石曉娜 戎 賢,2 郝貴強(qiáng) 齊建偉 張健新,2

(1. 河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401; 2. 河北省土木工程技術(shù)研究中心, 天津 300401; 3. 中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司, 石家莊 050035)

節(jié)點(diǎn)是鋼管混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的部位,對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能和破壞機(jī)制有重要影響。在美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn):鋼結(jié)構(gòu)體系中梁柱栓焊剛性節(jié)點(diǎn)破壞大多由梁下翼緣處焊縫根部脆性裂紋發(fā)展而起,從而造成節(jié)點(diǎn)的破壞。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行了大量的研究。[1-4]文獻(xiàn)[5-6]介紹了對(duì)內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的抗震試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)內(nèi)隔板可以改善節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定,能夠有效地傳遞內(nèi)力并提供足夠的剛度,具有良好的耗能能力。而當(dāng)柱的尺寸太大時(shí),在施工過程中可能存在一定的困難。此外,在上下翼緣的焊縫處容易發(fā)生應(yīng)力集中。文獻(xiàn)[7-8]介紹了對(duì)外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究,表明該類節(jié)點(diǎn)具有較高的剛度、良好的延性,節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布較為均勻,而其用鋼量較大。還有學(xué)者的研究[9-10]發(fā)現(xiàn),隔板貫通節(jié)點(diǎn)的連接形式優(yōu)于內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn),且具有良好的抗震性能。也有學(xué)者開展不同類型的方鋼管柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究[11]。

結(jié)合外肋環(huán)板與隔板貫通節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn),提出一種新型上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-H鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn),即通過上外環(huán)肋板、下貫通隔板、腹板連接板將鋼管柱與H型鋼梁連接。針對(duì)該新型節(jié)點(diǎn),有必要通過擬靜力試驗(yàn),研究其抗震性能。

1 試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)了5個(gè)足尺方鋼管混凝土柱-H鋼梁栓焊混合中節(jié)點(diǎn)試件,通過低周往復(fù)試驗(yàn)考察下栓上焊連接方式、柱內(nèi)隔板等特定因素對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律,研究該新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能。試件設(shè)計(jì)詳見圖1。設(shè)計(jì)柱高為2.8 m,梁長(zhǎng)均為1.8 m,柱采用冷彎空心方形鋼管,梁采用H型鋼,梁柱連接板為

a—JC-1和JC-2; b—JC-3; c—JC-4; d—JC-5。圖1 節(jié)點(diǎn)詳圖 mmFig.1 Details of joints

185 mm×220 mm×10 mm的矩形板,鋼材均采用Q345B級(jí)鋼,焊接選用E50焊條,節(jié)點(diǎn)的過焊孔及對(duì)接焊縫構(gòu)造參照相關(guān)規(guī)程施工,螺栓采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓M20。節(jié)點(diǎn)試件JC-1制作過程如下:方鋼管、鋼梁、上下柱及其與隔板、豎向肋板、外環(huán)板之間的焊接均在工廠完成,然后澆筑方鋼管內(nèi)混凝土并進(jìn)行養(yǎng)護(hù);現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí),鋼梁上翼緣與外環(huán)板對(duì)接坡口焊,鋼梁腹板與連接板、下翼緣與隔板栓接。試件設(shè)計(jì)特性見表1。

表1 試件設(shè)計(jì)特性Table 1 Main parameters of specimens

上翼緣通過外環(huán)板的焊接與柱進(jìn)行連接,外環(huán)板處設(shè)置50 mm圓弧形外倒角,使外環(huán)板能平滑過渡到與梁翼緣同寬。在柱和外環(huán)板上設(shè)置貼板用以傳遞荷載,下翼緣與貫通隔板之間、腹板與連接板之間通過摩擦型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。其中,JC-1、JC-2豎向肋板厚度不同,JC-3試件為空方鋼管柱-鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn),以分析方鋼管內(nèi)澆筑混凝土對(duì)該新型節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。為對(duì)比研究柱內(nèi)隔板對(duì)節(jié)點(diǎn)域的加強(qiáng)作用,在JC-4中不再設(shè)置節(jié)點(diǎn)域部分的柱內(nèi)隔板,等效為下外環(huán)板;JC-5節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)為全栓接以對(duì)比研究上翼緣焊接對(duì)節(jié)點(diǎn)域性能的影響作用。

試件采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,軸心抗壓強(qiáng)度為53.5 MPa。表2為鋼材的實(shí)測(cè)力學(xué)性能。

表2 鋼材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steels

試驗(yàn)采用擬靜力往復(fù)加載方案,加載裝置如圖2所示。試件下端通過球鉸支座和水平拉桿與加載框架連接,在柱的上、下端施加固定鉸約束,梁端為自由端。設(shè)計(jì)軸壓比為0.2,在柱頂施加恒定軸壓力。在梁端施加低周往復(fù)荷載,采用荷載-位移混合加載方式,試件屈服前采用荷載控制,循環(huán)1次,屈服后改為位移控制,循環(huán)3次,當(dāng)荷載降至峰值荷載的85%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

圖2 加載裝置Fig.2 Test loading devices

2 破壞特征

圖3給出了試件破壞形態(tài)。

a— JC-1; b—JC-2; c—JC-3; d—JC-4; e—JC-5。圖3 破壞特征Fig.3 Failure characteristics

從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):試件破壞現(xiàn)象從2Δy以后展開,加載至5Δy后逐漸達(dá)到承載極限,表現(xiàn)出“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的典型破壞歷程,具有較好的安全冗余度,符合當(dāng)前梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)理念?？傮w來(lái)看,試件的破壞歷程主要表現(xiàn)為以下兩種:

1)鋼梁上翼緣屈曲、梁柱腹板連接板與柱壁焊縫撕裂、上翼緣與外環(huán)板焊縫區(qū)受拉斷裂。在JC-1～JC-4下栓上焊節(jié)點(diǎn)中,表現(xiàn)為此種破壞歷程,呈現(xiàn)典型彎曲破壞形態(tài),但在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生剪切變形現(xiàn)象,說明新型連接形式有效增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)部位剛度,梁端產(chǎn)生塑性鉸并充分發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了塑性鉸外移。此現(xiàn)象形成原因主要有兩方面:一是,梁翼緣與外環(huán)板厚度及截面突變引發(fā)界面處形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象,同時(shí)焊縫熱熔區(qū)殘余應(yīng)力造成潛在加工缺陷,雙重作用使此區(qū)域截面較早進(jìn)入屈服狀態(tài)而屈曲形成塑性鉸,外環(huán)板與鋼梁上翼緣連接處自邊緣向內(nèi)開裂發(fā)展;二是,對(duì)于下栓上焊式節(jié)點(diǎn),翼緣栓接滑移產(chǎn)生較大的相對(duì)位移,拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在腹板連接板與柱壁連接端部,推動(dòng)了開裂發(fā)展,反復(fù)加載循環(huán)引起的塑性變形累積,加劇削弱了翼緣剛度。

當(dāng)寶寶咽喉疼痛時(shí)，不能指望他會(huì)和平時(shí)有一樣好的胃口，最好的解決辦法是止痛和流食。如果任由寶寶哭泣，那么咽喉腫痛會(huì)更加嚴(yán)重，所以必須盡量讓寶寶安靜下來(lái)，停止不必要的哭泣和號(hào)叫。不要給寶寶吃任何刺激性的食物包括過咸、過酸、過甜的食物以及冷飲，嘗試清淡的流質(zhì)或半流質(zhì)食物，減量多次喂。

2)鋼梁下翼緣變截面處屈曲、貫通隔板與柱壁連接焊縫斷裂、鋼管柱壁鼓曲變形、鋼梁下翼緣屈曲開裂迅速發(fā)展至斷裂,試件破壞。此類破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)在全螺栓節(jié)點(diǎn)JC-5中,由貫通隔板焊縫脆斷控制。鋼梁上下翼緣均采用螺栓連接形式,栓接雖提高了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力,但進(jìn)入塑性發(fā)展階段后應(yīng)力集中,隔板與柱壁焊縫脆斷引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞。

從試件破壞過程可看出:上環(huán)下貫式節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較好抗震延性,核心區(qū)域得到有效增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了梁端塑性鉸外移。對(duì)比下栓上焊連接形式較全螺栓連接,彈塑性變形發(fā)展充分,保證了節(jié)點(diǎn)的抗彎性能。其中,JC-1和JC-2破壞歷程基本一致,屈服階段歷程長(zhǎng),試件進(jìn)入屈服階段的順序?yàn)镴C-3、JC-4、JC-5、JC-1(JC-2);改變豎向肋板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式的影響較大,這可能是由于節(jié)點(diǎn)剛度分布造成的。空鋼管柱節(jié)點(diǎn)JC-3核心區(qū)鋼管柱發(fā)生鼓曲變形且腹板連接板焊縫發(fā)展較快。隔板不貫通節(jié)點(diǎn)JC-4,在達(dá)到極限荷載后翼緣焊縫區(qū)域迅速屈曲開裂破壞,說明混凝土和貫通隔板的有利作用使應(yīng)力傳遞更均勻,有效減小了剪切變形,改善了節(jié)點(diǎn)域抗震性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

各節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線如圖4所示。

a—JC-1; b—JC-2; c—JC-3; d—JC-4; e—JC-5。圖4 彎矩-層間位移角滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of bending moment versus storey drift

由圖4可看出:除JC-5外,所有試件節(jié)點(diǎn)滯回曲線均較為飽滿,反映出節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力,但曲線整體略呈倒S形,表明節(jié)點(diǎn)工作中存在栓接滑移的影響。節(jié)點(diǎn)屈服前,曲線呈近似線性發(fā)展,卸載后無(wú)塑性變形累積,受螺栓滑移影響,滯回曲線存在明顯平臺(tái)段。節(jié)點(diǎn)屈服后,鋼梁翼緣發(fā)生屈曲,核心區(qū)開裂發(fā)展,塑性變形累積,滯回曲線向非線性發(fā)展,逐漸豐滿。峰值荷載前,在同級(jí)別各次循環(huán)中,梁端荷載基本未降低,說明節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化程度很小。峰值荷載后,鋼梁翼緣屈曲加劇,焊縫開裂快速發(fā)展,承載力逐漸下降,塑性變形增長(zhǎng),殘余變形累積。

對(duì)比曲線可知:JC-1、JC-2滯回曲線相對(duì)飽滿,說明新型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。JC-2構(gòu)件雖存在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域貫通隔板與鋼管柱焊縫缺陷導(dǎo)致過早開裂影響了試件充分耗能,但仍保持較高抗彎承載力,試驗(yàn)現(xiàn)象規(guī)律與JC-1相一致。

空鋼管柱節(jié)點(diǎn)JC-3在加載破壞階段曲線呈現(xiàn)較明顯的反S型,腹板柱壁焊縫開裂擴(kuò)展,剛度、強(qiáng)度迅速退化,說明混凝土可有效保持節(jié)點(diǎn)域剛度,延緩試件的剛度退化,從而減小核心區(qū)剪切變形。此外,進(jìn)入彈塑性發(fā)展后鋼管柱發(fā)生鼓曲,剪切變形突出,梁柱間轉(zhuǎn)動(dòng)更為顯著,峰值荷載后節(jié)點(diǎn)抗彎承載力下降速率加快,轉(zhuǎn)角增大。

隔板不貫通節(jié)點(diǎn)JC-4在破壞階段翼緣裂縫擴(kuò)展貫通,強(qiáng)度剛度急劇退化,表明貫通隔板在彎矩傳遞中貢獻(xiàn)顯著,可有效平衡應(yīng)力,增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域錨固穩(wěn)定。全螺栓節(jié)點(diǎn)JC-5曲線呈現(xiàn)明顯的倒S形,且在彈性階段呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的“平臺(tái)”現(xiàn)象,反映全螺栓連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)性能和部件間滑移現(xiàn)象較下栓上焊節(jié)點(diǎn)連接形式更為顯著。

由圖4可以發(fā)現(xiàn):層間位移角在達(dá)到0.02 rad限值時(shí),節(jié)點(diǎn)承載力尚未達(dá)到最大值,說明節(jié)點(diǎn)具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備,滿足AISC抗震標(biāo)準(zhǔn)[12]對(duì)于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角不小于0.03 rad的延性要求。

3.2 彎矩-層間位移角骨架曲線

各試件的骨架曲線如圖5所示,其特征點(diǎn)彎矩和層間位移角如表3所示。

表3 彎矩、屈服層間位移角和延性系數(shù)Table 3 Moment, storey drift and ductility

JC1; JC2; JC3; JC4; JC5。圖5 彎矩絕對(duì)值-層間位移角骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of absolute values of bending moment versus story drift

1)彈性階段:此階段各部件發(fā)生彈性變形,卸載后無(wú)殘余變形累積,曲線近似呈線性發(fā)展。其中,正向加載初期,栓桿與栓孔間存在孔隙,下翼緣受拉梁端變形以栓接節(jié)點(diǎn)板間摩擦力貢獻(xiàn)為主,節(jié)點(diǎn)連接板件間發(fā)生相對(duì)滑移后孔壁承壓,下翼緣與隔板應(yīng)力貢獻(xiàn)逐漸發(fā)揮主導(dǎo)作用,因此在正向加載初期骨架曲線中斜率較小,曲線平緩。

2)彈塑性階段:此階段,各試件開始產(chǎn)生塑性變形,卸載后殘余變形累積,骨架曲線斜率逐漸減小,呈非線性發(fā)展。鋼梁翼緣開始出現(xiàn)屈曲,塑性鉸初步形成。隨著塑性變形區(qū)域發(fā)展到最大時(shí),承載力達(dá)到峰值。

3)破壞階段:峰值荷載后,梁翼緣屈曲變形加劇,殘余變形累積加快,曲線呈現(xiàn)負(fù)斜率下降至破壞。由表3可見:破壞層間位移角由大至小的順序?yàn)镴C-5、JC-3、JC-1、JC-4,原因是空心方鋼管柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件JC-3存在顯著的剪切變形,JC-5全螺栓節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形最為顯著,JC-4受貫通柱的約束作用,轉(zhuǎn)動(dòng)變形最小。

對(duì)比各節(jié)點(diǎn)的特征點(diǎn)彎矩和層間位移角可以發(fā)現(xiàn):與JC-1相比,JC-2的屈服彎矩和極限彎矩都有所降低,這說明增加豎向肋板厚度并不能提高梁端承載力。JC-1較JC-3屈服彎矩和極限彎矩分別提高16%和12%,表明鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土可有效提高節(jié)點(diǎn)的承載力,其破壞層間位移角達(dá)5%以上,螺栓連接具有良好的變形性能。JC-4較JC-1屈服彎矩和極限彎矩分別提高5%和7%,屈服層間位移角提高15%,但破壞層間位移角反而減少2%,表明柱貫通節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)提高節(jié)點(diǎn)抗彎承載力更為有利,但貫通隔板對(duì)梁端的強(qiáng)約束作用會(huì)降低梁端塑性快速發(fā)展階段的變形性能。JC-5全螺栓連接曲線呈現(xiàn)典型的三折線形態(tài),較JC-1屈服彎矩和屈服層間位移角分別提高12%和20%,極限彎矩和破壞層間位移角分別提高14%和29%,表明螺栓連接可有效提高節(jié)點(diǎn)承載力,同工況下轉(zhuǎn)動(dòng)變形較大,節(jié)點(diǎn)受損程度大。

3.3 延 性

各試件的延性系數(shù)計(jì)算列入表3,由計(jì)算結(jié)果可知:位移延性系數(shù)由大至小的順序?yàn)镴C-5、JC-3、JC-1、JC-2、JC-4?？梢?全栓接節(jié)點(diǎn)JC-5具有最優(yōu)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,較為穩(wěn)定的延性系數(shù),延性系數(shù)達(dá)2.77,比外環(huán)板節(jié)點(diǎn)JC-4的延性系數(shù)高29%,比下栓上焊節(jié)點(diǎn)JC-1和JC-2的延性系數(shù)高7%和16%,這說明上環(huán)下貫式比環(huán)板式節(jié)點(diǎn)具有良好的延性性能,方鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的延性性能優(yōu)于空鋼管柱節(jié)點(diǎn)。

3.4 剛度退化曲線

各試件的割線剛度-層間位移角曲線如圖6所示。

JC1; JC2; JC3; JC4; JC5。圖6 割線剛度-層間位移角曲線Fig.6 Relations between secant stiffness and storey drift

對(duì)比5個(gè)試件的剛度退化曲線可以看出:各試件總體剛度隨加載循環(huán)平緩?fù)嘶?且退化趨勢(shì)基本一致。試件JC-1、JC-2和JC-4的剛度退化非常接近,這說明兩種連接方式對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度退化影響較小。

試件JC-3在各加載幅值處割線剛度最小,這說明鋼管內(nèi)混凝土對(duì)試件剛度的影響較大,有利于提高節(jié)點(diǎn)剛度。但JC-3的退化曲線較其他試件的平緩,更有利于梁上塑性鉸的形成。JC-5的初始剛度低于JC-1、JC-2和JC-4,這是因?yàn)槿菟ㄟB接會(huì)產(chǎn)生螺栓滑移,而上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-鋼梁栓焊混合方式更有利于提高節(jié)點(diǎn)的剛度。

3.5 耗能能力

各試件的等效黏滯阻尼比-層間位移角曲線如圖7所示。

JC1; JC2; JC3; JC4; JC5。圖7 等效黏滯阻尼比-層間位移角曲線Fig.7 Relations between equivalent viscous damping ratios and story drift

由圖7可以看出:除JC-5外,其他試件等效黏滯阻尼比均隨層間位移角增加而增大。JC-5的等效黏滯阻尼比在早期沒有明顯增加,在后半段比其他試件降低得更早,說明全螺栓連接節(jié)點(diǎn)JC-5的耗能能力較差,這主要是由于JC-5的鋼梁下翼緣因螺栓滑移而過早屈曲造成的。上環(huán)下貫式節(jié)點(diǎn)試件JC-1、JC-2和JC-3的等效黏滯阻尼比均高于外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)試件JC-4的,表明上環(huán)下貫式節(jié)點(diǎn)試件具有較好的耗能能力。由于JC-3節(jié)點(diǎn)變形較大,最大等效黏滯阻尼比較大,但考慮到JC-3的承載力較低,在實(shí)際工程應(yīng)用中,須要澆筑合適強(qiáng)度等級(jí)的混凝土才能獲得較好的抗震性能。JC-2的等效黏滯阻尼比略高于JC-1的,由此可見,通過增加豎向肋板厚度可以提高節(jié)點(diǎn)剛度,從而提高耗能能力。由于螺栓滑移,JC-5表現(xiàn)出較低的等效黏滯阻尼比,上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn)的等效黏滯阻尼比較其提升30%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)新型上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn)均可預(yù)制,裝配化程度高,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)快。外環(huán)板與貫通隔板作用有效增強(qiáng)核心區(qū),具有良好的抗震性能和延性性能,能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

2)上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出鋼梁上翼緣屈曲、上翼緣與外環(huán)板焊縫區(qū)受拉斷裂,而全螺栓節(jié)點(diǎn)的破壞模式受貫通隔板焊縫脆斷控制,因應(yīng)力集中導(dǎo)致了隔板與柱壁焊縫脆斷引發(fā)了節(jié)點(diǎn)破壞。

3)空方鋼管柱節(jié)點(diǎn)因未有混凝土的約束效應(yīng)表現(xiàn)出較低的承載能力,但呈現(xiàn)了較高的變形能力。外環(huán)板連接的節(jié)點(diǎn)延性和耗能能力比上環(huán)下貫式節(jié)點(diǎn)低,兩者抗彎承載力相差不大。全螺栓連接方式和豎向肋板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞模式影響較大。

4)與全螺栓節(jié)點(diǎn)相比,上環(huán)下貫式方鋼管混凝土柱-鋼梁栓焊混合節(jié)點(diǎn)的等效黏滯阻尼比提升30%以上;栓焊混合節(jié)點(diǎn)的層間位移角大于0.045 rad,表現(xiàn)出較強(qiáng)的變形和延性性能。