緣與隔板的焊接后,有效地避免了隔板與梁翼緣之間焊縫的脆性破壞問題。但高強(qiáng)螺栓存在滑移,在屈服后的加載階段“荷載走空程”的現(xiàn)象明顯,對(duì)應(yīng)的滯回曲線出現(xiàn)“捏縮”現(xiàn)象,耗能能力一般,但在后期加載時(shí)試件仍具有較高的承載力和延性。4模塊連接方式影響通過對(duì)方鋼管柱-焊接工字形鋼梁鋼框架隔板貫通式節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究和分析,得出以下結(jié)論:(1)隔板尺寸對(duì)連接節(jié)點(diǎn)滯回性能有明顯的影響。試件的承載力隨隔板厚度增大而增大。在合理范圍內(nèi),隨著隔板外挑長度的增大,試件承載力提高,超出