馮俊杰

常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常會(huì)把梁柱連接節(jié)點(diǎn)假定為理想剛接或者鉸接來進(jìn)行處理，隨著國內(nèi)外眾多學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的分析研究越來越深，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為鋼節(jié)點(diǎn)是具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的。本文的研究工作是基于組件與節(jié)點(diǎn)相關(guān)關(guān)系展開的：設(shè)計(jì)中考慮了樓板組合效應(yīng)的組合節(jié)點(diǎn)，通過單向加載試驗(yàn)與相應(yīng)裸節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析，重點(diǎn)考察了組合樓板對節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

高層鋼結(jié)構(gòu)框架的節(jié)點(diǎn)一般都采用柱貫通型的連接, 典型梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式為梁柱之間螺栓連接或焊接,樓蓋常采用混凝土或壓型鋼板組合樓板, 但目前在鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)卻忽略了混凝土樓板對節(jié)點(diǎn)承載性能的影響, 而僅將混凝土層的組合作用作為安全儲(chǔ)備。在對于整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及剛度分布所造成的影響尚不清楚的情況下, 這樣的設(shè)計(jì)處理方式很有可能是不安全的。因此，樓板相對于鋼節(jié)點(diǎn)的組合效應(yīng)的研究是非常必要的。

一、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了驗(yàn)證組件模型理論分析的正確性，進(jìn)行了兩類工程中常用到的弱軸節(jié)點(diǎn)的加載實(shí)驗(yàn)。裸節(jié)點(diǎn)試件TS1, 柱截面HM244×175×7×11，梁截面HM194×150×6×9；裸節(jié)點(diǎn)試件TS2，柱截面HM244×175×7×11， 梁截面HM194×150×6×9。鋼材等級為Q235 級，所有焊縫均為一級焊縫，螺栓采用10.9 級摩擦型高強(qiáng)螺栓。相應(yīng)組合節(jié)點(diǎn)試件為TS3 及TS4，樓板與鋼梁之間通過抗剪栓釘進(jìn)行連接。經(jīng)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范驗(yàn)算，混凝土樓板有效寬度為1200mm，厚度為135mm。在梁長方向每米布置9 根直徑為10mm 的鋼筋，在寬度方向每米布置6 根直徑為10mm 的鋼筋，保護(hù)層厚度為25mm。具體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖1。

圖1 節(jié)點(diǎn)詳情

試驗(yàn)主要包括了兩組中柱節(jié)點(diǎn)的對稱加載試驗(yàn)和受力組件的材性試驗(yàn)，柱底由四根高強(qiáng)螺栓固定于剛性基礎(chǔ)板上，柱頂由螺栓固定后再由千斤頂施加軸力。梁兩端采用千斤頂同步對稱加載，同時(shí)設(shè)置了位移計(jì)和荷載傳感器來保證數(shù)據(jù)的同步性。

二、數(shù)據(jù)分析

通過對以上四組節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)分析，可以明確發(fā)現(xiàn)，組合樓板對于整個(gè)弱軸節(jié)點(diǎn)剛度是有非常重要的影響。

大部分裸節(jié)點(diǎn)的梁端截面沿中和軸呈對稱分布形式，因此在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)正彎矩作用與負(fù)彎矩作用并沒有太大的區(qū)別，本文以裸節(jié)點(diǎn)的負(fù)彎矩作用下的力學(xué)性能來表征其力學(xué)性能；當(dāng)考慮了樓板的組合作用之后，節(jié)點(diǎn)在正彎矩和負(fù)彎矩作用下的力學(xué)性能表現(xiàn)出較大的差異，因此本文對于組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，首先分別考查了其在正負(fù)彎矩作用下的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，最終的節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)是在負(fù)彎矩加載得出的，此種加載模式也更加符合框架體系的實(shí)際工況。

四組弱軸節(jié)點(diǎn)的主要試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

如表1 所示，組合節(jié)點(diǎn)的承載力要遠(yuǎn)大于裸節(jié)點(diǎn)，考慮了樓板的組合效應(yīng)后節(jié)點(diǎn)的剛度有很大的增加，在本文設(shè)計(jì)的試件中，節(jié)點(diǎn)剛度以及轉(zhuǎn)角都發(fā)生了量綱級的變化。同時(shí)節(jié)點(diǎn)的破壞形式也有不同，裸節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要發(fā)生在鋼結(jié)構(gòu)部分（端板屈服、角鋼屈服等），組合節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要發(fā)生在樓板部分（混凝土開裂、鋼筋屈服等）。具體分析如下：

1.裸節(jié)點(diǎn)

本章中設(shè)計(jì)的所有試件均為中柱節(jié)點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)兩端為對稱同步的加載方式，對于弱軸節(jié)點(diǎn)來說，可以忽略柱腹板對整個(gè)節(jié)點(diǎn)的剛度貢獻(xiàn)。圖2 給出了TS1和TS2 的彎矩轉(zhuǎn)角曲線，每個(gè)試件左右兩邊的彈性階段的曲線數(shù)據(jù)基本吻合，但是進(jìn)入塑性階段后曲線產(chǎn)生了一定差距。產(chǎn)生這種差異的原因在于：一方面當(dāng)加載進(jìn)入塑性之后，節(jié)點(diǎn)域的塑性變形會(huì)有一定的隨機(jī)性從而導(dǎo)致曲線的不規(guī)律性；另一方面對稱布置的作動(dòng)筒在塑性階段是受位移控制的，同時(shí)也在向采集系統(tǒng)反饋荷載數(shù)據(jù)，在反饋的過程中由于液壓的不協(xié)同性導(dǎo)致兩端的同步性出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致了兩端的不平衡彎矩的產(chǎn)生。

圖2 TS1和TS2的彎矩轉(zhuǎn)角曲線

2.討論與評估

TS1 和TS2 最終的破壞模式都有較大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形，節(jié)點(diǎn)最終的破壞模式是以構(gòu)件產(chǎn)生了大變形從而不能滿足結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)來判斷的。TS1 在梁端板上部位置產(chǎn)生了較大的平面外變形，下部基本沒有變形，連接端板的兩排螺栓都是處于受拉狀態(tài)，因此端板上下兩排螺栓都可按照受拉的單向彈簧來進(jìn)行處理，對于端板的上翼緣則可以按照受彎彈簧來進(jìn)行處理。TS2 的主要破壞部位是角鋼部分，其中腹板角鋼產(chǎn)生了明顯的拉彎變形，底部角鋼有明顯的受彎變形，螺栓有明顯的彎曲變形。此類弱軸節(jié)點(diǎn)與構(gòu)造較為復(fù)雜，既要考慮到角鋼的拉彎剛度又要考慮到螺栓的受拉變形和受彎變形。為了簡化模型，可以將腹板處的雙腹板角鋼以及相應(yīng)的螺栓簡化為受拉T 型件來處理。

3.組合節(jié)點(diǎn)

組合節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能受混凝土樓板的影響非常大，并且考慮了混凝土樓板后組合樓板在正負(fù)彎矩作用下的力學(xué)性能也是有差別的。本次實(shí)驗(yàn)是在負(fù)彎矩作用下加載至試件破壞的。通過表1 可以看出，不同荷載工況下同一節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度有很大的區(qū)別。圖3 給出了兩組組合節(jié)點(diǎn)在不同荷載工況下的彎矩轉(zhuǎn)角曲線，可以看出，組合節(jié)點(diǎn)在正彎矩作用下的節(jié)點(diǎn)剛度要大于其在負(fù)彎矩作用下的節(jié)點(diǎn)剛度。在正彎矩作用下，組合節(jié)點(diǎn)中起主要作用的力學(xué)組件是處于受壓狀態(tài)的混凝土樓板，在負(fù)彎矩作用下，組合節(jié)點(diǎn)中起主要作用的力學(xué)組件是混凝土樓板中的受拉鋼筋。

圖3 TS3和TS4的彎矩轉(zhuǎn)角曲線

4.討論與評估

組合節(jié)點(diǎn)的破壞模式與裸節(jié)點(diǎn)的破壞模式基本不同，組合節(jié)點(diǎn)的破壞主要發(fā)生在混凝土樓板，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎曲變形較小，試驗(yàn)最終是以混凝土的壓潰為標(biāo)準(zhǔn)來判斷節(jié)點(diǎn)失去承載力。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受負(fù)彎矩作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)域的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于梁下翼緣與柱腹板的交界處，混凝土樓板的抗拉性能可以忽略。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受正彎矩作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)域的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于混凝土樓板內(nèi)部，裸節(jié)點(diǎn)部分處于受拉狀態(tài)，此時(shí)混凝土樓板中的鋼筋受壓性能可以忽略。隨著加載的進(jìn)行，底部壓型鋼板與混凝土樓板脫開?；炷翗前彘_裂方式略有不同，對于TS3 來說樓板裂縫是以柱為中心向四周發(fā)展的，而TS4 的樓板裂縫則是沿著混凝土板的有效寬度方向均勻開裂的，造成這種差異的原因在于TS3 的裸節(jié)點(diǎn)剛度要高于TS4的裸節(jié)點(diǎn)剛度，從而造成了TS3 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裸節(jié)點(diǎn)與組合樓板之間的相互約束要略高于TS4 的相互約束。

三、結(jié)語

本文通過裸節(jié)點(diǎn)和組合節(jié)點(diǎn)的弱軸單向加載試驗(yàn)，綜合對比了樓板的組合作用對整個(gè)節(jié)點(diǎn)體系的影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，考慮了樓板的組合作用后的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能較裸節(jié)點(diǎn)有非常明顯的變化，并且這些變化是不可忽略的。結(jié)論如下：

（1）考慮了樓板的組合效應(yīng)后的組合節(jié)點(diǎn)在力學(xué)性能考察方面具有方向性，分為正彎矩作用和負(fù)彎矩作用，同時(shí)混凝土受壓性能和鋼筋受拉性能作為新的力學(xué)組件考慮到組合節(jié)點(diǎn)中。

（2）裸節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要集中在鋼結(jié)構(gòu)部分的節(jié)點(diǎn)域，由于鋼材良好的延性導(dǎo)致整個(gè)裸節(jié)點(diǎn)體系的破壞模式是以正常使用極限狀態(tài)來主導(dǎo)判斷的；組合節(jié)點(diǎn)破壞模式主要集中在混凝土樓板中，混凝土的延性較差導(dǎo)致整個(gè)組合節(jié)點(diǎn)體系的變形不會(huì)特別大，此時(shí)應(yīng)該按照承載力的極限狀態(tài)來主導(dǎo)判斷。