李博，李瑞峰，白鳳娟

門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

李博1，李瑞峰2，白鳳娟3

（1西安建筑科技大學(xué)西安710055 2中冶置業(yè)有限責(zé)任公司北京100061 3陜西現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院西安710048）

為了研究門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接的抗側(cè)移承載力以及端板厚度和高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于此類節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，設(shè)計(jì)了3個(gè)1/2比例門式剛架節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，獲得了節(jié)點(diǎn)的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線和破壞特征等。試驗(yàn)結(jié)果表明：試件的梁比柱受力不利，試件破壞主要發(fā)生在梁上翼緣靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)域部位；試件的荷載-位移滯回曲線比較豐滿，說明節(jié)點(diǎn)的耗能能力較強(qiáng)，具有良好的抗震性能。

門式剛架；端板連接；抗震性能；試驗(yàn)研究

1 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于上世紀(jì)40年代，并于近年來成為發(fā)展速度最快的一種新型輕鋼結(jié)構(gòu)，目前已廣泛應(yīng)用于輕型工業(yè)廠房、體育場(chǎng)館、娛樂場(chǎng)所、倉庫及超市等。在門式剛架鋼結(jié)構(gòu)中，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的可靠性和整體性均有著直接性的影響；而端板連接是門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中最常用的節(jié)點(diǎn)形式。目前，我國(guó)在這方面的相關(guān)試驗(yàn)文獻(xiàn)資料相對(duì)較少，大部分集中在對(duì)多層鋼框架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究[1]～[3]；而在有限的對(duì)于門式剛架梁柱節(jié)點(diǎn)所進(jìn)行過的試驗(yàn)中，又以端板豎放或橫放為主[4]，而端板斜放的試驗(yàn)研究很少。本文通過對(duì)3個(gè)1/2比例門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)水平加載試驗(yàn)，研究了此類節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、滯回特性、承載能力等。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在試件設(shè)計(jì)階段參考了《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)》（02SG518-1）圖集，共設(shè)計(jì)了3個(gè)試件，如圖1所示。

圖1 試件的外形及尺寸

3個(gè)試件均采用外伸式端板連接方式；梁柱均采用變截面工字形截面，在加工廠進(jìn)行焊接，其中所有部位的焊接均采用角焊縫連接，焊縫均采用焊腳尺寸hf=4mm的角焊縫且雙面焊，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拼裝。

3個(gè)試件的梁柱尺寸相同（表1）；3個(gè)試件的區(qū)別在于端板厚度和螺栓強(qiáng)度等級(jí)不同（表2）。所有試件采用Q235鋼制作，實(shí)測(cè)鋼材的物理力學(xué)性能指標(biāo)（由材性試驗(yàn)得出）見表3。

2.2 試驗(yàn)裝置及加載方案

表1 試件梁柱截面尺寸

表2 試件的端板厚度、螺栓型號(hào)、螺栓直徑統(tǒng)計(jì)表

表3 材性試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)是在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。試驗(yàn)裝置如圖2所示。豎向荷載利用油壓千斤頂施加，反力梁與豎向加載裝置間設(shè)有可隨試件水平移動(dòng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，水平推拉力采用液壓伺服作動(dòng)器施加。

圖2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)，先在柱頂施加豎向荷載至設(shè)計(jì)值，然后在柱頂端施加低周水平反復(fù)荷載，以模擬試件在地震中的受力情況。在加載初期采用荷載控制并分級(jí)加載，每級(jí)荷載增量為±10kN；當(dāng)試件屈服后采用位移控制，以屈服位移的1倍為級(jí)差進(jìn)行控制加載，直至試件破壞或位移超過規(guī)范規(guī)定的限值。反復(fù)荷載循環(huán)的次數(shù)，屈服前為一次，屈服后為三次。

2.3 量測(cè)方案

在梁、柱靠近節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)粘貼電阻應(yīng)變片，在節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板上粘貼電阻應(yīng)變片和應(yīng)變花，在端板和螺栓上粘貼電阻應(yīng)變片，用來測(cè)得相應(yīng)部位的應(yīng)變和內(nèi)力變化情況。應(yīng)變片和應(yīng)變花的布置如圖3所示。另外，在梁端、柱端、柱腳以及節(jié)點(diǎn)區(qū)域分別布置電子位移計(jì)，并在節(jié)點(diǎn)區(qū)對(duì)角線上布置百分表，以測(cè)得相應(yīng)的位移和節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)室中數(shù)據(jù)采集儀記錄。

圖3 應(yīng)變片布置

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 加載破壞過程及特點(diǎn)

三個(gè)試件的加載過程基本相同，破壞過程略有不同。試件的主要破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

在加載初期，水平荷載－柱頂位移之間基本呈直線關(guān)系，這表明節(jié)點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)工作。隨著加載進(jìn)程不斷推進(jìn)，在由位移控制加載之后，通常在50mm循環(huán)過程中梁上翼緣首先開始出現(xiàn)變形，之后變形范圍逐漸擴(kuò)大并且程度加深；70mm循環(huán)過程前后梁下翼緣開始出現(xiàn)變形。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板上可以明顯看到腹板外鼓的現(xiàn)象，其程度從試件一到試件三逐漸減輕；梁、柱端板有被拉開趨勢(shì)，端板之間出現(xiàn)明顯縫隙（圖4③）。在上翼緣出現(xiàn)屈曲的同時(shí)，試件通常出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)（圖4②）。試件最終破壞于梁上，且以梁的上翼緣破壞為主（圖4①）；柱上破壞不明顯，幾乎無可觀測(cè)到的變形出現(xiàn)。

3.2 滯回曲線

本次試驗(yàn)測(cè)得的各試件荷載-位移滯回曲線如圖5所示。其中，P、△分別表示柱頂水平荷載和頂點(diǎn)水平位移。從圖5中可看出各試件的滯回曲線具有以下特點(diǎn)：

所有試件的滯回曲線均呈梭形，比較豐滿，且各級(jí)循環(huán)的滯回曲線能基本重合，說明門式剛架端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的延性較好，耗能能力較強(qiáng)，具有良好的抗震性能。加載曲線和卸載曲線的斜率均隨著反復(fù)加載次數(shù)的增加而減小，這說明節(jié)點(diǎn)的加載和卸載過程中存在著剛度退化現(xiàn)象。從實(shí)測(cè)試件的滯回曲線可看出，試件SJ-1，SJ-3的滯回曲線要比SJ-2更飽滿一些，即隨著端板厚度增加，滯回曲線的飽滿程度降低（如圖5中螺栓強(qiáng)度級(jí)別和螺栓直徑相同的情況下，SJ-2端板厚度10mm與SJ-3端板厚度8mm滯回曲線相比較）；而隨著螺栓強(qiáng)度級(jí)別提高，滯回曲線的飽滿程度提高（如圖5中端板厚度和螺栓直徑相同的情況下，SJ-1螺栓強(qiáng)度10.9級(jí)與SJ-2螺栓強(qiáng)度8.8級(jí)滯回曲線相比較）。曲線外包面積增大，則延性提高，所以SJ-1，SJ-3吸收能量的性能較SJ-2好，對(duì)抗震更有利。

圖5 試件的水平荷載—位移滯回曲線

3.3 骨架曲線

骨架曲線是通過連接低周反復(fù)加載作用下歷次循環(huán)的峰值點(diǎn)而得到的包絡(luò)線，該曲線是每次循環(huán)的荷載-位移曲線達(dá)到最大峰值點(diǎn)的軌跡，它能夠反映出構(gòu)件的屈服荷載和位移、極限荷載和位移等特征點(diǎn)，同時(shí)也能反映出在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能量吸收、延性、強(qiáng)度、剛度及其退化等方面的力學(xué)特性。

對(duì)于本次試驗(yàn)中的三個(gè)試件，通過對(duì)各試件的P-△滯回曲線取包絡(luò)線，即可得到各試件的骨架曲線如圖6所示。

將以上三個(gè)試件的骨架曲線進(jìn)行兩兩對(duì)比，可得到各種不同因素對(duì)于骨架曲線的影響。

圖6 試件的骨架曲線

4 結(jié)論

本文從3個(gè)門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節(jié)點(diǎn)出發(fā)，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的記錄及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，進(jìn)而討論了此類節(jié)點(diǎn)的抗震性能。試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）端板斜放螺栓連接門式剛架的梁比柱受力不利，試件的破壞主要發(fā)生在梁上翼緣靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)域部位。

（2）三個(gè)試件的荷載-位移滯回曲線均呈梭形，比較豐滿，說明節(jié)點(diǎn)的耗能能力較強(qiáng)，具有良好的抗震性能；在其他條件均相同時(shí)，提高螺栓強(qiáng)度級(jí)別則滯回曲線更豐滿，對(duì)抗震性能有利。

（3）高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度級(jí)別越高則試件的承載力和變形能力越大；由于其他因素的影響，試驗(yàn)中端板厚度對(duì)于試件承載力和變形能力的影響不明顯。

[1]郭兵，顧強(qiáng)，柳峰，趙考重.梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(3).

[2]施剛，石永久，王元清，李少甫，陳宏.多層鋼框架半剛性端板連接的試驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，44(3).

[3]郭兵，顧強(qiáng).多層鋼框架中梁柱端板連接的強(qiáng)度和剛度[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(2).

[4]石永久，廖新軍，王元清，陳宏.門式剛架梁柱Γ形節(jié)點(diǎn)受力性能的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(3).

Experimental Study on Seismic Behavior of Inclined Bolted End-plate Connections in Portal Frame

Three specimens in 1/2 scale of the prototype model were tested under low-cyclic reversed loading to study the lateral resisting ability of inclined bolted end-plate connections in portal frame in order to study the effect of the end-plate thickness and high strength bolts strength on the seismic performance of such joints.The load-displacement hysteresis curves,skeleton curves and failure mode of the specimens are obtained from the experimental results.Test results show that specimen damage at the top flange of the beam near joint panel zone is worse than at the column,and the load-displacement hysteresis curves are plump.This indicates that the specimens have good energy-absorbing capacity and excellent anti-seismic behavior.

gable frames;end-plate connection;seismic performance;experimental study

TU317

A

1671-9107（2010）06-0040-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.040

2010-3-22

李博（1984—），男，陜西人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。