节点域柱壁加强型方钢管柱-H型钢梁节点抗震性能试验研究*

2021-11-03陈丽华夏登荣

建筑结构 2021年18期

陈丽华，陈坤，夏登荣，陈琦

(合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

0 概述

方钢管混凝土柱具有各向等强、抗扭刚度大、承载能力高、外形规则、建筑适用性好等特点。随着近年来装配式钢结构建筑的推广，方钢管混凝土柱在钢结构框架体系中得到了广泛的应用。对于方钢管混凝土柱与H型钢梁刚性连接节点，我国的《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[1]推荐了4种节点形式：内隔板节点、隔板贯通节点、外环板节点和外肋环板节点。国内外研究人员也进行了大量的试验研究和理论分析，以探究节点的抗震性能[2-9]。

对于内隔板节点和隔板贯通节点，其柱内的隔板上应设置直径不小于200mm的混凝土浇筑孔[1]。当方钢管柱截面尺寸较小时，混凝土浇筑孔尺寸难以满足设计要求，容易造成节点区混凝土不密实，从而影响节点区性能。而外环板节点和外肋环板节点的环板位于钢管柱外侧，不受柱边长尺寸的限制，但其空间灵活性和节点适应性相对较差，尤其是在边柱、角柱处，环板的存在占用较大空间，给建筑设计带来了一定的不便。

为此，本文直接对节点区附近的钢管柱壁进行加厚，设计了一种无横向加劲肋的柱壁加强型方钢管柱-H型钢梁节点(简称柱壁加强型节点)，如图1所示。为了使节点具有足够的强度和刚度，当节点区柱宽厚比受限时，节点区柱壁的内侧可以设置竖向加劲肋。

图1 柱壁加强型方钢管柱-H型钢梁节点形式

对于无横向加劲肋的方钢管柱-H型钢梁节点，各国规范均没有给出不设置加劲肋的限制依据和理论计算公式，只有美国钢结构建筑抗震规范(AISC 341-10-2010)提出可以通过实际试验来决定。国内外对于此类节点的相关学术研究也相对很少[10]。我国学者陈以一等[11]也仅对无加劲冷成型方钢管柱-H型钢梁翼缘板焊接节点进行了受拉性能试验研究，不能反映出节点的抗震性能。

鉴于此，本文对柱壁加强型方钢管柱-H型钢梁节点试件进行了低周反复加载试验，分析了各试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性和耗能能力等指标，为后续钢管混凝土柱框架连接节点的研究提供了理论指导。

1 试件概况

1.1 试件设计

本次试验共设计了5个节点域柱壁加强型方钢管柱-H型钢梁节点试件，编号为JRSC-1～JRSC-5。试件柱为焊接空方钢管柱，由上、中、下三段柱焊接而成，其中，上、下段(即非节点区柱)的截面为200×10，长度为850mm，中段(即节点区柱)的柱壁进行加厚，加厚范围应伸出钢梁上、下翼缘外150mm。此外，试件JRSC-4的节点区柱的内侧设置竖向加劲肋，加劲肋厚度同节点区柱壁厚。试件梁为成品H型钢梁，每段钢梁的长度为1 500mm。方钢管柱与H型钢梁采用栓焊连接，即梁翼缘与柱翼缘采用全熔透坡口焊缝，梁腹板与柱翼缘通过连接板采用10.9级M20高强摩擦型螺栓连接。

各试件几何参数详见表1与图2。其中柱顶的轴压比设计值n与节点区柱的宽厚比α分别按式(1)、式(2)计算：

图2 试件几何尺寸

试件几何参数表1

n=1.25N/1.1fyAs

(1)

α=Bc/tc

(2)

式中：N为施加在柱顶的轴向压力实测值；fy为非节点区柱钢材的屈服强度实测值；As为非节点区柱的截面面积；1.25为重力荷载分项系数；1.1为钢材材料的分项系数；Bc和tc分别为节点区柱的截面宽度和厚度。

1.2 材性试验

依据《金属材料拉伸试验》(GB/T 228.1—2010)[12]的相关规定对试件所用钢材进行材性试验。钢材的材料性能详见表2。

1.3 试验装置及加载制度

试件加载装置如图3所示，两个1 000kN的液压伺服加载装置分别倒置安装在反力架上，与同一台油泵相连，用于施加梁端反向同步的低周反复循环荷载。一个150t的千斤顶置于柱顶用于施加柱的轴向压力。试件柱底采用铰支座，并通过侧向约束限制柱顶、柱底的水平位移。

图3 试件加载装置

如图4所示，本文试验采用荷载-位移双控制的加载方式[13]。试件屈服前，采用荷载控制并分级加载，每级加载循环一次；试件屈服后，采用位移控制，每级位移加载循环两次，直至试件破坏或荷载下降到最大荷载的85%后，停止试验。

图4 试验加载制度

在加载过程中判定试件屈服通常有两种方法：1)以实际加载的梁端荷载-位移曲线出现明显拐点为标志；2)利用钢板上的应变片实测值是否达到屈服应变值来判断。本次试验采用上述两种方法来综合判定试件是否屈服。

1.4 测量内容

利用MTS液压伺服加载系统、DH3816静态应变测试分析系统和YH-50D位移计对试件的梁端竖向荷载(P)-位移(Δ)曲线和关键部位的应变、位移数据进行采集，并在试验过程中，观察梁、柱以及节点区钢板的变形、受力情况及焊缝裂缝的开展情况。试件具体测点布置如图5所示，共布置了52个应变片，10个位移计。

图5 试件测点布置

2 试验现象

2.1 试件JRSC-1、试件JRSC-2

试件JRSC-1、试件JRSC-2尺寸相同，仅轴压比不同，分别为0.20，0.50。

在荷载加载阶段，试件处于弹性阶段，梁端荷载-位移曲线近似呈直线。当梁端荷载分别加载至78.7kN(试件JRSC-1)、59.5kN(试件JRSC-2)时，由应变片实测值可知，试件节点区发生屈服，梁翼缘未屈服，试件的梁端荷载-位移曲线出现明显拐点。该阶段试件尚未产生明显焊缝裂缝和钢板变形。

在位移加载阶段，当梁端位移加载至60mm左右时，试件的节点区柱翼缘在反复位移加载下，受拉一侧凸起，受压一侧凹陷，且梁柱翼缘对接焊缝热影响区两端出现微小裂纹，此时对应的荷载分别为111.8kN(试件JRSC-1)、101.2kN(试件JRSC-2)(试件均达到峰值荷载Pu)。随着梁端加载位移的增大，端部裂纹逐渐向对接焊缝的中部发展；加载至72mm左右时，试件JRSC-1、试件JRSC-2梁柱翼缘对接焊缝热影响区开始出现撕裂；当梁端荷载下降至峰值荷载的85%以下时，认为试件已发生破坏，停止加载。试验现象见图6(a)。

2.2 试件JRSC-3、试件JRSC-4

在试件JRSC-2的基础上，试件JRSC-3对节点区柱进行加厚，减小宽厚比，试件JRSC-4的节点区柱内设置竖向加劲肋。

在荷载加载阶段，当梁端荷载分别加载至79.5kN(试件JRSC-3)、95.7kN(试件JRSC-4)时，节点区发生屈服，试件的荷载-位移曲线未出现明显拐点，此时梁翼缘未屈服，试件也尚未产生明显焊缝裂缝和钢板变形。

在位移加载阶段，当梁端位移分别加载至48mm(试件JRSC-3)、72mm(试件JRSC-4)左右时，梁翼缘发生屈服；当试件JRSC-3、试件JRSC-4分别加载至60，84mm左右时，梁柱连接处柱翼缘发生平面外变形，梁柱翼缘对接焊缝热影响区出现微小裂纹，此时试件JRSC-3、试件JRSC-4同样达到峰值荷载Pu(对应的值分别为118.3，144.8kN)。此后，在低周反复作用下，梁柱翼缘对接焊缝热影响区处发生撕裂。试验现象见图6(b)。

2.3 试件JRSC-5

试件JRSC-5满足“强柱弱梁，强节点”的抗震设计要求。

在荷载加载阶段，当梁端荷载加载至58.84kN时，应变测试仪显示梁翼缘发生屈服，而节点区未屈服，试件的荷载-位移曲线未出现明显拐点。

在位移加载阶段，随着梁端位移的增加，梁上应变片值快速增长，但柱壁上应变片数值依旧较低，未达到屈服值；梁端位移加载至60mm左右时，梁翼缘出现鼓曲，此时试件JRSC-5达到峰值荷载，Pu为84.0kN；梁端位移加载至72mm左右时，梁柱翼缘对接焊缝热影响区处裂纹慢慢开始撕裂，试件承载能力下降。试验现象见图6(c)。

图6 试件破坏现象

3 试验结果与分析

3.1 破坏模式

由试验现象可知，节点试件屈服破坏模式表现为两种：一是节点区屈服破坏(试件JRSC-1～试件JRSC-4)；二是梁翼缘屈服破坏(试件JRSC-5)。

由于柱壁加强型节点内未设置加劲隔板，梁翼缘拉力不能有效地传递到节点核心区，仅能依靠节点区柱翼缘的抗弯刚度来承担梁翼缘拉力。节点区柱壁屈服后，在低周反复循环加载作用下，节点区柱翼缘发生平面外变形。柱翼缘的反复屈曲，还会恶化梁柱翼缘对接焊缝的受力情况，使其在梁翼缘端部产生微裂缝，进而发生撕裂。而采用增大节点区柱宽厚比或者在节点区柱壁内设置竖向加劲肋，可以提高节点刚度，减小柱翼缘的平面外变形。

整个加载过程中，试件的非节点区柱与节点区柱拼接位置附近柱壁的应变值均小于屈服应变值，试件未发生屈服，且梁柱连接焊缝也未发生破坏。因此节点区柱壁加厚范围为梁高加300mm(钢梁上下各加150mm)是可行的，即柱壁加强型节点的加厚范围应伸出梁上下翼缘外不小于150mm。

3.2 滞回曲线

各试件的梁端竖向荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线如图7所示，由图可以看出：

图7 试件的滞回曲线

(1)各试件的滞回曲线整体上均为梭型，形状较为饱满，反映出柱壁加强型节点的塑性变形能力较强，具有较好的抗震性能。

(2)在加载前期，荷载与变形近似是线弹性变化，试件刚度变化较小，滞回环的面积也很小，耗能较少，卸载时试件的残余变形很小；随着低周反复荷载的逐级增加，滞回环的面积逐渐增大且变得饱满，耗能能力增强，试件的残余变形也随之增大。

3.3 骨架曲线

各试件的梁端竖向荷载(P)-位移(Δ)骨架曲线如图8所示，由图可知：

图8 试件的骨架曲线对比

(1)各试件的骨架曲线均为S型，受力过程可大致分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段；在弹性阶段，试件骨架曲线近似为直线，进入弹塑性阶段后，曲线斜率下降，刚度减小，达到峰值荷载后,试件的骨架曲线均有所下降，这是因为试件的节点区柱翼缘或梁翼缘屈服后发生明显变形，梁柱翼缘对接焊缝热影响区出现撕裂，试件的承载能力有所下降。

(2)试件JRSC-2与试件JRSC-1相比，随着轴压比的增大，钢管柱自身变形能力减弱，节点的承载能力有所降低。与试件JRSC-2相比，减小节点区柱宽厚比(试件JRSC-3)或在节点区柱内设置竖向加劲肋(试件JRSC-4)，钢管柱的抗弯刚度增大，节点的承载能力有所提高，且后者措施(设置竖向加劲肋)增幅效果更为明显，说明当节点区柱宽厚比设计受限时，通过在钢管柱内侧设置竖向加劲肋，可以有效地保证节点具有足够的承载能力。试件JRSC-5与试件JRSC-2相比，钢梁设计较弱，发生梁翼缘屈服破坏，二者破坏模式不同，承载能力也相对较小，但前期曲线基本重合。

3.4 刚度退化

刚度退化反映了结构或构件在循环荷载下累积损伤。各试件的刚度可用割线刚度Ki来表示，按式(3)计算:

(3)

式中：+Fi，-Fi分别为第i次正、反向峰值点荷载值；+Xi，-Xi分别为第i次正、反向峰值点位移值。

图9为各试件割线刚度随加载位移的退化曲线。由图可知：

图9 试件的割线刚度退化曲线对比

(1)由于柱壁加强型节点未设置横向加劲肋，在反复荷载作用下，累积损伤逐渐增加，试件刚度不断退化。在整个加载过程中，试件刚度退化较为平缓，表现出柱壁加强型节点的滞回曲线较为稳定，耗能能力较好。

(2)随着轴压比的增大，试件前期刚度退化较快，但后期刚度趋于一致；随着节点区柱宽厚比的减小，试件的初始刚度显著增大，且前期刚度退化较快，但后期刚度趋于一致；在节点区柱内设置竖向加劲肋，试件初始刚度增大，但退化趋势基本一致。

3.5 延性与耗能能力

根据骨架曲线，得出各试件的特征参数值，详见表3。表中各值均取正、负向加载时参数绝对值的平均值。Py，Δy分别为屈服荷载和屈服位移，按原点切线法计算[14]；Pu为试件的峰值荷载；Δu为试件的极限位移，取下降至峰值荷载的85%时所对应的位移。

各试件的特征参数表3

采用位移延性系数μ来对结构的延性进行评价。位移延性系数μ为极限位移Δu与屈服荷载Δy的比值。试件的能量耗散能力用能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数ξeq来评价[13]。

由表3可知：

(1)各试件的位移延性系数在3.0～4.1之间，均大于3.0，说明柱壁加强型节点具有较好的延性；一般来说，钢筋混凝土节点的ξeq在0.1左右，型钢混凝土节点的ξeq在0.3左右。本试验各试件的E在1.7～1.9之间，ξeq在0.27～0.31之间，试件耗能能力较好。

(2)随着轴压比的增大，钢管柱自身变形能力减弱，节点的承载能力降低，塑性变形能力变差，延性和耗能能力有所降低；随着节点区柱宽厚比的减小，节点的承载能力提高，延性和耗能能力也有所增强；节点区柱内设置竖向加劲肋，节点的承载能力显著提高，但延性和耗能能力相对较低。

3.6 节点核心区剪切变形

节点核心区剪切变形如图10所示，图中Hc为柱腹板高度，Hb为梁腹板高度，虚线所示的矩形为未加载时节点核心区示意图，菱形为节点核心区在荷载作用下发生变形的示意图，δ1，δ3，δ2，δ4分别为节点核心区对角线上缩短、伸长值，节点核心区剪切角γ可由式(4)求得：

图10 节点核心区剪切变形

(4)

各试件的节点核心区剪切角的变化曲线如图11所示。由于在加载过程中试件JRSC-3的位移计出现松动，故不对其进行分析。由图可得：

图11 试件的节点核心区剪切角变化曲线

(1)各试件的节点核心区剪切角随荷载的增加而增加；加载前期，试件处于弹性阶段，曲线近似呈线性变化，剪切角变化很小；随后试件进入弹塑性阶段，试件节点核心区剪切角变化增大。

(2)对比试件JRSC-1、试件JRSC-2，轴压比越大，节点核心区剪切角越小，说明增大轴压比可以减小节点核心区剪切变形；对比试件JRSC-2、试件JRSC-4，在加载前中期，二者曲线基本重合，说明节点区加劲肋的设置对剪切变形影响较小；试件JRSC-5属于“梁破坏”，整个加载过程中，节点核心区剪切变形较小。

3.7 应变分析

下面以试件JRSC-1、试件JRSC-3及试件JRSC-5为例，分析柱壁加强型节点的应变分布。

图12为试件梁端荷载-节点核心区剪切应变滞回曲线，剪切应变γxy=ε0+ε90-2ε45，其中ε0，ε45和ε90分别为应变花00，450和900方向应变片的应变值。从图12可得，在节点核心区，梁端荷载-剪切应变曲线与荷载-变形曲线所揭示的试验现象是一致的。对于“强柱弱梁、弱节点”的试件(试件JRSC-1、试件JRSC-3)，节点区柱腹板剪切变形过大发生屈服，而对于“强柱弱梁、强节点”的试件(试件JRSC-5)，节点区剪切应变变化趋势呈线性，试件节点区未发生屈服。

图12 节点核心区剪切应变-梁端荷载滞回曲线

梁翼缘沿轴向方向的应变分布如图13所示，ε为左侧梁负向加载时每级循环荷载的最大值对应的应变，x为梁翼缘距柱边的距离。理论上，x的绝对值越小，离柱翼缘越近，梁所受弯矩越大，梁翼缘应变值也越大。从图13可知，距离柱边200mm处的梁翼缘应变值最大，而50mm处的应变值相对较小，这是由于柱翼缘对梁端的约束作用，会提高梁的抗弯承载力，对应的应变值也相对较小。

图13 梁翼缘沿轴线方向的应变分布

试件JRSC-1在整个加载过程中，梁翼缘的最大应变均小于梁翼缘屈服应变值，梁翼缘未发生屈服；而试件JRSC-3加载至0.95Pu左右时，距柱边200mm处梁翼缘应变值大于屈服应变值，梁翼缘开始屈服，与前面试验现象相符；试件JRSC-5的梁相比文中其余试件较弱，梁翼缘发生屈服破坏，且随着加载荷载的增大，梁翼缘产生明显的鼓曲，应变值急速上升。