不同连接方式的不锈钢梁柱节点抗震性能试验研究

王元清　 乔学良　 贾连光　 张天雄　 蒋庆林

(1清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084)(2沈阳建筑大学土木工程学院, 沈阳 110168)(3天津大学建筑工程学院, 天津 300072)(4江苏东阁不锈钢制品有限公司, 盐城 224212)

在建筑结构实际应用过程中,碳素钢暴露出很多缺点[1]．近年来,世界各地发生的大地震中碳素钢梁柱节点按照当时规范设计后发生了不同程度的脆性破坏[2-4],节点抗震性能不理想．不锈钢结构凭借其良好的综合性能、优良的延展性能、美观的造型等优点,在建筑结构行业中备受关注[5-7]．

国内外研究者们已经对不锈钢材料、构件及螺栓性能方面展开了相关研究,但并未涉及不锈钢结构梁柱节点抗震性能．栓焊混接节点在普通碳素钢结构中应用广泛,但由于不锈钢材料表面未经处理时抗滑移系数很小[8],摩擦型连接难以实现．考虑到不锈钢材料良好的延展性能,将摩擦型连接与承压型连接进行混用,可以减小不锈钢栓焊混接中的滑移问题．本文设计了5个工字形截面T型梁柱节点试件,选用S31608不锈钢材,在循环往复荷载作用下进行试验,比较其应力集中情况及承载能力和刚度的变化,以探求不同种类螺栓及剪切板是否围焊等因素对不锈钢结构梁柱节点承载力及抗震性能的影响,为我国不锈钢结构技术规程的完善与修订提供参考试验依据．

1　试验

1.1　试件设计

本文设计了2组试件，SP1～SP3为第1组试件，SP4～SP5为第2组试件，具体尺寸见表1.其中，试件SP1的螺栓采用不锈钢A4-80螺栓，试件SP2和SP3是在试件SP1基础上进行更换螺栓种类[9]而成的.试件SP4和SP5的梁截面尺寸在试件SP1的基础上进行了改变，其中试件SP4的剪切板进行了三面围焊.过焊孔按照《建筑抗震设计规范》[10]中的标准孔进行设计，所有梁柱翼缘与腹板之间的焊缝采用双面角焊缝.2组试件的截面型式见图1.

表1　试件明细表

(a) 第1组试件

(b) 第2组试件

图1试件节点域示意图(单位：mm)

1.2　加载及测量方案

1.2.1加载装置

试验加载装置如图2所示．试件平放,梁端由水平放置的伺服控制双向千斤顶施加拉、压作用力．在梁端施加循环往复荷载,直至构件完全破坏．限于实验室加载条件,梁端无法施加轴向荷载．

1.2.2加载制度

加载方式采用2阶段加载,弹性阶段分4级进行加载,每级循环1圏,以梁端峰值位移控制加载,各级加载峰值位移分别为Δ/4,Δ/2,3Δ/4和Δ,其中Δ为节点屈服位移,通过有限元计算获得．进入塑性后按屈服位移控制,增量为Δ,每级位移循环2次,根据有限元模拟结果,2组节点屈服位移分别为Δ1=8 mm,Δ2=4 mm．2组试件加载制度如图3所示．

(a) 设计图

(b) 实物图

(a) 试件SP1,SP2,SP3

(b) 试件SP4和SP5

1.2.3量测方案

试件材料选用S31608不锈钢,根据《金属材料拉伸试验方法》设计材性试件,经测定屈服强度为227 MPa,弹性模量为194 GPa．量测项目包括梁端荷载、加载点位移、梁柱相对转动、梁翼缘破坏预测点应力分布及梁腹板应力分布,测点布置见图2．

2　试验现象及破坏形态

2.1　试验现象

试件SP1在荷载达105 kN时,显示器中荷载位移曲线出现拐点,初步认为梁截面开始进入塑性阶段．荷载增加到176 kN时,梁下翼缘焊缝起皮并产生轻微裂纹．随着荷载的继续增大,梁上翼缘过焊孔处角焊缝开裂并伴有轻微响声．最后,过焊孔处梁上翼缘与腹板间的角焊缝突然断裂,并发出脆响．试件SP2的破坏形态与试件SP1类似,弹性极限荷载与最大承载力都偏小．在荷载达到100 kN时梁翼缘进入塑性阶段,最终破坏为梁腹板和翼缘之间的角焊缝被撕裂,整个破坏过程中螺栓的滑移都不明显．

针对以上2个试件的破坏形态和位置,对其余3个试件的角焊缝进行了补焊加强．试件SP3的承载力得以提高,在荷载达到117 kN时,梁翼缘开始进入塑性阶段,弹性极限荷载增大．但由于补强了梁翼缘与腹板间的角焊缝,最终破坏发生在柱翼缘与腹板间角焊缝处．

试验前对试件SP4柱子的角焊缝进行了加强．荷载为151 kN时,梁翼缘开始进入塑性阶段．荷载达到266 kN时,梁上翼缘过焊孔处角焊缝与下翼缘过焊孔处的焊缝都产生了轻微裂纹,并伴有轻微响声．随荷载的进一步增加,距柱翼缘105 mm处的梁翼缘出现明显屈曲变形,最大变形为9.845 mm．随后,剪切板焊缝被拉裂．最终破坏状态为柱翼缘与腹板间角焊缝被拉裂失去承载力．

试验前对试件SP5节点域的角焊缝进行了加强,破坏状态最为理想．荷载为139 kN时,梁翼缘开始进入塑性阶段．随着荷载的增大,梁下翼缘在距离柱翼缘75 mm处发生弯曲,形成理想的塑性铰．最终破坏形态为塑性铰处翼缘板材料被拉裂．

2.2　破坏形态

各试件破坏位置见图4．由图可知,5个试件呈现出不同的破坏特征和塑性变形能力．主要破坏形态包括焊缝低周疲劳脆断和翼缘板疲劳断裂．其中,焊缝疲劳断裂出现在不同的开裂位置,分别为翼缘板与腹板间的角焊缝、剪切板与柱翼缘板间的角焊缝以及梁翼缘板与柱翼缘板间的全熔透焊缝．因此,焊缝质量是影响节点低周疲劳特性的主要因素．

综上可知,焊接质量是影响节点断裂位置的主要因素．相比传统的普通碳素结构钢,不锈钢材料韧性较好,塑性变形能力强,不容易断裂．在不断拉压过程中,梁翼缘屈曲程度越来越大,导致过焊孔处角焊缝被拉裂．后续可参考日本JASS 6(2007)规范、美国FEMA350规范、《高层民用建筑钢结构技术规程》[11]对过焊孔孔型进行改进,改善其应力分布．

3　试验结果与分析

5个试件的极限荷载、最大位移以及塑性极限转角等力学性能参数见表2．其中,极限荷载和最大位移为节点失去承载能力时对应的荷载和位移;弹性极限荷载和弹性极限位移可通过骨架曲线利用图解法[12]确定．5个试件的滞回曲线见图5．

(a) 试件SP1

(b) 试件SP2

(c) 试件SP3

(d) 试件SP4

(e) 试件SP5

(a) 试件SP1

(b) 试件SP2

(c) 试件SP3

(d) 试件SP4

(e) 试件SP5

节点类型试件编号最大承载力/kN最大位移/mm塑性极限转角/10-2rad弹性极限荷载/kN弹性位移/mm标准型1SP124120259929332910514012129达克罗88级SP223540660747337510398111654不锈钢A4⁃70SP325164159491330511712312897三面围焊SP43467315154442951511398457标准型2SP53486626269152241399298274

3.1　滞回特性

由试验结果可知,5个试件都具有较好的延性．相对于碳素钢而言,不锈钢材料在塑性和韧性性能方面较为突出,且本试验对试件中螺栓的连接方式进行了改进,因而5个试件在试验中都呈现出较好的承载性能和抗震性能．

试件SP2采用达克罗8.8级高强螺栓连接腹板与剪切板,试件SP3采用不锈钢A4-70螺栓连接,与试件SP1相比,滞回曲线圈数基本相同,塑性极限转角也基本相同,都超过0.03 rad．可见,不同种类的螺栓对此类型节点的滞回性能影响较小．

三面围焊型试件SP4比试件SP5滞回圈数少,塑性极限转角比试件SP5减少了17.78%．究其原因在于,剪切板三面围焊后增加了节点域刚度,对焊缝强度要求更高,而且试件SP5进行了补焊加强,充分发挥了其材料的良好塑性性能,因而滞回性能更好．

各试件在循环加载过程中滞回曲线都比较平滑,无捏缩现象,说明螺栓产生的滑移比较小．按照摩擦型连接配制螺栓个数,按照承压型连接开孔受压,前期仍由摩擦力抗剪,摩擦力失效后则由螺栓承压抗剪,此改进减小了螺栓的滑移量．

3.2　承载力分析

由滞回曲线可以看出,试件SP5的塑性变形发展最充分,达到塑性极限强度后曲线平稳下降,最终产生塑性铰后破坏．试件SP1～试件SP4虽然最终是以梁柱不同位置处焊缝开裂而终止加载,但都已发挥了很大程度的塑性变形．

试件SP2的最大承载力较试件SP1下降2.4%,原因可能是高强螺栓高温镀锌导致强度下降．试件SP3比预期值高,主要是因为不同种类的螺栓对承载力影响较小,且试验中对过焊孔处焊缝进行了补强．

试件SP5对焊缝进行了补焊加强,塑性发挥最充分．试件SP4虽未对焊缝进行加强,但由于三面围焊有效控制了节点板连接处螺栓滑移,其承载力与SP4几乎相同．

3.3　试验结果对比

由于不锈钢S31608材料与Q235碳素钢力学性能较为接近,本试验中的试件SP1，SP2，SP3与文献[16]中标准试件尺寸相同,因此两者具有可比性．试验结果对比见图6(a)．由图可知,在极限承载力和抗震性能方面,不锈钢节点都要优于Q235节点．不锈钢节点的塑性极限转角都达到了0.033以上,比Q235节点增大约48.9%．若对节点域梁翼缘的局部构造和形式进行改进,使塑性铰外移[13-14],抗震性能还能有所改进．

(a) 不锈钢节点SP1与Q235标准型节点

(b) 不锈钢栓焊节点SP4与不锈钢端板节点

试件SP4,SP5与王元清等[15]设计的5个不锈钢端板连接试件尺寸及材料均相同,试验结果对比见图6(b)．由图可知,与端板连接节点相比,不锈钢栓焊连接节点的承载性能和抗震性能较为优异,这是因为端板连接滑移较大,滞回曲线的捏缩效应较为明显．

通过ABAQUS通用有限元程序建立计算模型．将有限元模拟结果与试验结果列于表3．通过计算两者所对应的极限承载力和极限位移的误差值,可以发现有限元模拟与试验结果相差不大,且有限元计算偏安全．

表3　有限元模拟结果与试验结果

4　结论

1) 焊接质量是防止节点脆性破坏的首要保证．特别是对于不锈钢材料而言,其优越的延展性能导致焊缝较母材更易拉裂．

2) 在焊缝破坏控制的前提下,栓焊节点中螺栓种类对承载力和抗震性能影响较小,综合考虑螺栓费用以及金属间腐蚀,建议在栓焊结点中使用不锈钢A4-70螺栓．

3) 试验中采用的过焊孔型式对节点域应力集中影响较大,多数试件的破坏位置发生在过焊孔处．

4) 通过采用摩擦型连接配置螺栓数量,按照承压型连接确定开孔尺寸,有效减小了螺栓间构件的滑移量,但所需螺栓数量较多．在实际工程应用中,可采取合理措施增大接触面间摩擦,进一步改善连接受力性能．

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