方鋼管柱-鋼梁穿芯螺栓連接節點擬靜力試驗

樊建慧,王順華,黃炳生

(1.南京工業大學 土木工程學院,江蘇 南京 211800;2.句容市消防設計審查中心,江蘇 鎮江 212400)

方鋼管柱具有各向等強、抗扭剛度較大、承載能力較強、抗腐蝕性能好、組成結構輕巧美觀等優點;與H形鋼柱相比,用鋼量省,成本低;與圓鋼管柱相比,梁柱連接構造簡單,便于制作施工。方鋼管柱或方鋼管混凝土柱與H形鋼梁鋼框架結構在日本等國廣泛應用[1-2],國內也已開始研究,并在多層鋼結構房屋中進行應用[3-5]。但目前都是采用現場焊接的剛性梁柱連接方式,不能實現裝配化。

鋼框架的梁柱半剛性連接是通過高強螺栓和連接件(角鋼、T形鋼、端板等)把梁柱連接起來的。半剛性連接節點構造簡單,焊接工作在工廠完成,而在工地只需進行高強螺栓連接,施工速度快、質量易保證,構件和節點的加工容易實現產業化和標準化,現場可以實現裝配化,有利于解決目前我國建筑產業存在的建造周期長和勞動生產率低等問題,因此對方鋼管柱鋼框架梁柱的半剛性連接的研究很有必要。

國內外對H形鋼梁柱半剛性連接節點進行了較多研究[6-10],近年來,對方鋼管與H形鋼半剛性節點的研究逐漸開展。國外,France等[11]提出了矩形鋼管柱熱塑鉆螺栓連接節點,并對此連接進行了靜力性能的研究;日本開發出一種用于鋼管柱-H形鋼梁連接的單面擰緊螺栓(TCBB)[12]; Lee等[13]也對矩形鋼管柱-H形鋼梁單面擰緊螺栓連接進行了靜力性能研究;Waqas等[14]對采用盲眼螺栓和端板連接的方鋼管柱-H形鋼梁節點進行了靜力和循環加載試驗,研究了節點參數對節點抗震性能的影響。國內,李維偉[15]根據國外單面擰緊螺栓技術,對冷彎方管柱與H形鋼梁外伸端板連接和頂底角鋼連接進行了靜力有限元分析;王新堂等[16]通過在方管柱腹板上開圓孔,實現方管柱與H形鋼梁的螺栓連接,并進行了靜力試驗;李國強等[17]給出了矩形鋼管柱端板單向螺栓連接節點初始轉動剛度的理論計算公式;楊曉杰等[18]對矩形鋼管柱平齊式端板對拉螺栓連接節點的滯回性能進行了研究,節點抗彎剛度在后期下降很快,滯回曲線的捏攏效應明顯,在試驗的基礎上,提出了節點的恢復力模型。

然而,目前對方鋼管與H形鋼裝配式連接節點的抗震性能試驗研究較少。本文采用長螺栓穿過方鋼管柱,實現柱與H形鋼梁的裝配式連接,進行了2個采用方鋼管柱與鋼梁半剛性連接節點的擬靜力試驗,分析了循環荷載作用下節點的滯回性能、強度、延性、耗能能力、破壞特征等,為實現方鋼管柱與H形鋼梁的裝配式連接提供技術支撐。

1 試驗概況

1.1 試件設計

以鋼框架邊節點和中節點為試驗對象,根據試驗條件,設計、制作了2個方鋼管柱與H形鋼梁對穿螺栓節點試件STJB-01、STJB-02,結構如圖1所示。STJB-01為邊節點,STJB-02為中節點。采用H 250 mm×120 mm×5 mm×6 mm焊接鋼梁,柱為200 mm×200 mm×8 mm的冷成型方鋼管。鋼梁翼緣與T形連接件圍焊,2個T形連接件通過10.9級M16高強螺栓與方鋼管柱相連。鋼材為Q235-B,標準拉伸試驗結果:屈服強度(fy)=306.4 N/mm2,極限強度(fu)=417 N/mm2,彈性模量(E)=2.02×105N/mm2。

1.2 試驗方案

邊節點和中節點試樣的試驗裝置如圖2所示,為防止梁出現側向失穩,在梁端設置側向支撐,使梁端只能上下移動而不能發生側向位移。柱的上下端為鉸支座,柱頂由千斤頂施加軸向荷載,梁端采用4個千斤頂施加反對稱往復循環荷載,通過液壓控制系統進行同步加載。

先分5級在柱頂施加荷載至N=250 kN,然后在梁端反對稱施加豎向荷載,每級加載約為預估屈服荷載的20%,接近預估屈服荷載時,每級加載約為屈服荷載的10%,加載到節點出現屈服;屈服后在梁端施加豎向低周反復荷載,加載改由位移控制,取屈服位移為位移步長,每級循環反復加載3次,直到試件破壞。

在每個試件梁端各布置1個位移計以測量該處的豎向變形,在靠近節點區梁柱間設置位移計以測量節點轉角(圖3)。為了了解節點的應力狀態和傳力機制,在H形鋼梁翼緣、方鋼管柱翼緣及腹板和T形連接件上布置了應變計,如圖3所示。

圖3 應變計布置(mm)Fig.3 Strain gages layout (mm)

2 結果與討論

2.1 試驗過程及現象

對試件STJB-01組裝時,對10.9級M16高強螺栓按規范標準施加100 kN預拉力后,方鋼管柱翼緣由于面外受拉出現了向內的凹曲變形。梁端荷載按每級15 kN逐漸施加,荷載達到71.82 kN時,由于側向支撐設計上的不足,鋼梁出現了側向扭轉,梁端千斤頂加載偏心,糾正后繼續加載,每級5 kN。由于對試件承載力估計不足,靜力加載直至112.86 kN。對STJB-01試樣進行低周反復加載試驗,由于鋼梁側向扭轉變形的影響,使得試件在第1個循環未完成時,鋼梁翼緣就出現了屈曲變形(圖4(a)),當梁端位移為53.23 mm時,梁端荷載(Pu)達到最大,為128.25 kN。破壞時,T形連接件與方鋼管柱之間出現較大的間隙,T形連接件翼緣變形較大,方鋼管柱腹板出現較大的鼓曲現象(圖4(b)),與T形連接件端板相接觸的方鋼管柱翼緣變形更大(圖4(c))。這是由于方鋼管柱翼緣和T形連接件翼緣都承受來自螺栓的面外拉力,從而導致翼緣發生較大的內凹曲變形及腹板的向外鼓曲變形。

圖4 STJB-01試件破壞情況Fig.4 Failures of STJB-01 specimen

與試件STJB-01一樣,對試件STJB-02組裝時,對10.9級M16高強螺栓按規范標準施加100 kN預拉力后,方鋼管柱壁出現向內凹曲變形(圖5(a))。對試件STJB-02進行靜力加載,梁端荷載按每級12 kN逐漸施加,當梁端荷載到第6級加載后,進行低周反復加載。當梁端位移達到45.00 mm時,方鋼管柱壁鼓曲變形較大(圖5(b)),穿芯高強螺栓的螺帽出現松動;當梁端位移為106.18 mm時,梁端荷載達到最大,為71.82 kN,之后梁端荷載開始下降。由于方鋼管柱腹板的鼓曲,節點進入大變形階段(圖5(c)),剛度退化嚴重,當梁端位移為114.59 mm時,梁端荷載為61.56 kN,停止加載。由于對鋼梁的側向支撐進行了改進,有效地防止了鋼梁的側向扭轉變形,保證了試驗的正常進行。

圖5 STJB-02試件破壞情況Fig.5 Failures of STJB-02 specimen

2.2 靜力性能

試件單調加載時,梁端荷載-位移及彎矩-轉角曲線分別如圖6和7所示。由圖6和7可以看出:在靜力加載初期,梁端荷載與位移之間的關系基本呈直線變化,節點也處于彈性工作狀態;而彎矩-轉角曲線在荷載較小時就有非線性關系。試件的屈服荷載、屈服位移、節點彈性極限轉角和彎矩以及初始轉動剛度如表1所示。由表1可知:STJB-02的屈服位移比STJB-01的大,這是因為十字形節點兩側梁端均有荷載作用;STJB-01與STJB-02初始轉動剛度相差不大,但STJB-02初始轉動剛度略大,這可能是由于STJB-01在高強度螺栓擰緊時，方鋼管柱產生的凹曲變形較大。

圖6 試件的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens

圖7 試件的彎矩-轉角曲線Fig.7 Moment-rotation curves of specimens

表1 試件彈性特性

2.3 滯回曲線和骨架曲線

試件STJB-01和STJB-02的滯回曲線分別如圖8和9所示。由圖8可知:由于鋼梁在一周循環加載還沒有完成,就過早地側向失穩破壞,滯回曲線不完整,但仍可以看出滯回曲線的捏攏現象。由圖9可知:第1級荷載循環下的滯回曲線呈梭形;但在第2級荷載循環下,試件剛度退化,滯回曲線呈S形,出現明顯的捏攏現象,該級荷載為試件的最大荷載(71.82 kN),這主要是由于試件在71.82 kN荷載作用下,方鋼管壁出現了明顯的屈曲變形。試件STJB-02的骨架曲線如圖10所示。由圖10可知:梁端荷載-位移與節點彎矩-轉角骨架曲線具有非常相似的形狀,骨架曲線可以分為彈性階段、強化階段和破壞階段,可以用雙線性曲線表達。根據STJB-02的骨架曲線得到的試件特征值見表2,試件位移延性達到了3.36。試件STJB-02滯回曲線的能量耗散系數為1.39,等效黏滯阻尼系數為0.22,這表明STJB-02遠小于方鋼管混凝土柱穿芯螺栓端板連接節點、H形鋼柱端板連接節點及方鋼管混凝土柱剛性節點的耗能能力[19-22]。

圖8 試件STJB-01滯回曲線Fig.8 Hysteresis loops of STJB-01 specimen

圖9 試件STJB-02滯回曲線Fig.9 Hysteresis loops of STJB-02 specimen

圖10 試件STJB-02骨架曲線Fig.10 Envelop curves of STJB-02 specimen

表2 試件STJB-02的特征值

2.4 應變分析

圖11為試件T形連接件腹板6#、7#和8#處的應變。由圖11可以看出:T形連接件腹板上的應變大致呈中部較小而兩側較大的U形對稱分布,隨著鋼梁端部荷載的逐漸增大,T形連接件腹板在柱角位置的應變增大較快,而截面中間增大較慢,而且隨著荷載增大,這種不均勻性增大。STJB-01在靜力加載超過61.56 kN后,T形連接件腹板在柱角位置開始屈服,但在進入循環加載前,腹板中部應變仍在彈性范圍;STJB-02在循環荷載達到最大值71.82 kN時,T形連接件腹板在柱角位置屈服,腹板中部應變仍在彈性范圍,拉應變與壓應變呈相同規律。

圖11 T形連接件腹板應變分布Fig.11 Strain on section of the T web

圖12和13分別為STJB-02試件T形連接件腹板和鋼梁翼緣的應變隨荷載變化曲線。由圖12和13可以看出:當節點發生破壞時，6#、8#處在正向荷載下已達屈服,其他各應變片始終處在彈性階段,說明STJB-02半剛性節點主要在T形連接件腹板發生塑性變形。梁端彎矩主要通過鋼梁翼緣和T形連接件傳給高強螺栓與方鋼管柱。6#與8#、9#與10#、11#與12#、13#與14#的應變變化形狀分別大致相同,說明側向支撐改進后對鋼梁端部形成有效的側向支撐,使梁端加載基本保持對中。

圖12 STJB-02試件T形連接件腹板應變隨荷載變化曲線Fig.12 Strain on the T web varying with the load of STJB-02 specimen

圖13 STJB-02試件鋼梁翼緣應變隨荷載變化曲線Fig.13 Strain on the beam flang varying with the load of STJB-02 specimen

圖14為STJB-02試件節點區1#、2#、3#、5#處應變隨荷載變化曲線。由圖14可以看出:方鋼管柱腹板各應變花處鋼材均達到屈服,但應變曲線包圍的面積較小,表明節點的耗能能力差,這是由于方鋼管柱出現了嚴重的鼓曲變形。鋼梁腹板中部的5#應變花在3個方向的應變均較小,說明鋼梁的腹板受力較小,腹板有很高的承載力。

圖14 STJB-02試件節點區應變隨荷載變化曲線Fig.14 Strain on panel zone varing with the load of STJB-02 specimen

3 結論

1)由于方鋼管柱壁較薄,在施加螺栓預拉力時,面外受拉發生內凹曲變形,從而降低了節點的承載力。

2)由于方鋼管柱壁的屈曲,方鋼管柱-H形鋼梁對穿螺栓連接節點的滯回曲線發生捏攏現象,節點抗震性能差,能量耗散系數和等效黏滯阻尼系數遠小于方鋼管混凝土柱、H形鋼柱端板連接節點。

3)方鋼管柱-H形鋼梁對穿螺栓連接節點的骨架曲線可以分為彈性階段、強化階段和破壞階段,可以用雙線形曲線表達。當節點破壞時,T形鋼腹板達到屈服,但應變分布不均勻。

4)方鋼管柱-H形鋼梁對穿螺栓連接宜在節點區對柱壁進行加強,從而提高節點的承載力和耗能能力。