劉殿忠 李 博 王法宇

(吉林建筑大學(xué)土木學(xué)院，長春 130118)

近年來，我國地震到了高發(fā)期，鋼結(jié)構(gòu)的震害備受關(guān)注，其中，節(jié)點的破壞尤為明顯．本文選取了鋼框架焊接邊節(jié)點為試驗對象，對節(jié)點焊縫的脆性破壞模式進行分析，并完成了擬靜力試驗研究．

1 試件制作

本試驗采用等比例邊節(jié)點為試驗對象(安裝方式見圖1)，其中柱子翼緣板長、寬、高分別為3 300mm×300mm×14mm，柱子腹板長、寬、高分別為3 300mm×400mm×10mm，柱子肋板長、寬、高分別為400mm×145mm×14mm，柱子兩端各設(shè)置一塊矩形封板，梁的翼緣板長、寬、高分別為2 300mm×250mm×14mm，梁腹板的長、寬、高分別為2 300mm×400mm×10mm．試驗地點為吉林建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室，試件的加工是由專門從事鋼結(jié)構(gòu)工程公司完成．試件采用焊接H型鋼，母材選用Q235b鋼，E43焊條手工焊接而成．焊接方式為全熔透坡口焊，為保證焊接質(zhì)量，梁上下翼緣板底面均設(shè)置8mm厚的墊板，并將梁柱翼緣板之間的開口寬度設(shè)置為6mm．為保證腹板的焊接質(zhì)量，梁腹板的端部靠近柱翼緣板一側(cè)，對稱加工兩個焊接預(yù)留工藝孔，孔口半徑35mm．焊接腹板之前先進行打磨處理，焊接方式采用全熔透對接施焊，腹板與柱翼緣板之間的開口寬度為6mm．為保證焊接質(zhì)量，在腹板一側(cè)靠近柱翼緣板處，設(shè)置一塊厚度為6mm的墊板．節(jié)點域的4塊肋板采用雙面角焊縫焊接，焊腳尺寸為 8mm［1］．

圖1 試件安裝圖片

2 試驗加載過程

2．1 材料力學(xué)性能

本試驗采用Q235b鋼，鋼材拉伸試件選取與試件相同的板材，按照GB/T228-2002《金屬材料—室溫拉伸試驗方法》相關(guān)規(guī)定進行操作．為了保證試驗的精度，試驗制作3個完全相同拉伸件，逐一進行拉伸試驗．試驗所得數(shù)據(jù)見表1．

表1 鋼材的材料性能

2．2 加荷

為了確保數(shù)據(jù)的采集以及保證各環(huán)節(jié)是否能正常運轉(zhuǎn)，先預(yù)加載一次．先對柱端預(yù)加載10kN，如果儀表均有讀數(shù)，說明儀器連接正?？梢哉郊虞d．相反，應(yīng)檢查所有儀表的連接情況，將有問題的儀表或者未連接的部位逐一排查，待儀表均有讀數(shù)后卸掉預(yù)加荷載并開始試驗．試驗前對千斤頂進行了校核．當(dāng)壓力機施加500kN的荷載時，儀表顯示為15MPa．試驗檢測一切正常后，開始正式加載．首先將柱子的梁端施加500kN的恒載，此時IMP3595系列集中式數(shù)據(jù)采集器開始采集數(shù)據(jù)．MTS以2mm為一個加載級，從2mm～24mm，每級荷載循環(huán)1次，為一個周期，然后以5mm為一個加載級，從30mm開始每級荷載循環(huán)1次，直至構(gòu)件有脆性裂縫產(chǎn)生或承載力降低至極限承載力的85%時結(jié)束，加載的速度為0．5mm/s［2］．

2．3 過程描述

試件在試驗的開始階段處于彈性變形階段，梁端位移隨著荷載的增加而變大，加載至第10個周期時，此時MTS控制顯示的最大位移為-20mm，試件發(fā)出“吱吱”聲，但是發(fā)出的聲音較弱且不連續(xù)．當(dāng)進入第11個周期后，框架梁焊接預(yù)留工藝孔邊緣與梁翼緣板連接處沿著梁翼緣板寬度方向產(chǎn)生出了1條長度約30mm的裂紋(如圖2所示)．隨著試驗的繼續(xù)進行，構(gòu)件上傳來的響聲變大，這時發(fā)現(xiàn)橫向裂紋有一定的發(fā)展趨勢．進入第13～14周期后，梁的上翼緣板出現(xiàn)微小的局部屈曲，試驗進入第16個循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)試件的極限承載力明顯降低并終止試驗．圖3為ABAQUS應(yīng)力分析云圖．

圖2 裂縫出現(xiàn)部位

圖3 應(yīng)力云圖

3 試驗結(jié)果分析

3．1 滯回曲線

滯回曲線是反應(yīng)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件抗震性能的最直接的依據(jù)，可以通過滯回曲線的形狀與發(fā)展趨勢判斷結(jié)構(gòu)能量儲備與能量消耗之間的關(guān)系，進而確定恢復(fù)力模型．通過試驗，得到了邊節(jié)點的滯回曲線［3］(見圖4)．

3．2 骨架曲線

骨架曲線的變化趨勢基本是中心對稱的，但局部略有不同．圖5中直觀地反映出各加載周期的最大荷載與對應(yīng)的最大位移幅值，以及試驗最大荷載與所對應(yīng)的位移大?。?/p>

圖4 滯回曲線

圖5 骨架曲線圖

圖6 剛度退化曲線

3．3 剛度退化曲線

由圖6可以看出，切割剛度的曲線呈現(xiàn)不斷降低的趨勢．當(dāng)加載位移的絕對值控制在10mm之內(nèi)時，試件的剛度在8．8kN/mm～8．3kN/mm之間，剛度的退化并不明顯，切線剛度曲線基本為一條水平線，試件處于彈性變形階段中;隨后切割剛度隨著加載逐級增加而降低，當(dāng)加載至屈服荷載后，曲線下降的趨勢開始增加;當(dāng)荷載位移到達35mm后，此時試件已達到最大加荷荷載．總體趨勢是先急后緩．

4 結(jié)論

本文進行了普通焊型鋼節(jié)點擬靜力試驗研究，試驗過程中，節(jié)點域沒有明顯變形．通過對試件滯回性能與剛度退化的深入研究，試驗得到的結(jié)論如下:

(1)試驗加載至第11個周期時，框架梁焊接預(yù)留工藝孔邊緣與梁翼緣板連接處沿著梁翼緣板寬度方向萌生出了1條長度約30mm的裂紋，說明扇形工藝孔區(qū)域產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，這與實際情況完全一致．

(2)試驗測得的延性值較小，經(jīng)過分析原因有兩方面:首先，由于試驗試件的尺寸是根據(jù)實際工程中框架節(jié)點的常見尺寸設(shè)計的，但梁端加載點到節(jié)點的距離較近，所以試驗中的剪跨比只有現(xiàn)實框架中的剪跨比的一半左右，剪跨比越小，節(jié)點的延性就越差，發(fā)生脆性破壞的機率就越大;其次，梁高度過大也增大試件在試驗中發(fā)生脆性斷裂的可能性，導(dǎo)致耗能不充分，延性差．

［1］張 莉．鋼結(jié)構(gòu)剛性梁柱節(jié)點抗震性能的研究［D］．天津:天津大學(xué)，2004．

［2］劉其祥，蔡益燕，朱知信，顧泰昌．多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點的抗震設(shè)計［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2001，32(8):9-12．

［3］李洪泉．鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下累積損傷分析及試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25(3):69-74．