孫軼良, 吳海亮, 張戊晨, 榮 彬, 楊子恒, SULIMAN Khan
(1 國網河北省電力有限公司經濟技術研究院, 石家莊 050021; 2 天津大學建筑工程學院, 天津 300072)
方鋼管混凝土柱-H型鋼梁所形成的框架結構形式在世界范圍內的應用越來越廣泛。鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構體系具有承載力高、抗震性能好、整體性好、剛度較好、施工方便等優(yōu)點,框架結構結合剪力墻或核心筒等形成復合結構體系后,有效地解決了框架結構抗側剛度小的技術難題[1]。而節(jié)點作為框架結構中的重要部分,起著傳遞剪力和彎矩的重要作用?!毒匦武摴芑炷两Y構技術規(guī)程》(CECS 159∶2004)[2]推薦的節(jié)點形式有內隔板形式、隔板貫通形式和外加強環(huán)板形式。其中,隔板貫通節(jié)點具有構造簡單、傳力明確和施工方便等優(yōu)點,在國外尤其是日本的方鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構體系中得到了廣泛的應用。
國內外學者對隔板貫通節(jié)點開展了相關研究工作,包括試驗研究和理論研究。日本建筑協會AIJ[3]將核心區(qū)鋼管的抗剪承載力和核心區(qū)混凝土的抗剪承載力同時考慮,并將兩者進行線性疊加得到節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力的計算公式。Nishiyama等[4]針對十字形節(jié)點、T字形節(jié)點及空間3D節(jié)點三種形式的試件進行了一系列試驗研究,考察了高強度材料對節(jié)點性能的影響,結果顯示所有試件均呈現出了核心區(qū)的剪切破壞形式,同時基于試驗結果提出隔板貫通節(jié)點抗剪承載力計算公式。國內外學者針對隔板貫通節(jié)點的力學性能進行了很多研究,主要集中于抗彎性能[5-7]和抗震性能[8-10]上,而對抗剪性能的研究雖然有,但是做出節(jié)點核心區(qū)明顯剪切破壞的很少。吳遼等[11]對全螺栓隔板貫通節(jié)點進行研究并基于疊加理論提出包含了隔板加上核心區(qū)翼緣所組成的框架的抗剪貢獻的抗剪承載力計算公式。秦穎等[12]進行了4個足尺的隔板貫通節(jié)點試件(包括已有的節(jié)點形式和新提出的節(jié)點形式),破壞形式有梁下翼緣與隔板焊接區(qū)破壞和梁端塑性鉸破壞兩種。而由1995年日本阪神地震震害觀察可知,節(jié)點核心區(qū)的剪切破壞是隔板貫通節(jié)點的主要震害形式之一。如何使節(jié)點試件呈現出明顯的剪切變形從而研究節(jié)點核心區(qū)接近純剪破壞下的抗震性能是重要的。
針對目前的研究現狀,本文設計了3個足尺十字形隔板貫通節(jié)點試件,并將節(jié)點核心區(qū)的鋼板厚度進行削弱從而使其在低周反復荷載作用下呈現剪切破壞形式。并采用有限元軟件ABAQUS建立了十字形隔板貫通節(jié)點試件的三維有限元模型,對模型進行低周往復荷載作用下的非線性有限元分析,將有限元計算結果與試驗結果進行對比分析,研究核心區(qū)受力機制。
試件設計按照“強構件弱節(jié)點”的設計原則,并按照水平地震作用下框架出現的反彎點機制取出框架中柱,上下柱高度均為1 600mm,核心區(qū)高度為250mm,主要尺寸及細部尺寸見圖1(以試件S1為例)。核心區(qū)的設計共有兩個變化參數:隔板厚度和節(jié)點核心區(qū)柱壁鋼板厚度。表1列出了3個試件的詳細參數。
柱的制作工藝為冷彎薄壁鋼管,連接形式為上下柱與隔板為未焊透對接焊縫(加強角焊縫),隔板與梁翼緣之間為對接焊縫,核心區(qū)柱翼緣與梁腹板之間為角焊縫,見圖1。
圖1 試件尺寸
鋼材強度通過鋼板條拉伸試驗確定,鋼板條采用同批加工的相應厚度鋼材切割而成,其尺寸見圖2,拉伸試驗按照《金屬材料 拉伸試驗 第一部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[13]進行,所測得的屈服強度、抗拉強度和彈性模量見表2。
圖2 鋼板條拉伸試件尺寸
試件詳細參數 表1
不同厚度鋼材材料性能 表2
由1.1節(jié)可知,本文試件是根據框架在水平地震作用下出現的反彎點機制進行設計的,所以邊界條件隨之確定。試驗裝置如圖3所示,加載設備包括柱頂的單向軸壓千斤頂,梁端的兩個拉壓雙向千斤頂;數據采集儀包括梁端的位移計和力傳感器各兩個以及應變片和應變采集箱。
柱頂和柱底均應為鉸接,但由于需在柱頂加軸壓,所以采用圖3方案——使用兩個帶有弧形面的夾具夾在柱頂靠下部位約束柱頂的水平位移同時保證其能繞夾具弧形的切點轉動;柱底采用銷軸支座。梁端采用連接端頭和銷軸與傳感器連接。
圖3 試驗裝置示意圖
試驗采用擬靜力的試驗方法來進行加載。加載制度如圖4所示,試驗中梁端的荷載和位移數據實時地傳輸到電腦上并生成實時圖像,可以觀察到試件的屈服情況。在試件屈服前,采用力控制進行分級加載(例如20,40,60kN,…);在觀察到曲線達到屈服后,采用位移控制,將屈服位移Δy作為每級的增量(例如Δy,2Δy,3Δy,…),每級循環(huán)3次;在試件明顯破壞或承載力下降到最大承載力的85%以下時結束試驗。
圖4 加載制度
試件S1在梁端豎向位移達到16.5mm時進入屈服階段,相應的屈服荷載為158.8kN,此時并未觀察到明顯現象。當梁端位移加載到2Δy時,節(jié)點核心區(qū)觀察到輕微剪切變形,其他無明顯現象。當梁端位移加載到3Δy時,剪切變形相較于2Δy時更明顯,但剪切變形仍很小,梁靠近節(jié)點一側均未出現塑性鉸。當梁端位移加載到4Δy時,剪切變形較為明顯,如圖5(a)所示,此時,一側梁與節(jié)點隔板相連的翼緣出現輕微的屈曲;當梁端位移加載到4Δy第二次循環(huán)時,梁產生平面外位移,梁上翼緣屈曲突然增大,響應截面的下翼緣從一側被拉斷,加載中止,見圖5(b),中止時試件承載力為203.2kN,對應位移為82.7mm。
圖5 試件破壞特征
試件S2在彈性段沒有明顯現象,位移達到15.8mm時進入屈服,相應屈服荷載為117.4kN。試件S2梁端位移加載到3Δy時剪切變形較為明顯,梁端位移加載到5Δy時剪切變形最為明顯,見圖5(c)。此時,由于核心區(qū)柱壁中部的焊縫問題導致焊縫開裂,加載中止,見圖5(d),中止時試件達到的最大承載力為134kN,對應位移為70.5mm。
試件S3在彈性段梁端位移加載到4Δy時的試驗現象與試件S2類似,其屈服位移為19.08mm,相應的屈服荷載為105.6kN。當梁端位移加載到5Δy時,試件S3的核心區(qū)柱腹板出現了輕微的內凹,隨著循環(huán)次數的增加和梁端位移的增大,這種內凹越來越明顯。當梁端位移加載到6Δy時,試件S3最大承載力為150.6kN,相應位移為98.5mm。當梁端位移加載到7Δy時,試件S3核心區(qū)內凹最為明顯,見圖5(e);當梁端位移加載到7Δy第二次循環(huán)時核心區(qū)柱腹板在與隔板連接處被剪斷,見圖5(f),試驗終止。
試驗得出的3個試件的荷載-位移滯回曲線如圖6所示。從圖6中可以觀察到所有滯回曲線均穩(wěn)定且飽滿,表明3個試件均具有良好的耗能能力。從觀察到的大的非彈性變形來看,3個試件均具有良好的延性。
圖6 3個試件的荷載-位移滯回曲線
試件S1,S2,S3屈服荷載分別為158.8,117.4,105.6kN,對應的各個試件的屈服位移分別為16.5,15.8,19.08mm。對比三者可知,增大核心區(qū)柱壁厚度會提高節(jié)點的初始剛度和屈服荷載,而增大隔板厚度也可以有效提高節(jié)點的初始剛度和屈服荷載。
3個試件的骨架曲線見圖7,其中試件S2的曲線由焊縫裂開前的試驗數據和有限元分析的數據組合而成。由于試件S1相比于試件S2和S3變化的參數有兩個,所以采用有限元模擬隔板厚度為14mm,核心區(qū)柱壁厚度為12mm的節(jié)點試件Sfem(其他參數同3個試件),其骨架曲線見圖7。由圖7可見,4個試件的初始剛度基本一致,說明變化的參數(核心區(qū)柱壁厚度和隔板厚度)對試件的彈性剛度影響較小。試件S1,Sfem,S2,S3的極限承載力分別為203.2,184.6,168.6,150.6kN,由此可見節(jié)點核心區(qū)柱腹板和隔板厚度是節(jié)點承載力的重要影響因素。
圖7 試件骨架曲線對比
根據《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[14],試件的耗能能力可以通過荷載-位移曲線所包圍的圖形面積來計算。能量耗散系數E由下式計算:
(1)
圖8 耗能系數計算
所有試件的耗能系數E見表3,其中試件S1,S2表現出相似的耗能能力,試件S3耗能能力最高。
試件詳細參數 表3
采用有限元軟件ABAQUS模擬隔板貫通節(jié)點在梁端受到反復循環(huán)荷載下的力學行為。模型尺寸及邊界條件保持與前述試驗相同,見圖9,全局網格尺寸為25。鋼管柱和鋼梁均采用四節(jié)點完全積分的S4殼單元,在殼單元厚度方向采用5個積分點的Simpson積分。鋼材采用三折線彈塑性本構模型,不同厚度的鋼材的彈性模量、屈服強度和極限強度均按照表2取值,泊松比取0.3。
圖9 有限元模型網格及邊界條件
有限元計算得到的各試件梁端荷載-位移滯回曲線對比見圖6。由圖6可見,各個試件的有限元結果和試驗結果吻合較好,有限元結果得到的初始剛度、屈服荷載、極限荷載與試驗相差均在10%以內;另外,以試件S3為例,變形和應力云圖(圖10)與圖5(e),(f)吻合較好,也證明了該模型用于分析節(jié)點滯回性能的可行性。
圖10 試件S3應力云圖/MPa
在有限元模型與試驗吻合較好的基礎上,為彌補試驗試件個數的局限性,利用模型模擬出隔板厚度為14mm而核心區(qū)鋼板厚度為12mm的試件Sfem,其骨架曲線見圖7;同時,為研究核心區(qū)柱翼緣厚度單獨對核心區(qū)的抗震性能的影響,在本模型的基礎上進行參數化分析,變化的參數為核心區(qū)柱壁翼緣厚度,原試驗核心區(qū)柱采用的冷彎薄壁加工,為了模擬核心區(qū)柱翼緣和腹板的不同厚度,模型采用上下柱冷彎形式而核心區(qū)非冷彎形式截面。骨架曲線隨核心區(qū)翼緣變化見圖11。由圖11可知,核心區(qū)在受剪模式破壞下,其承載力和性能與核心區(qū)柱翼緣厚度無關。
圖11 骨架曲線隨核心區(qū)翼緣厚度變化
本文對方鋼管-H型鋼梁隔板貫通式節(jié)點核心區(qū)的抗震性能進行了試驗研究和有限元分析,得到以下結論:
(1)對于隔板貫通節(jié)點,其隔板的厚度以及核心區(qū)柱壁的厚度對核心區(qū)的承載力有重要影響。
(2)梁端塑性鉸破壞模式與核心區(qū)凹曲剪切破壞模式,兩者的滯回曲線均飽滿而穩(wěn)定,且耗能能力均能滿足要求,從耗能系數來看,剪切破壞模式下,節(jié)點的耗能系數較高。
(3)核心區(qū)柱腹板恒為8mm而柱翼緣分別為12,10,8mm時進行的有限元分析的結果,可以證明核心區(qū)在受剪模式破壞下,其承載力和性能與核心區(qū)柱腹板和隔板厚度相關,與核心區(qū)柱翼緣厚度無關。