盖板加强型节点局部试件断裂性能试验研究

(1.青岛理工大学土木工程学院， 山东青岛266033;2.重庆长夏安基建筑设计有限公司济南分公司， 山东济南250100)

0 引言

钢框架梁柱节点焊缝区域是影响整个结构断裂的关键部位[1-5]。介于全尺寸节点模型造价较高且试验操作复杂的局限性，DEXTER等[6-10]使用局部试件针对节点焊缝进行试验研究，结果表明局部试件的研究方法可靠有效，适宜开展大批量研究。在役多年钢框架的焊缝会产生不同程度的缺陷或损伤，在强震作用下，这些焊缝缺陷及损伤容易导致焊缝断裂，危害节点安全。本文针对盖板加强型节点局部试件进行试验，集中研究该类节点焊缝的断裂机理，探讨加载速率、加强板厚度和焊缝缺陷对盖板加强型节点断裂性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

在役多年的钢框架遭遇地震作用时，梁柱节点下翼缘处易发生脆性破坏，其原因主要包括：下翼缘焊缝施工时操作空间受限，焊接质量无法保证[11]；梁上放置的组合楼板使得梁下翼缘受力增大[12]。基于上述原因，本文局部试件选取区域如图1(a)所示。为满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[13]和《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[14]的要求，图1(a)中梁、柱截面尺寸分别为HN 200×100×5.5×8、HW 200×200×8×12。本文设计制作了11个盖板加强型节点局部试件进行单向拉伸试验，试件材料强度为Q235，加强板尺寸参考王燕等[15]给出的建议值：加强板的长度为梁高的0.5～0.8倍;厚度为梁翼缘厚度的0.7～1.2倍。最终试件加强板长度为160 mm，宽度为130 mm，CP1系列试件加强板厚度为6 mm，CP2系列为8 mm。具体试件尺寸如图2所示。

(a) 局部试件选取位置

(b) 局部试件构造

(c) 局部试件照片

(a) CP1系列试件细节

(b) CP2系列试件细节 单位：mm

根据已有研究结论，节点断裂性能受裂纹位置影响[16]，故本次试验在对接焊缝及角焊缝位置设置裂纹，具体如图3、表1所示。DT系列表示在对接焊缝处设置沿焊缝长度方向通长的裂纹，其中DT1裂纹位于柱翼缘与对接焊缝融合处，DT2位于对接焊缝中部，DT3位于对接焊缝与加强板融合处；DG表示在对接焊缝处设置沿板厚方向贯穿的裂纹；JT表示在角焊缝处设置沿焊缝长度方向通长的裂纹；JG表示在角焊缝处设置沿梁厚方向贯穿的裂纹；X表示未设置裂纹缺陷。DT系列裂纹深度为2 mm；JT型裂纹深度为0.5 mm，JG宽度为5 mm。

(a) DT1

(b) DT2

(c) DT3

(d) DG

(e) JT

f) JG

试件编号加载速率/(mm·min-1)加强板厚度/mm缺陷类型CP1A10.66无CP1A23.06无CP1A36.06无CP1DT13.06对接焊缝处通长裂纹CP1DT23.06对接焊缝处通长裂纹CP1DT33.06对接焊缝处通长裂纹CP2X3.08无CP2DT33.08对接焊缝处通长裂纹CP2JT3.08角焊缝处通长裂纹CP2DG3.08对接焊缝处贯穿裂纹CP2JG3.08角焊缝处贯穿裂纹

1.2 试验装置与测点布置

试验通过100 t电子拉力机施加单向拉伸荷载。试验中由夹具直接夹紧试件，位移加载速率见表1，试验装置如图4(a)。为得到试件在试验中的应变分布，参考文献[17]的测量方法，在梁柱焊接处、盖板与梁翼缘焊接处焊缝附近的梁翼缘上分别布置应变片，测点布置见图4(b)。

(b) 测点布置图 单位:mm

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏形态

盖板加强型节点局部试件的试验现象及荷载位移曲线如图5、图6及表2所示。

(a) CP1A

(b) CP1A2

(c) CP1A3

(d) CP1DT1

(e) CP1DT2

(f) CP1DT3

(g) CP2X

(h) CP2DT3

i) CP2JT

(j) CP2DG

(k) CP2JG

图5 试件破坏形态Fig.5 Failure modes of specimens

(a) 加载速率不同

(b) 加强板厚度不同(无缺陷)

(c) 加强板厚度不同(含缺陷)

(d) 对接焊缝缺陷不同(CP1型)

(e) 对接焊缝缺陷不同(CP2型)

(f) 角焊缝缺陷不同

图6 试件荷载位移曲线
Fig.6 Test results of specimens in P-δcurves

试验加载过程中，各试件发生了不同程度的滑移，导致图6中位移值偏差过大。由图5及表2可知，在单调拉伸荷载作用下，试件可按照破坏形态分为两组：一组是CP1A1、CP1DT1、CP1DT2、CP1DT3、CP2X、CP2DT3，破坏形态为梁翼缘板颈缩断裂，且加强板端部角焊缝出现裂纹；另一组是CP1A2、CP2JT、CP2JG，破坏形态为加强板端部角焊缝断裂，梁翼缘板无明显颈缩。试验过程中，若试件断裂时加载速率过高会对电子拉伸机造成损伤，故加载速率为6 mm/min的CP1A3试件未加载至断裂，加载停止时梁翼缘板产生较大的颈缩，加强板端部角焊缝出现宏观裂纹；CP2DG试件在电子拉力机夹持时发生倾斜，破坏形态为夹持区断裂，无法进行对比研究。试验中CP1A1及CP1DT3应变数据采集失败，无法在图7、图8中展示相关试验数据。

(a) CP1A2

(b) CP1A3

(c) CP1DT1

(d) CP1DT2

(e) CP2X

(f) CP2DT3

(g) CP2JT

(h) CP2DG

(i) CP2JG

(a) CP1A2

(b) CP1A3

(c) CP1DT1

(d) CP1DT2

(e) CP2X

(f) CP2DT3

(g) CP2JT

(h) CP2DG

(i) CP2JG

2.2 试验结果分析

为研究加载速率、加强板厚度、焊缝缺陷对局部试件断裂性能的影响，本研究从试件破坏形态、承载能力及截面应变分布三个方面进行分析。

2.2.1 加载速率的影响

试验以几何尺寸完全相同，且未设置初始缺陷的试件CP1A1、CP1A2、CP1A3为研究对象，分别施加0.6、3、6 mm/min的加载速率。由图5和表2可知，各试件的破坏形态不尽相同：①试件CP1A1(加载速率0.6 mm/min)，其破坏形态为梁翼缘处颈缩断裂，同时在加强板端部角焊缝两端出现肉眼可见的细微裂纹；②试件CP1A2(加载速率3 mm/min)，破坏形态为加强板端部角焊缝处断裂，整体塑性变形较小；③试件CP1A3(加载速率6 mm/min)，未能加载至断裂，试件梁翼缘板产生较大的颈缩，加强板端部角焊缝出现明显的宏观裂纹。在试验加载过程中，三个试件的对接焊缝及侧面角焊缝均未观察出明显裂纹。试件在加载过程中出现了不同程度的滑移，整体伸长量无法进行对比分析，故选取荷载位移曲线中试件屈服状态至极限状态之间的位移伸长量进行对比分析。在图6(a)中，CP1A1屈服至极限的位移伸长量为14.28 mm，而CP1A3为9.74 mm，二者位移伸长量相差46 %，可见提高加载速率会降低局部试件的塑性变形能力。由图7和图8所示的截面应变分布情况分析，图7中路径1上应变分布区别不大，加载速率对试件对接焊缝断裂性能无明显影响；图8表现出各试件路径2处应变分布区别不大，但远高于对接焊缝，角焊缝处断裂风险较高。综合以上分析可知，在单向拉伸条件下，加载速率的提高会造成试件塑性变形能力下降，且试件加强板端部正面角焊缝发生断裂的风险高于对接焊缝和侧面角焊缝。

2.2.2 加强板厚度的影响

综合图5及表2可知，两组不同加强板厚度的试件中，一组为未设置缺陷的试件CP1A2和CP2X，其中CP1A2试件在加载初期产生滑移，且本身可能存在一定加工缺陷，导致试样突发脆性断裂，极限承载力较低，而CP2X试件为梁翼缘颈缩后断裂，加强板端部角焊缝出现裂纹；另一组为设置相同缺陷的试件CP1DT3和 CP2DT3，这组试件破坏形态相似，均表现为梁翼缘板颈缩断裂，并且加强板端部角焊缝出现裂纹。由表2可知，CP1A2、CP2X屈服荷载、极限荷载分别为244.3 kN与241.15 kN，333.57 kN与339.18 kN，两试件相差不大；CP1DT3和CP2DT3屈服荷载、极限荷载分别为239.88 kN与241.64 kN、338.92 kN与336.52 kN，数值差均小于1 %。由图7及图8 可知，试件CP1A2与CP2X在各路径应变分布区别不大，但路径2处应变明显大于路径1，角焊缝处断裂风险较高。由以上分析可知，在单向拉伸荷载作用下，加强板厚度变化对局部试件的力学性能影响并不明显，试件角焊缝处断裂风险较高。

2.2.3 对接焊缝缺陷的影响

将设置对接焊缝缺陷的试件分为两组进行研究，一组为加强板厚度为6 mm的CP1系列试件(CP1A2、CP1DT1、CP1DT2和CP1DT3)，另一组为加强板厚度为8 mm的三个CP2系列试件(CP2X、CP2DG和CP2DT3)。分析图5可知，除去可能存在加工缺陷的CP1A2试件和夹持区偏移的CP2DG试件以及角焊缝热影响区母材出现贯穿裂纹的CP1DT2，两组试件中剩余试件破坏模式相似，均为梁翼缘板颈缩断裂，且加强板端部角焊缝产生裂纹，试件所设置的对接焊缝缺陷并未扩展。

结合表2及图6(d)、(e)分析可得，加强板端部角焊缝处出现断裂的CP1A2、CP1DT2，承载能力略低，二者极限荷载分别为333.57 kN与331.31 kN，相差在1 %以内；梁翼缘板颈缩断裂且加强板端部角焊缝出现裂纹的 CP1DT1、CP1DT3试件承载能力分别为344.92 kN与338.92 kN，相差在1 %左右；CP2DG试件虽然在夹持过程中出现倾斜现象，但CP2系列试件的承载能力相差极小。结合图7、图8，两组试件路径1与路径2上的截面应变分布相差不大，但路径2应变明显高于路径1，角焊缝处断裂风险较高。综合以上分析可知，本文在对接焊缝设置的缺陷对试件承载能力与断裂性能影响不明显；试件角焊缝处断裂风险较高。

2.2.4 角焊缝缺陷的影响

将设置不同角焊缝缺陷的三个试件(CP2X、CP2JT、CP2JG)进行对比分析。由图5及表2分析可知，无缺陷试件CP2X的破坏形态为梁翼缘板颈缩断裂，而设置角焊缝缺陷试件CP2JT和CP2JG的破坏形态为加强板端部角焊缝处沿缺陷突然断裂，可见角焊缝缺陷的存在直接改变了试件的破坏位置，将其由梁翼缘板转移至焊缝缺陷处，且破坏发生时十分突然，梁翼缘板无明显颈缩，具有一定的脆性破坏特征；以角焊缝缺陷为变量的CP2X、CP2JT和CP2JG对应的极限荷载分别为339.18、330.59、321.58 kN，三个试件的承载力逐个降低，可见设置角焊缝缺陷能够直接影响试件的承载能力，且设置角焊缝处贯穿裂纹试件CP2JG的承载能力最低。由图7、图8可知，在路径1上，三试件在加载初期应变分布趋势相似，随着试验进行，CP2X试件在路径1上的应变分布仍然较为均匀，而CP2JT与CP2JG呈现出中间高两边低的分布形式，且应变值较高，这可能是因为角焊缝处开裂降低了对接焊缝两端的变形能力；在路径2上，三试件在加载初期应变分布较为均匀，但随着荷载增加，设置角焊缝缺陷试件CP2JT和CP2JG的应变急剧增大，其中设置角焊缝局部贯穿裂纹试件CP2JG在路径2上各位置应变增长较为同步，而设置角焊缝通长裂纹试件CP2JT路径2上的应变数据一侧较高，中间位置及另一侧的应变数据增长较低，这可能是因为CP2JT试件角焊缝一侧开裂较早，严重影响了路径2上的应变分布。综合以上分析可知，设置于加强板端部角焊缝的裂纹降低了试件的承载能力，最终导致试件于角焊缝裂纹处断裂。

3 结论

①在单调拉伸荷载作用下，盖板加强型节点局部试件主要有两种破坏模式：一种为梁翼缘颈缩断裂，试件产生明显的塑性变形，且伴随着加强板端部角焊缝开裂，对接焊缝及加强板侧面角焊缝未见损伤；另一类是在加强板端部角焊缝断裂，试件塑性变形较小。

②提高试件加载速率会降低试件塑性变形能力，对试件焊缝断裂性能无明显影响。

③加强板厚度变化对试件的承载能力及断裂性能影响较小。

④角焊缝缺陷对试件各方面性能影响显著，而对接焊缝缺陷对试件在单调拉伸作用下的承载能力及断裂性能影响不明显。

综上所述，盖板加强型节点局部试件在单调拉伸荷载作用下，加强板端部角焊缝处应变较大，开裂风险较高。本文设置的加强版端部角焊缝裂纹缺陷使得试件各方面性能显著降低，实际工程中应保证此处焊缝的焊接质量，以免结构发生破坏。在役钢结构的角焊缝处若存在文中所述缺陷，会严重影响整个结构的抗震性能，应当引起高度重视，并采取相应加固措施保证结构安全。地震过后的损伤评估中也应引入相应的评价指标，确保评估结果更加准确可靠。