高層鋼框架新型梁柱節點(diǎn)抗震性能試驗研究

           在多高層鋼框架中典型的剛接梁柱節點(diǎn)型式是梁翼緣與柱對接焊、梁腹板與柱用高強度螺栓連接。過(guò)去一直認為這種節點(diǎn)具有良好的抗震性能，然而，在1994 年的 Northridge 地震和 1995 年的 Kobe 地震中，采用這種節點(diǎn)的鋼結構建筑雖然沒(méi)有倒塌， 卻有很多在節點(diǎn)部位出現了嚴重的脆性破壞  。 美國在Northridge 地震之后的研究曾指出， 影響節點(diǎn)承載力和延性的三個(gè)主要因素為： 焊接金屬的斷裂韌性、 焊接孔的形狀尺寸、 節點(diǎn)板域的變形控制 [7] 。 進(jìn)一步的研究提出若干改進(jìn)節點(diǎn)延性的措施[2] ， 主要方法包括： 通過(guò)加腋和加蓋板提高節點(diǎn)的承載力； 對梁截面局部削弱， 使塑性鉸從節點(diǎn)區外移至梁上；改進(jìn)節點(diǎn)區焊接孔構造型式， 緩解局部應力集中。研究結果表明， 改進(jìn)節點(diǎn)區焊接孔構造型式可以使塑性鉸外移，可以有效地增強節點(diǎn)延性， 而且對節點(diǎn)區的承載力影響也較小， 制作工藝與傳統的節點(diǎn)基本相同，是一種比較理想的節點(diǎn)構造 [4] 。 因此， 本文主要針對焊接孔擴大型節點(diǎn)進(jìn)行了研究。根據不同形狀和尺寸的焊接孔提出了三種節點(diǎn)構造， 并與傳統的節點(diǎn)構造進(jìn)行了對比試驗研究。

2. 試驗概況

2. 1 節點(diǎn)試件設計

           本文針對四種型式節點(diǎn)（圖 1 ）進(jìn)行了試驗研究，即標準型節點(diǎn)和三種不同構造型式的焊接孔擴大型節點(diǎn)。 每種節點(diǎn)兩個(gè)試件， 共完成了 8 個(gè)試件試驗。 試件所用材料為 @235 鋼，材性試驗得到材料的屈服強度為 260Mpa， 彈性模量為 2. 0 X 10 5 Mpa。每種型式節點(diǎn)兩個(gè)試件，區別在于一個(gè)試件的連接板上側與梁腹板之間附加了一道角焊縫，另一個(gè)則沒(méi)有。試件的梁柱尺寸都相同。工形梁截面高 400mm， 腹板厚 8mm； 翼緣寬 150mm， 厚 12mm。梁腹板采用 4 個(gè) 10. 9級 M20 高強度螺栓通過(guò)剪切板與柱翼緣連接。

2. 2 試驗裝置

           試驗裝置和測點(diǎn)布置如圖 2 所示。 試件柱平放， 梁與地面垂直。梁端由水平放置的伺服控制雙向千斤頂施加水平拉、壓作用力。試驗中在梁端施加循環(huán)往復荷載， 直至構件完全破壞。限于加載條件， 沒(méi)有施加梁的軸向荷載。所有試件有相同的梁柱截面尺寸、加載位置和約束條件。量測項目包括所施加的荷載、 加載點(diǎn)水平位移、 梁柱相對轉動(dòng)、 節點(diǎn)域變形、 剪切板相對梁腹板的轉動(dòng)和平動(dòng)、沿梁翼緣中線(xiàn)應力分布及梁腹板上應力分布。荷載和位移數據通過(guò)傳感器獲得，應變由應變片測得。全部數據采用電測方法獲得。

2. 3 加載制度

           根據有限元分析，試件的彈性極限荷載約為120kN。加載分兩個(gè)階段，彈性階段最大荷載為120kN， 采用荷載增量控制， 出現塑性屈服后采用位移增量控制。為了研究加載次序對試件承載性能的影響， 試驗過(guò)程中采用了 4 種不同加載序列 （表 1 ） 。 其中加載序列 I 為直接在 42mm 位移幅度下加載至試件破壞。 試件 TS3 和 TS4a 采用加載序列 I， TS1 采用加載序列 II， TS2a 采用加載序列 III， TS1a、 TS2、 TS3a 和 TS4采用加載序列 IV。實(shí)際上在試驗中， 當梁端水平荷載加至 120kN 時(shí)已經(jīng)觀(guān)察到局部漆皮起皺，即已發(fā)生局部的材料屈服。

3 試驗現象及破壞形態(tài)

3. 1試驗現象

         試驗時(shí)，首先沿使梁的上翼緣受拉的方向施加水平荷載， 然后反復加載。試件 TSl 由于平面外約束不足，在彈性加載階段就出現了扭轉， 節點(diǎn)板域有輕微屈服發(fā)生。塑性階段，焊接孔末端梁腹板與翼緣相接處上翼緣被腹板抵壓開(kāi)裂。剪切板出現滑移， 破壞時(shí)下翼緣幾乎全部裂開(kāi)， 加載點(diǎn)平面外位移約 5cm。TSla 在塑性階段，腹板受壓側觀(guān)察到局部屈曲，梁端加載點(diǎn)平面外位移最大達7cm， 剪切板附加焊縫受拉側明顯開(kāi)裂。最后受拉側翼緣焊縫突然破壞， 荷載迅速下降， 梁下翼緣部分拉斷，同時(shí)上翼緣被壓屈。

         TS2 剪切板滑移出現較早，下翼緣焊縫開(kāi)裂并不斷擴展， 剪切板滑移隨之加大。 破壞時(shí)裂紋突然擴展至梁中軸線(xiàn)，同時(shí)平面外位移突然增大，TS2a 彈性階段殘余變形和平面外位移都很小。 塑性階段， 最外側螺栓首先出現滑移， 不久螺栓滑移加大， 構件突然破壞， 梁上翼緣焊縫裂開(kāi)幾乎到全翼緣寬，剪切板附加焊縫開(kāi)裂幾乎至全長(cháng)， 并有剪切板滑移。 上翼緣下端被壓屈。TS3 采用位移控制加載，第一次循環(huán)加載點(diǎn)位移達44mm （約 l /50 梁長(cháng)） ， 荷載為 l40kN 時(shí)屈服， 剪切板與螺栓出現滑移， 梁翼緣、 梁腹板、 節點(diǎn)區局部屈服。此后焊接孔末端梁腹板把上翼緣抵壓開(kāi)裂， 荷載下降， 同時(shí)梁下翼緣被壓屈， 對接焊縫開(kāi)裂。 TS3a 彈性階段受壓翼緣扭轉較為嚴重， 梁腹板在靠近剪切板角部出現起皮。 隨后翼緣、 腹板、 剪切板、 節點(diǎn)板域出現局部屈服， 剪切板附加焊縫開(kāi)裂， 下翼緣焊縫裂縫突然擴至全翼緣寬， 構件破壞。TS4 塑性階段出現明顯的節點(diǎn)剛度下降。第一次循環(huán)時(shí)就在剪切板兩端產(chǎn)生相對轉動(dòng)。 下翼緣開(kāi)口段平面外出現扭曲， 此后上翼緣首先壓屈， 出現一個(gè)半波， 平面外位移和剪切板滑移增大。 此后兩翼緣反復被壓屈和拉直， 最后下翼緣焊縫開(kāi)裂中止試驗。TS4a 也用位移控制加載。 剪切板和梁上下翼緣、 梁腹板、 節點(diǎn)域都有起皮。此后平面外位移不斷增大， 兩翼緣交替壓屈與拉直。梁腹板在剪切板兩角部出現平面外屈曲，剪切板出現滑移。 最后受拉翼緣全截面拉開(kāi)， 受壓翼緣局部屈曲， 與腹板交接處開(kāi)裂， 上下翼緣焊縫都為疲勞破壞。

 圖 3 為節點(diǎn)破壞的照片，可以看到梁翼緣出現的局部屈曲現象。

3.2 破壞模式及影響因素試驗結果分析表明， 影響破壞模式的因素， 主要包括焊接缺陷、 應力分布狀態(tài)和應力集中情況。明顯的焊接缺

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