冷弯薄壁C型钢框架斜节点抗震性能试验研究

程建伟 （宣城职业技术学院建筑艺术系，安徽 宣城242000）

冷弯薄壁C型钢具有高强、重量轻、构件工厂化程度高、施工方便、劳动强度低、可再利用等优点［1］。在国内外有着广泛的应用。特别是抗震性能优良，结构整体抗倒塌能力强，同我国古代木结构体系相似，其优良的抗震性能，必将成为未来低层住宅及工业建筑结构发展支柱［2］，具有广阔的发展前景。冷弯C钢框架节点是冷弯薄壁型钢结构体系传力的核心区域，是这种结构体系的重要组成部分。目前，我国对这类结构体系斜节点抗震性的研究还不够充分。笔者设计了6个梁、柱斜节点，进行了拟静力试验来研究斜节点连接组件板域的应变分布、螺栓间距、节点板厚度对节点受力性能的影响。同时，研究了构造对斜节点承载力、刚度退化、延性及耗能性能的影响。得出了相关的结论，对该类结构设计及施工具有一定的参考价值。

1 冷弯薄壁C型钢框架斜节点试验

1.1 试验目的

研究各组件板域的应变分布、节点板板厚、螺栓间距等因素对节点区域受力性能的影响，获得节点在低周反复荷载作用下的滞回曲线；研究该类节点的破坏机理、刚度退化、承载力退化、延性及耗能性能。

图1 试件设计图

1.2 试验方案

试验制作6组C型钢梁柱斜节点，斜节点通过2块C型钢背靠背中间夹有钢板制成，采用高强螺栓连接。C型钢截面尺寸为C160×60×20×2.0，卷边半径为6mm；节点板为热轧曲线多边形钢板，上边界与梁上翼缘齐平，梁下加腋；采用8.8级∅16高强螺栓，简图如图1所示。

6组试件全部在工厂加工制作完成后，运输到实验室进行组装，确保构件加工质量达到设计要求。同时，为保证柱构件在平面内外的抗弯刚度，柱端用钢板焊死方式处理。

1.3 试验试件

试验各试件参数见表1所示。

表1 试件参数

1.4 加载装置

试验采用主要设备：30T推拉千斤顶1台，油泵1台。反力装置采用：试件压梁1个，水平限位梁2个，限位轨道梁2根，高强混凝土试块 （C60）2个，支撑架1个。试验装置布置如图2所示。千斤顶两端在反力墙与试件梁端的加载铰上，柱端固定地面，由水平限位梁限制水平位移及转角。高强混凝土试块作为构件竖向支撑。试件梁的上部设置2根限位轨道梁，保证试件平面内受荷，避免试件平面外产生过大位移，导致试验失败。

图2 试验装置

1.5 加载制度

据《建筑抗震试验方法规程》［3］的要求，试验前预加载2次，确保试验各部件协调工作。试验加载制度采用：力－位移混合控制。首先采用力控制，加载步长取2.5kN，逐级递增循环，试件屈服后改用位移控制，分级加载步长取9mm，每级循环3次。试验荷载值降到极限荷载的一半以下终止。

2 试件破坏现象及试验结果分析

2.1 试件破坏现象

6组试件从初始加载到达到极限荷载其破坏形变相似。千斤顶在梁端往复移动当中，6组试件除节点板产生形变外，其他部位均为发生明显形变。当试验加载到13kN左右，B－B截面 （见图1）附近节点板出现测点屈服，随后节点板产生形变。加载达极限值约80%，节点板向外的鼓曲变形增大，在A－A截面（见图1）附近的翼缘出现屈曲，相关测点均屈服。继续增大位移后，节点板发生平面外的弯曲扭转，试件B160－6，B200－6与B240－6三个试件节点板较厚，承载能力好于B160－4，B200－4与B240－4试件。各试件破坏形式见图3所示。

图3 各试件的试验现象

2.2 试验结果分析

据采集的数据可获得试件的梁端荷载－梁端位移 （P－Δ）滞回曲线。

1）滞回曲线 滞回曲线［4］能够反映结构在反复作用力过程中的位移荷载曲线变形特征、刚度退化及变形能量消耗，它是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据。

从图4试件的滞回曲线知，4个试件的滞回曲线均呈典型的梭形，滞回环形状饱满，反映试件弹塑性位移大，塑性变形能力好，抗震性能强。

2）骨架曲线 骨架曲线［5］是在研究非弹性地震反应时是很重要的，它是每次循环的 滞回曲线达到最大峰点的迹线，在任一时刻的运动中，峰点不能超过骨架曲线。连接滞回曲线各加载级第一次循环的峰点可以得到试件的骨架曲线。试件骨架曲线对比图如图5所示。

从图5可以看出，在低周反复荷载作用下，试件都经历了弹性极限点、最大荷载点。试件在推力过程和拉力过程有所不同。弹性极限点前，试件的骨架曲线基本为一直线，变形基本上呈现弹性；进一步加载，骨架曲线开始弯曲，位移开始沿着骨架曲线的第二段增加，荷载增长滞后于变形，试件刚度降低，随位移增加，直至达到最大荷载点。变形增长速度明显大于荷载递减速度。在试验现场过程中即时记录数据，得到试件屈服荷载 （Py）及位移（Δy），极限荷载（Pu）及位移（Δu）、最大荷载（Pmax）及位移（Δmax），参见表2所示。

图4 各试件的滞回曲线图

图5 试件骨架曲线对比图

3 抗震性能研究

3.1 延性

延性［3］是指截面或构件在承载能力没有显著下降的情况下承受变形的能力，其含义是构件破坏以前截面或构件能够承受最大的塑性变形。节点延性的好坏可以用延性系数来表示，文献 ［3］规定延性系数μ为：

式中，Δu为构件的承载能力下降到85%极限承载能力时的极限位移，mm；Δy为屈服位移，mm。

表2 骨架曲线计算结果

从表2可以看出，试件的延性系数在2.7～5.5之间，虽然大于混凝土结构所要求的延性系数2.0，但同其他轻钢结构端板连接节点、冷弯型钢双腹板上下角钢连接节点［5］及钢管混凝土梁柱节点［6］相比，主要体现在推力加载过程中延性不足，各试件在推力的过程中的延性系数 要比拉力的过程略低，在拉力加载过程当中延性表现良好。

3.2 承载力退化

根据文献 ［3］的定义要求，用承载力降低系数表示试件的承载力退化：

从表3可以看出，各试件承载力退化系数在0.89～0.99之间，平均在0.96左右，承载力退化稳定，说明加载循环次数对试件承载力影响不大。

表3 试件循环加载承载力退化系数表

3.3 刚度退化

依据文献 ［3］，采用割线刚度法研究试件的刚度退化。割线刚度Ki按式（3）计算：

式中，Fi为第i次峰点荷载值，kN；Xi为第i次峰点位移值，mm。试件刚度退化对比如图6所示。

从图6可以看出，所有试件在每一级循环加载后，都有较大刚度退化。在每一级3次循环加载中试件刚度也发生了退化，退化速度趋于均匀平缓。通过分析可知，当螺栓无滑移时，节点的刚度主要由垫板厚度和螺栓间距来决定。垫板厚度越大，刚度退化的幅度越均匀；当螺栓产生滑移时，会导致节点板刚度退化明显。

图6 各试件节点刚度退化图

3.4 耗能情况

依据文献 ［3］，笔者采用等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E来衡量节点的能量耗散能力。耗能性能示意图如图7所示。等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E的公式如下：

4个试件等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E（这里只列出代表性数据）如表4所示。

图7 能量耗散示意图

表4 等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E表

从表4可知，随着加载等级的提高，试件的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数随之降低。试件的等效粘滞阻尼系数均在0.35～0.5之间，同其他轻型钢结构相比，耗能性能基本相当。

4 结 论

（1）高强螺栓连接的垫板式C型钢节点平面内有3种破坏形式：节点板抗弯承载力破坏、孔壁挤压破坏、C型钢抗弯承载力破坏。

（2）通过延性系数比较可知，C型钢斜节点框架结构延性高于一般混凝土结构，延性同其他轻钢结构比较基本持平。

（3）C型钢斜节点承载力退化稳定，循环加载次数对试件承载力影响小；节点初始几何缺陷对试件无影响。6组试件推力加载中的承载能力比拉力过程中的低。

（4）6组试件初始刚度退化都比较明显，薄垫板试件刚度退化不明显。6组试件在位移控制阶段中，刚度退化均匀平缓。

（5）C型钢斜节点等效粘滞阻尼系数he与能耗优于其他轻钢节点。

［1］陈绍蕃，顾强 .钢结构 ［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［2］彭晓彤，林晨，满杰 .轻钢结构住宅体系发展现状 ［J］.四川建筑科学研究，2005（6）：18－21.

［3］JBJ101－96，建筑抗震试验方法规程 ［S］.

［4］沈祖炎，李元齐 .高强冷弯薄壁型钢住宅结构抗震性能研究报告 ［D］.上海：同济大学建筑工程系，2007.

［5］王军 .冷弯薄壁型钢框架半刚性节点动力性能试验研究及有限元分析 ［D］.重庆：重庆大学，2005.

［6］高春彦 .矩形钢管混凝土梁柱节点抗震性能的试验研究 ［D］.包头：内蒙古科技大学，2007.