矩管柱与H形钢梁新型竖向外联式节点抗震性能试验研究

李晓润， 宋 波， 卞晓芳， 王 频， 吴昌栋， 陈水荣

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083； 2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

钢框架梁柱连接节点主要有刚性连接、半刚性连接和铰接连接；无论采用哪种型式的连接节点，其对钢结构的抗震性能起到非常重要的作用。近年来的多次地震中，传统的钢框架梁柱连接节点发生了大量脆性破坏，没有表现出应用的延性性能。国内外学者大量研究表明：钢框架抗震设计应以“强柱弱梁，强节点弱构件”[1]为原则，即当结构发生塑性变形时，塑性铰应优先出现在梁端，而非柱端；节点区破坏不先于构件。但该目标较为笼统，没有解决传统钢结构节点的固有缺陷。

Popov等[2]通过试验发现，梁柱节点在往复循环荷载作用下的破坏点通常位于焊缝附近。宋振森[3]对6个大尺寸T形强轴连接刚性节点进行了循环加载试验，结果表明，节点板厚度、梁翼缘塑性抵抗矩与全截面塑性抵抗矩的比值以及对接焊缝的质量对梁柱节点的性能影响较大。王新武[4]对3个狗骨式刚性节点进行了试验，结果表明，梁上翼缘与柱连接处对接焊缝的撕裂是节点破坏的主要原因，破坏时的抗弯承载力远没有达到梁全截面塑性弯矩抵抗矩。

然而，由于钢结构节点模型试验数据有限，对节点承载力的相关影响因素还未形成规律性结论，不利于准确描述节点性能。目前常规的矩管柱与H形钢连接节点需要在柱内焊接横隔板或者在柱外焊接环板，而新型矩管柱与H形钢梁竖向外联式节点取消了矩管柱内的隔板，减小了内隔板的焊接，使该节点更加适用于钢管混凝土组合结构中。并且该节点无需在矩管柱外增加环板，因而较为美观，便于建筑外进行装饰。本文通过模型试验与数值模拟，对新型矩管柱与H形钢连接节点的抗震性能进行研究，以期获得该节点的滞回耗能能力和应力分布，从而保证该节点具有良好的实用价值。

1 节点抗震性能试验简介

1.1 试验概况

为了验证该新型矩管柱与H形钢梁竖向外联式节点的抗震性能，采用足尺比例对该节点进行了加载试验。矩管柱截面为□350×350×12，柱上下约束面的距离为1 400 mm；钢梁截面为HN300×150×6.5×9，两约束点间的距离为3 200 mm；节点区钢牛腿长度为400 mm，试验构件牛腿处竖向肋板采用角钢焊接。钢牛腿与柱连接时，上下翼缘板采用剖口对接焊，腹板采用角焊缝，牛腿与梁的腹板间采用对接焊缝，其中对接焊缝均为I级，角焊缝为III级。试件三维视图和节点构造分别如图1和2所示。

图1 试件三维视图

1.2 试验装置及加载制度

试验的加载装置主要由反力架、千斤顶等组成。竖向千斤顶可以允许柱两端发生转动，确保竖向力的作用线始终与地面相垂直。现场加载模型如图3所示，加载中模拟的力学示意如图4所示。

试验采用低周往复加载的方式，先在矩管柱顶施加竖向力到预定的荷载，并确保该值在试验过程中恒定不变，然后再在梁端施加竖向往复荷载。本次试验中柱顶施加轴向荷载为1 200 kN，轴压比为0.23；梁端施加4级荷载，如图5所示；在第四级力加载完成以后改为位移加载，开始寻找屈服点，每级加载循环两次，直至结构破坏，如图6所示。其中荷载控制阶段加载速度为1～3 kN/s，观察屈服点时加载速度可以取2 kN/s，位移控制阶段可取1 mm/s。具体的加载方案如表1所示。

(a) 节点平面

(b) 节点立面

图3 现场加载装置

图4 试验加载受力简图

1.3 测试内容及测点布置

在梁柱节点核心区以测量应变为主，其应变花布置如图7(a)、(b)所示。在梁端加载点处设置位移计，通过数据采集系统测出该点的水平位移值。

图5 荷载控制示意

图6 位移控制示意

荷载步轴力/kN荷载控制阶段/kN位移控制阶段/mm1120030212006031200904120013351200206120020712003081200309120040101200401112005012120050131200601412006015120070(破坏)

本次实验对材料进行试验，从构件的柱、H形钢梁翼缘、牛腿翼缘及角钢处取得试样，每种试样取两根，并对试验结果取平均值。得到的材料本构关系曲线如图8所示。以H形钢梁翼缘板为例，材料试验数据如表2所示。

(a) 节点立面

(b) 节点平面

图8 材料本构示意

位置屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/MPa牛腿翼缘t=10440565166435565162柱t=12395540187.1400540132.5角钢t=14435580169.8425580114H型钢t=9430595169.7445600148.5平均值425.625570.625156.2

1.4 试验破坏现象

试件在位移加载到20 mm到40 mm的阶段，滞回曲线饱满，当荷载达到200 kN时构件开始屈服；而当位移达到50 mm时，构件中偶有爆裂声，但滞回曲线依旧饱满，无明显破坏；当位移加载到60 mm后，构件的一肢牛腿上侧翼缘板开始屈服，滞回曲线在第三象限开始出现变形；当位移第二次加载到60 mm时，同侧的牛腿上下翼缘板均出现不同程度的屈服，变形急剧增加；当位移加载达到70 mm时，钢梁于牛腿连接处翼缘被拉断，构件破坏。如图9所示。

(a) 节点正视图

(b) 节点俯视图

1.5 节点的抗震性能及分析

试验的目的主要为确定构件的整体刚度和强度，以及其抗震性能和塑性铰出现位置。塑性铰的位置通过所有应变片进行应力分析，找到先到达极限应力的位置；整体的刚度、强度和抗震性能均要以滞回曲线为基础进行分析。图10所示是试件的荷载-位移滞回曲线。

由图10可以看出，试件的滞回曲线平滑饱满，试件的变形主要是由于牛腿的上翼缘发生屈曲，上下翼缘变形不一致所致。当位移加载达到30 mm前，节点刚度基本不变，与骨架线中得到的屈服位移一致，进入塑性变形后，刚度开始退化。这在某种程度上也反映出该节点具有良好的抗震性能。

2 节点抗震性能有限元分析

在进行节点模型试验的同时，利用有限元分析软件ABAQUS对该新型节点进行了循环加载模拟试验，以便验证有限元分析的有效性以及精度，为节点的参数分析提供依据。

图10 试验滞回曲线

2.1 有限元模型的建立

试件尺寸和连接构造按照图1和2确定。试件材料为Q345B，根据表2材料试验数据，取材料的屈服强度为570 MPa，梁、柱和各板件所用钢材都采用多线型随动强化本构模型。其中柱和梁都用实体8节点减缩积分C3D8R单元模拟。有限元模型见图11所示。

图11 数值模拟网格划分

2.2 节点抗震性能与实验结果对比

采用ABAQUS数值模拟时加载点、加载方式与模型试验基本一致。竖向轴力1 200 kN时，滞回曲线和骨架曲线的试验结果和数值模拟对比如图12(a)、(b)所示。从图中可以看出，数值模拟的结果与试验结果匹配度较高，滞回曲线均较饱满，骨架曲线相接近，均具有良好的延性。试验数值模拟结果的差异主要是由于牛腿的上翼缘发生屈曲，导致位移在50 mm后上下变形不一致。

通过节点的数值模拟应力图(见图13)可以看出，在牛腿翼缘及梁与牛腿交接的变截面处应力较大，荷载通过梁上下翼缘被传递给钢柱侧壁。同时，数值模拟结果与试验试件破坏的情况较为吻合，由于应力最大值出现在牛腿翼缘及梁与牛腿连接位置，因此试件破坏的位置也几乎在牛腿和钢梁翼缘。

2.3 节点参数分析

为了更多了解本节点受力特点，在数值模拟中进行参数化分析，讨论了梁柱壁厚对节点性能的影响。各模型参数,如表3所示。

(a) 滞回曲线对比

(b) 骨架曲线图对比

图13 试验模型应力图

表3不同梁、柱尺寸模型的几何特征

Tab.3Geometriccharacteristicsofdifferentsizesofbeamsandcolumns

模型编号梁型号柱型号M-1HN300×150×6.5×9□350×350×12M-2HN300×150×6.5×9□350×350×14M-3HN300×150×6.5×9□350×350×16M-4HN300×150×10×10□350×350×12M-5HN300×150×12×12□350×350×14M-6HN300×150×14×14□350×350×16

不同梁、柱尺寸模型的滞回曲线如图14所示。可以看出，不同柱子壁厚的模型其滞回曲线基本重合，柱子壁厚对于节点的抗震性能影响较小。但梁的翼缘和腹板的厚度对于节点的承载力和抗震性能有较大的影响，随着梁翼缘和腹板壁厚的增加，节点的初始刚度、屈服强度和极限承载能力具有明显的增大，抗震性能具有显著的提高。

(a) 不同柱壁厚

(b) 不同梁柱壁厚

同时，节点的耗能能力也可以用能量的耗散系数E来衡量。由图15可以看出，节点的能量耗散系数随着加载位移的不断增大而呈现增大的趋势。且柱子壁厚越大，能量耗散系数也越大。

3 结 论

新型矩管柱与H形钢梁竖向外联式节点取消了矩管柱内的隔板，减小了内隔板的焊接，方便了施工。并且该节点无需在矩管柱外增加环板，因而较为美观，便于建筑外进行装饰。针对新型矩管柱与H形钢梁竖向外联式节点，开展了往复加载试验以确定该节点的抗震性能，并通过数值模拟的方式验证了该新型节点具有良好的抗震性能。试验及数值模拟结果表明：

(1) 该节点的承载力较普通节点有显著地提高，同时在单调往复荷载作用下，良好的滞回能力，体现了较好的抗震性能。

(a) 不同柱壁厚

(b) 不同梁柱壁厚

(2) 通过数值模拟分析，可以看出该节点可以有效缓解梁柱节点应力集中的现象，同时，梁柱塑性铰位置向梁跨中移动，保证了强柱弱梁、强节点弱构件的设计理念。

(3) 同时，梁翼缘和腹板的厚度对于节点的抗震性能有较大的影响，增加翼缘和腹板的厚度可以显著提高节点的抗震性能。

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