(太原理工大學建筑與土木工程學院， 山西太原030024)

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系符合建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，是一種綠色建筑體系[1]，具有施工周期短、勞動強度低、安裝便捷、施工質(zhì)量容易控制及綜合效益好等優(yōu)點[2-3]。而裝配式方鋼管柱桁架梁體系是一種新型的鋼結(jié)構(gòu)體系，方鋼管柱可以提高整體的抗扭和抗傾覆性能，且相較于混凝土構(gòu)件截面較小。通過合理設計實現(xiàn)在安裝時將柱子隱藏于墻內(nèi)，增加建筑物的使用空間；桁架梁在節(jié)省鋼材的情況下，內(nèi)部空間還便于管線的穿插和安裝[4]。張愛林等[5-6]對模塊化裝配式方鋼管柱桁架梁連接節(jié)點進行了單調(diào)加載試驗研究及有限元分析，對該節(jié)點的破壞模態(tài)、初始剛度及延性性能進行了分析，表明該節(jié)點滿足“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的要求。但在地震荷載作用下更多的是往復荷載，目前對裝配式方鋼管柱桁架在往復荷載下的研究內(nèi)容較少。本文將對裝配式方鋼管柱桁架梁節(jié)點進行單調(diào)及往復荷載下的試驗對比研究。

1 節(jié)點構(gòu)造

本節(jié)點共有3部分組成：方鋼管柱、桁架梁及柱座。柱與柱座采用方鋼管口200 mm×200 mm×20 mm，桁架梁上下弦桿為槽鋼C160 mm×80 mm×6 mm，腹桿為角鋼└50 mm×50 mm×6 mm，角鋼交叉焊接于槽鋼內(nèi)側(cè)，上下方鋼管柱與法蘭板焊接。桁架梁與柱座通過焊接連接在一起，上下方鋼管柱通過法蘭板螺栓連接,試件的基本參數(shù)如表1。具體構(gòu)造如圖1。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of specimens

圖1 節(jié)點構(gòu)造
Fig.1 Construction of beam-to-column connections

圖2 加載模式
Fig.2 Loading mode

2 試驗加載裝置

2.1 試驗加載模式

試件加載時，柱頂通過千斤頂施加恒定的軸壓力；梁端通過作動器分別向東西兩側(cè)梁端施加單調(diào)或往復的相反荷載,加載模式如圖2。梁端荷載采用位移控制，直至試件破壞，第一級位移為5 mm，單調(diào)加載與往復加載每級位移增量均為5 mm，當試件加載發(fā)生突然斷裂時停止加載，對于往復加載每級位移循環(huán)1次。

2.2 試驗加載裝置

加載裝置如圖3所示，加載裝置由反力架、柱頂千斤頂、柱頂支撐、作動器、柱頂鉸裝置、柱底鉸裝置、梁端鉸裝置組成。將試件固定于加載裝置上，在柱頂施加恒定的軸壓力1 635 kN，柱的柱頂支撐與柱頂、柱底的鉸裝置使試件可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，但不能使試件移動。梁端通過銷軸與作動器連接，作動器采用位移的方式在東西兩側(cè)進行加載。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗過程及破壞模態(tài)

兩試件在位移加載過程中所呈現(xiàn)的破壞模態(tài)基本相同，以單調(diào)加載下的試件J2-4-M為例，介紹兩試件的破壞模態(tài)。試件J2-4-M在加載時，腹桿先出現(xiàn)輕微變形，弦桿及柱未變形；繼續(xù)加載，試件J2-4-M腹桿變形明顯，弦桿開始有輕微變形，柱仍未出現(xiàn)變形；最終試件J2-4-M的弦桿在距離梁端1/3梁高處出現(xiàn)裂縫，梁失去承載力。兩試件的破壞過程基本一致，均始于腹桿先變形，弦桿出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象，終于腹桿屈曲，弦桿出現(xiàn)裂縫，梁失去承載力，如圖4。

圖3 加載裝置圖
Fig.3 Loading device diagram

圖4 破壞模態(tài)圖
Fig.4 Failure Modal Diagram

3.2 P-Δ曲線

以梁端豎向荷載P為縱坐標，梁端加載點位移Δ為橫坐標，繪制成荷載—位移曲線，即P-Δ曲線,圖5給出了兩試件分別在正負向加載過程中的P-Δ曲線。試件J2-4-C在往復荷載下得到的滯回曲線，曲線飽滿呈梭形且無“捏攏”現(xiàn)象，該節(jié)點具有較強的塑性變形能力和耗能性能。將試件J2-4-C東西方向各次往復加載的荷載峰值點相連得到的軌跡稱為試件的骨架曲線列于圖6中，東西兩側(cè)曲線基本吻合，試驗各階段承載力也基本一致，這是由于滯回加載下的東西兩側(cè)正負向都有加載，且加載方向與兩側(cè)所規(guī)定的符號相反，因而，所繪制的曲線基本吻合。

通過對試件J2-4-C骨架曲線與試件J2-4-M的P-Δ曲線進行對比，如圖7所示，可以得出往復加載下的試件J2-4-C梁西側(cè)的極限承載力明顯低于單調(diào)加載下的試件J2-4-M的極限承載力；此外，往復加載下的試件J2-4-C達到極限承載力后，退化較J2-4-M快，這是由于試件在往復加載下，試件東側(cè)梁內(nèi)腹桿同時受壓的緣故。

圖6 J2-4-C骨架曲線Fig.6 J2-4-C skeleton curve

3.3 屈服點的確定

在P-Δ曲線中，屈服點是試件在加載過程中彈性階段與非線性階段的一個分界點，對于確定試件的屈服荷載、屈服位移以及延性系數(shù)等參數(shù)的求解具有決定性作用。由于節(jié)點構(gòu)造的復雜性，在試驗過程中難以確定具體的屈服點，因此只有在試驗結(jié)束后，通過對P-Δ曲線進行分析來確定屈曲點。通過對國內(nèi)外學者調(diào)查，常用確定屈服點的方法有以下幾種[7-12]：①工程力學法；②通用彎矩法；③美國規(guī)范法；④日本廣島大學法；⑤條件屈服法；⑥雙折線法。

用上述6種方法分別確定出屈服點，計算結(jié)果如表2，其中，在確定試件J2-4-C東側(cè)正向屈服點時，由于美國屈服法、日本廣島大學法及雙折線法確定出來的屈服點誤差較大，將其剔除，用其他三種方法進行比較。

表2 六種確定屈服點方法匯總Tab.2 Summary of six yield point determination methods

以上六種方法的誤差對比匯總于表3中?？梢钥吹?種方法中工程力學法(法1)和美國規(guī)范法(法3)誤差較小。但美國規(guī)范法確定試件J2-4-C時已舍去，因此本文最終采用工程力學法確定試件的屈服點，此方法也是廣大學者采用的方法。

表3 六種確定屈服點方法誤差均值對比Tab.3 Comparison of mean error of six methods for determining yield point

3.4 承載力及延性

從圖5中可得出兩試件在正負向加載下的屈服荷載Py、極限荷載Pu、承載力極限破壞荷載P0.85以及相應的豎向加載位移Δy、Δu、Δ0.85。其中屈服荷載Py為試件加載過程中，由彈性階段進入塑性階段的分界點，本文屈服荷載通過工程力學法確定；極限荷載Pu為P的最大值；承載力極限荷載P0.85為試件加載至極限荷載Pu后，承載力退化至0.85Pu時所對應的荷載。主要階段試驗結(jié)果見表4。

從表4可得出以下結(jié)論：①試件J2-4-M兩側(cè)的屈服荷載及屈服位移均有差別。②試件J2-4-C各主要階段的東側(cè)正負向荷載與西側(cè)正負向荷載以及它們對應的位移基本一致。

延性是衡量結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料進入非線性階段后變形的重要指標。本文中采用位移延性來對此節(jié)點的延性能力進行評估，位移延性μ通常取極限破壞值對應的位移與屈服位移的比值，公式如下：

試件的延性系數(shù)列于表4中，從延性系數(shù)來看，試件延性系數(shù)均大于2.5，延性較好；單調(diào)加載下的試件延性系數(shù)大于往復加載下的延性系數(shù)，說明該種節(jié)點構(gòu)造形式更容易在往復荷載下發(fā)生破壞。

表4 主要階段試驗結(jié)果Tab.4 Main Phase Test Results

圖8 剛度退化曲線Fig.8 Curve of stiffness degradation

3.5 剛度退化

為研究試件在往復加載下試件的剛度退化規(guī)律，取往復加載下每個循環(huán)的割線剛度進行計算[13]，公式如下：

其中，P+、P-為往復加載下每級加載正向和負向的峰值點荷載；Δ+、Δ-為往復加載下每級加載正向和負向的峰值點荷載所對應的位移。

試件的剛度退化曲線如圖8，由圖可知：試件東側(cè)與西側(cè)剛度退化規(guī)律基本一致，在加載初期，試件西側(cè)剛度先上升再下降，這是因為試件西側(cè)的梁內(nèi)構(gòu)造在受力情況下出現(xiàn)鋼材的強化過程；而試件東側(cè)先下降出現(xiàn)平臺后再下降。此處是由于腹桿交叉方向與加載方向相同，東側(cè)靠近梁端腹桿焊縫較差的緣故。

4 結(jié)論

通過對試件J2-4-M單調(diào)加載和對試件J2-4-C滯回加載，可得出以下結(jié)論：

①單調(diào)加載下的試件J2-4-M與往復加載下的試件J2-4-C破壞都始于梁內(nèi)腹桿的壓屈，進而弦桿上發(fā)生鼓曲，繼續(xù)加載后弦桿撕裂，梁失效。

②滯回加載下的試件J2-4-C更容易進入屈服，達到極限承載力以后荷載退化較快。

③兩試件的延性均大于2.5，且單調(diào)加載下的試件的延性大于滯回加載下的延性。

④兩試件破壞均屬于梁破壞，柱并未發(fā)現(xiàn)破壞，滿足“強柱弱梁”的抗震設計原則。