施戈亮

(湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 十堰 442000)

0 引言

預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)因其施工方便而在多層建筑中被廣泛采用。為了避免現(xiàn)場焊接和減少安裝周期。栓連接,擴(kuò)展端板連接,被認(rèn)為是預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)中Ⅰ型梁和Ⅰ型柱令人滿意的連接類型之一[1]。對工字鋼柱的加長端板連接進(jìn)行了大量的調(diào)查,證明只要設(shè)計(jì)得當(dāng),加長端板連接可以形成較好的抗彎強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)剛度。同時(shí)規(guī)范[2]已經(jīng)提出并規(guī)定了Ⅰ型截面梁的端板連接的實(shí)際設(shè)計(jì)方法。在這些規(guī)范中,柱子翼緣的抗彎能力是用與端板相同的方法來檢查的,而T型管分析是檢查端板和柱子翼緣厚度的基本方法。

當(dāng)預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)框架用于抗震設(shè)計(jì)時(shí),箱形柱是首選,因?yàn)樗泻芎玫目闺p軸彎曲和扭轉(zhuǎn)屈服的能力[3]。然而,當(dāng)螺栓連接的端板節(jié)點(diǎn)用于帶有箱形柱的預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)框架時(shí),由于箱形柱法蘭的支撐條件與工字形柱不同,因此不能直接用工字形柱法蘭的方法來分析箱形柱法蘭的抗彎能力[4]。在應(yīng)用于與箱形柱的端板連接設(shè)計(jì)之前,需要對現(xiàn)有的與工字形柱的端板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行補(bǔ)充,以檢查箱形柱法蘭的阻力。然而,在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范中找不到這樣的補(bǔ)充,對這個(gè)問題的研究也是有限的,因?yàn)樵跊]有空間安裝螺栓的情況下,很難在工字形梁和箱形柱之間采用螺栓連接。

基于此,本文提出了三種技術(shù)的切割和焊接程序,在施工現(xiàn)場,梁和柱可以通過螺栓緊固來連接,不需要任何現(xiàn)場焊接,進(jìn)一步證明這種節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以方便地應(yīng)用于預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)。為了研究工字形梁端板與箱形柱的連接行為,研究不同預(yù)制技術(shù)的連接的抗震性能,對四個(gè)全尺寸試件進(jìn)行了測試,其中一個(gè)試件承受單軸荷載,其他試件承受循環(huán)荷載[5]。

1 試樣方案

1.1 試樣方案設(shè)計(jì)

新能源商用車電控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)項(xiàng)目2號樓(研發(fā)廠房)為鋼結(jié)構(gòu)廠房,鋼結(jié)構(gòu)主要形式為箱型柱,地上5層,總高度28.6 m,采用鋼框架-中心支撐體系。由于項(xiàng)目位于北京市,且根據(jù)前期地質(zhì)勘察,最終設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為3級。但在鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過程中,發(fā)現(xiàn)箱形柱端板節(jié)點(diǎn)螺栓經(jīng)常出現(xiàn)扭斷現(xiàn)象。同時(shí)由于該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)為5層樓高,在高樓層焊接箱形柱具有施工困難、危險(xiǎn)等問題。為了在箱式柱裝配式鋼框架中應(yīng)用端板連接,本文介紹了三種箱式柱螺栓端板連接的預(yù)制工藝。第一種工藝是在全部螺栓和連續(xù)板安裝完畢后,在其中一根柱腹板墻上開窗,并將窗板焊接起來。該技術(shù)記為XW,表示需要X方向窗口。第二種技術(shù),標(biāo)記為YW,與第一種技術(shù)相似,窗口是在垂直于Y方向的柱法蘭壁上打開。第三種技術(shù),標(biāo)記為NW,不使用窗戶,但柱必須從中間切斷,為必要的螺栓和端板提供施工條件,然后焊接在一起。這些接頭配置中所使用的螺栓應(yīng)采用扭開式高強(qiáng)度螺栓,每個(gè)螺栓都有固定在柱壁內(nèi)側(cè)的套筒保護(hù),以防止預(yù)埋螺栓在運(yùn)輸過程中從孔中脫落。在實(shí)際中施工時(shí),如果箱形柱周圍有四根梁連接,則會(huì)同時(shí)存在XW技術(shù)和YW技術(shù),但在平面框架的分析中,這兩種技術(shù)可能有很大的不同,因?yàn)槎税宓暮附涌赡軙?huì)以不同的方式影響面板區(qū)域的抗剪能力和法蘭壁的抗彎能力。因此,在本研究中,XW和YW為兩種不同的技術(shù)。

1.2 試驗(yàn)材料

施工現(xiàn)場所有的柱子和梁的鋼材都是Q345,屈服強(qiáng)度為345 MPa。用三個(gè)相同的試樣對梁的翼緣、梁的腹板和柱壁進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。試件中使用的所有螺栓都是扭斷型的,因此在施工過程中可以在柱子外面用電動(dòng)扳手完成安裝。螺栓是10.9級的M24螺栓。根據(jù)所采用螺栓的質(zhì)量認(rèn)證,螺栓的名義屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力分別為1 002 MPa和1 140 MPa,同時(shí)M24螺栓的有效面積為351 mm2,單個(gè)螺栓的預(yù)緊力為225 kN。

1.3 儀器加載方式

采用HN294 mm×200 mm×8 mm×12 mm熱軋工字鋼和300 mm×12 mm冷彎箱形柱制作4個(gè)十字形端板連接試件,進(jìn)一步設(shè)計(jì)為箱形柱端板節(jié)點(diǎn)。試件中使用的螺栓為10.9級M24扭斷型高強(qiáng)度螺栓。在面板區(qū)使用了連續(xù)板,并使用擴(kuò)展端板加勁器以獲得更大的旋轉(zhuǎn)剛度。連接和構(gòu)件的尺寸如圖1所示,試樣使用了兩種不同的加載方式,試樣的詳細(xì)數(shù)據(jù)在表1中列出,包括預(yù)制技術(shù)符號(XW,YW或NW)和加載方式(M代表單調(diào)載荷或C代表循環(huán)載荷)。

所有測試的試件都在梁的兩端承受了反對稱的荷載,當(dāng)北側(cè)推桿向下移動(dòng),南側(cè)推桿向上移動(dòng)時(shí)[6],荷載被規(guī)定為正值。如表1所示,其中三個(gè)試件在循環(huán)荷載下進(jìn)行了測試,根據(jù)規(guī)范要求,加載方法在圖2中說明。在屈服前,載荷由力控制,三個(gè)單周期載荷水平分別對應(yīng)于Py/3,2Py/3和Py。屈服后,載荷由位移控制,三個(gè)周期水平對應(yīng)于Δy-6Δy。

2 結(jié)果與討論

2.1 滯回曲線

滯回曲線可以全面反映在循環(huán)荷載作用下箱形柱端板節(jié)點(diǎn)的變形特性、剛度退化和能量耗散。圖3為所有試樣節(jié)點(diǎn)的彎矩-層間位移角(M-θd)滯回曲線。圖3中的CT1曲線呈現(xiàn)弓形。其他三個(gè)試樣的曲線比CT1的曲線更飽滿,反映了與CT1相比更好的滯回性能和能量耗散能力。其中,CT3的曲線呈現(xiàn)梭形,這表明NW預(yù)制技術(shù)具有較差的能量耗散能力,主要由于箱形柱端板在中間被切斷,相應(yīng)的應(yīng)力主要集中在螺栓和連接板中,易造成應(yīng)力集中。

且從圖3(a)可以看出,與-0.04 rad(周期29)相比,-0.05 rad(周期31)的滯回曲線出現(xiàn)了明顯的突變,如圖3(a)中的圈所示。這是由于箱形柱端板節(jié)點(diǎn)之間的焊縫過早斷裂造成的。當(dāng)CT1試件層間漂移角在-0.09 rad,出現(xiàn)最小值,CT2試件層間漂移角在-0.08 rad,出現(xiàn)最小值,但使用預(yù)制技術(shù)YW時(shí),CT3的最小漂移角為-0.06 rad,較CT1與CT2分別下降33.3%,25.2%,這可以解釋為端板在提高節(jié)點(diǎn)處的剛度方面起著重要作用。在隨后的加載過程中,滯回環(huán)路表現(xiàn)出明顯的擠壓效應(yīng),尤其是正環(huán)路。進(jìn)一步表明箱形柱端板節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的互拉效應(yīng),在卸載后不能恢復(fù)到原來的長度,這降低了節(jié)點(diǎn)的變形和能量耗散能力。與CT1相比,試件CT2使用XW預(yù)制技術(shù)在柱壁上開窗,在所有端板安裝完畢后,有效地將荷載分散到箱形柱中,防止了端板節(jié)點(diǎn)處的大面積滑移,與CT1相比,其滯回圈擴(kuò)大。CT3(如圖3(b)所示)的滯回環(huán)顯示出較為完整的形狀,且層間漂移角分別在-0.06 rad及+0.07 rad位置下彎矩分別達(dá)到最小值與最大值。主要原因?yàn)轭A(yù)制技術(shù)YW把窗口開在垂直于Y方向的柱子翼緣墻上,其端板節(jié)點(diǎn)可以通過梁翼緣的塑性變形和螺栓的滑動(dòng)將能量耗散到空間,從而獲得了抗變形能力。在保證強(qiáng)板區(qū)的前提下,CT4的滯回曲線沒有CT3飽滿,說明通過將高強(qiáng)度螺栓用于箱形柱梁端板節(jié)點(diǎn),可以提高試樣的變形耗散能量。

2.2 骨架曲線

骨架曲線反映了整個(gè)循環(huán)荷載過程中箱形柱端板節(jié)點(diǎn)的承載能力。所有試樣的彎矩層漂移角骨架曲線繪制在圖4中。每個(gè)試件的正曲線和負(fù)曲線顯示出顯著的不對稱性,并且在每個(gè)試件相似的層間位移角下,正力矩幾乎總是高于負(fù)力矩,尤其是在較高的加載階段,其漂移角均在0.08 rad位置處彎矩達(dá)到最大,最大值分別為150 kN,148 kN,142 kN,120 kN,這可以解釋為箱形柱的垂直不連續(xù)性削弱了節(jié)點(diǎn)的正抗彎承載力。由于較厚的板,CT2的正曲線略高于CT1的正曲線,表明當(dāng)預(yù)制技術(shù)YW相同時(shí),采用單軸循環(huán)加載方式用于箱形柱端板節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較高的抵抗力。這是因?yàn)榍罢叩淖枇碜韵湫沃税?而后者的阻力僅由端板節(jié)點(diǎn)促進(jìn),端板節(jié)點(diǎn)之間的間隙為2 mm。CT1和CT2的負(fù)曲線在早期加載階段基本一致,在漂移角為-0.08～0.00范圍內(nèi),CT1至CT4的最大彎矩分別為-100 kN,-120 kN,-152 kN,-180 kN,而由于CT1在后期加載階段的過早焊接開裂,表現(xiàn)出顯著的不同特征。且觀察到CT3的曲線完全包圍了CT1的曲線,表明使用預(yù)制技術(shù)YW可以有效地提高箱形柱端板節(jié)點(diǎn)的承載能力。在加載后期,CT3和CT4的曲線顯著不同。前者的正曲線均高于后者,最大值分別為125 kN及120 kN,CT3正曲線平均值為119 kN,CT4正曲線平均值為116 kN,較CT3下降2.52%,這可以解釋為預(yù)制技術(shù)NW在沒有使用窗口,且箱形柱必須在中間被切斷的情況下,可以為箱形柱端板節(jié)點(diǎn)提供更好的抗變形能力,而CT3中端板節(jié)點(diǎn)的局部屈曲加速了其箱形柱端板破壞前承載力的下降[7-8]。

2.3 能量耗散

節(jié)點(diǎn)處的能量耗散能力也是地震性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖5(a)為不同箱形柱端板試樣節(jié)點(diǎn)的累積耗能隨漂移角的變化?？梢钥闯?試件箱形柱端板節(jié)點(diǎn)的總耗散能量與極限層間漂移角密切相關(guān)。所有節(jié)點(diǎn)的累積耗能在早期加載階段非常接近,但當(dāng)漂移角超過0.04 rad時(shí),顯示出不同程度的增長。CT2和CT3在0.07 rad時(shí)的累積能量耗散大約是CT1的1.32倍和1.47倍,表明對于目前提出的預(yù)制連接方式,YW預(yù)制技術(shù)可以為箱形柱端板提供較好的能量耗散。同時(shí),CT3的累積能量耗散大約是CT4在0.07 rad時(shí)的1.19倍。這可以解釋為預(yù)制技術(shù)NW,直接將箱形柱端板從中間切開,使節(jié)點(diǎn)不易發(fā)生扭斷現(xiàn)象。且由于NW技術(shù)在節(jié)點(diǎn)處使用高強(qiáng)度螺栓,減少箱形柱端板節(jié)點(diǎn)塑性變形能力,CT4在失效時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的能量耗散能力。

圖5(b)為等效黏性阻尼系數(shù)對層間漂移角的變化。在整個(gè)加載過程中,CT2的曲線幾乎包圍了CT1的曲線,且CT1及CT2其最大值0.17 rad,0.25 rad,這表明XW預(yù)制技術(shù)在柱壁上開窗,安裝螺栓和端板會(huì)產(chǎn)生更多地耗散能量。主要原因?yàn)樵谙湫沃嗣鎮(zhèn)让骈_窗口,可以將內(nèi)套筒、上柱和頂部節(jié)點(diǎn)更緊密地結(jié)合在一起,可以將力分配給更多的部件來消散能量,從而保證節(jié)點(diǎn)具有較大的耗散能量。對于CT1和CT3來說,使用預(yù)制技術(shù)YW會(huì)降低其變形能力,從而減少能量的耗散。另一方面,CT3在0.05 rad后表現(xiàn)出良好的能量耗散能力,這要?dú)w功于預(yù)制技術(shù)YW可以使梁翼緣顯著的局部屈曲變形。且可觀察到,在后期加載階段,CT3的曲線高于CT4,CT3正曲線平均值為0.15,CT4正曲線平均值為0.12,較CT3下降20%,表明預(yù)制技術(shù)YW可以使端板節(jié)點(diǎn)的變形耗散能量優(yōu)于其他預(yù)制技術(shù)條件下的節(jié)點(diǎn)變形,而且CT3的節(jié)點(diǎn)滑移比CT4更嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1)在使用預(yù)制框架的不同情況下,測試的節(jié)點(diǎn)可以分為半剛性和剛性。測試節(jié)點(diǎn)的極限層間位移角大于0.1 rad,在循環(huán)負(fù)載的節(jié)點(diǎn)中,而對應(yīng)于第一次斷裂的層間位移角大于0.07 rad,表明端板節(jié)點(diǎn)與箱形柱的延展性和變形性良好。

2)CT3滯回曲線較為完整,表明使用扭斷式高強(qiáng)度螺栓可以有效地提高端板節(jié)點(diǎn)的承載能力。且CT3的累積能量耗散較高,可以提高端板節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

3)從三種不同預(yù)制技術(shù)的節(jié)點(diǎn)性能比較來看,推薦XW和NW預(yù)制技術(shù)為首選技術(shù),而YW技術(shù)也能滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)端板節(jié)點(diǎn)的抗彎能力將受到端板厚度和柱壁厚度的影響,建議柱壁厚度略大于端板厚度,以獲得更大的抗彎能力,并充分利用板材的優(yōu)勢。