新型装配式法兰外环板式节点恢复力模型研究*

涂家祥 周立超 陶忠 包圩正

(昆明理工大学 昆明 650500)

0 引言

对于装配式钢结构建筑来说，梁柱节点区的强弱程度直接影响到整个结构的安全性。梁柱节点不同的连接措施也成为影响制作工序、运输效率和施工效率的重要因素。以往的钢结构建筑中栓焊连接是最常见的连接方式，而由于焊接工艺的复杂性以及一些不可控因素的影响，可能会导致节点强度不足。考虑到以往焊接节点具有许多不好的地方，为了解决钢结构建筑在构件的运输以及施工过程中存在的诸多问题，设计开发了一类完全采用螺栓连接的新型柱梁连接节点。

钢结构装配式柱梁连接节点具备制作安装简单高效、消耗吸收地震能量的能力较强、绿色节能等优点。研究钢结构装配式柱梁连接节点的恢复力特性能够对于实际建筑工程应用的设计指导非常有意义。建筑或者构件在实际工程中的恢复力模型通常非常复杂且难以绘制，很难作为理论依据被运用于建筑物抵抗变形能力的设计与分析，基于这个原因，需要采用一些简化的办法，将恢复力模型简化为方便绘制及应用的模型。建筑工程领域的相关研究学者，依据每种结构各不相同的承载能力及受力机理等情况特性，采用了不同的理论简化方法，使相关恢复力模型便于绘制与应用，如两条折线的恢复力简化模型[1]、三条折线的恢复力简化模型[2]、四条折线的恢复力简化模型[3]和曲线形式的恢复力简化模型[4]。各种简化模型各有其优势，但也有其缺点。例如曲线形式的简化模型可以更准确地描述构件在加载工程中实际的刚度提高或降低的情况，但同时也有着比折线形式的简化模型更为复杂等缺点。而可以使得恢复力模型应用更加简洁方便的折线形式的简化模型虽准确度相较不高，但还是更多地被研究和运用。建筑工程领域研究学者针对采用不相同的连接方式的柱梁节点的恢复力简化模型开展了诸多分析以及研究。葛继平等[5]在试验研究和有限元模型修正的基础上，对试验数据进行回归分析，推导出了两类半刚性连接节点的恢复力模型的简化计算公式。李毅[6]对两层中空同心钢管混凝土柱梁节点开展了相关分析研究，同时结合数据理论分析推导了该柱梁连接节点的恢复力三折线简化模型。张月等[7]提出了一种装配式钢管混凝土耗能螺栓连接梁柱节点，并通过低周反复加载试验得到试件的滞回曲线，从而得到了此类柱梁连接节点的恢复力三折线简化模型。

本文在对6组新型装配式方钢管柱-H型钢梁法兰外环板式节点进行柱端低周往复加载试验的基础上，运用试验数据，通过分析试验骨架曲线特点，建立了新型节点的骨架曲线模型，再结合试验所测滞回曲线，最终得到了新型装配式法兰外环板式节点的恢复力三折线简化模型，且验证了简化模型与试验滞回曲线的相似性，可以作为本文研究的装配式新型法兰外环板式节点的地震下耗能能力评估及建筑设计的相关理论及应用依据。

1 构造形式

所提出的新型装配式法兰外环板式节点由带加强环板柱、带法兰柱座、矩形搭板、角钢及高强螺栓组成。节点的结构形式如图1所示。

图1 法兰外环板式节点构造

2 试验概况

所有试件的梁柱截面尺寸相同，柱：300 mm ×300 mm×8 mm，高度为1 500 mm；梁：HN248 mm ×124 mm ×5 mm×8 mm，长度为1 340 mm。试件尺寸见图2。试件构造参数见表1。试件均采用Q235B钢，钢材的力学性能试验结果见表2。在试验正式开始之前，通过预加载的方式消除由于试验装置影响可能产生的初始缺陷。本次试验的加载方案及加载方式选择根据位移变化情况来完成低周循环试验的荷载施加，设备上方的液压千斤顶对构件产生竖向压力，水平荷载通过电液伺服系统分级加载，加载速率为0.2 mm/s，每级反复加载3次。

表1 试件构造参数

图2 试件尺寸(单位：mm)

表2 钢材力学性能试验结果

3 试验破坏现象及试验数据处理

通过对试验过程的观察，可以发现试件的破坏主要由于梁端的鼓曲，梁端、环板以及角钢的撕裂，图3为具有代表性的试件破坏过程形态。

(a)梁端鼓曲 (b)梁端撕裂

(c)环板撕裂 (d)角钢撕裂

4 骨架曲线模型的建立

4.1 骨架曲线分析

想要得到骨架曲线，首先需要对6个外环板式节点试验所得骨架曲线进行无量纲化处理，参考点选用各个试件在达到峰值荷载时的横纵坐标，经过处理后的6个试件的计算骨架曲线如图4所示。

图4 无量纲骨架曲线

由图4能够发现，各个构件骨架曲线的走势以及大小基本可以视为一致，总体吻合度较好。选用三折线模型对外环板式节点的弯矩-转角骨架曲线进行表达，图中涉及的参考点为构件屈服时(标记为A点)、构件达到最大承载力时(标记为B点)、构件破坏或者构件荷载下降到最大承载力的85%时(标记为C点)。涉及的特征点根据各试件的无量纲化后的特征点取平均值得到,计算得到各屈服点的坐标：正屈服点A(0.396 9,0.078 6)、负屈服点 (-0.461 6,-0.114 6)，正峰值点B(1,1)、 负峰值点 (-1,-1)，正有效破坏点C(0.815 6,1.224 6)、负有效破坏点 (-0.801 3,-1.427 5),按顺序连接三折线骨架曲线的特征点，如图5所示。

图5 三折线骨架曲线模型

4.2 三折线骨架曲线模型验证

通过对无量纲化骨架曲线进行拟合处理，可以计算出图6中6个装配式法兰外环板式节点的正负向各段骨架曲线的线性方程(如表3所示)，分别绘制出各个构件的基于试验的骨架曲线以及基于三折线简化模型的骨架曲线，从而验证简化模型的合理性与准确性。可以看出，虽然因为试验时测量误差等原因导致数据点有突变处，造成拟合结果与试验结果有部分误差，但是三折线模型还是可以很好地模拟出节点经历的弹性、屈服和破坏后的强度、刚度衰退的过程，且变化趋势与试验数据吻合度较高。尤其表现在试件处于弹性阶段的骨架曲线与计算的骨架曲线几乎重合，因此说明建立的恢复力模型具有一定适用价值。

图6 试验骨架曲线与计算骨架曲线对比

表3 骨架曲线拟合方程

5 恢复力模型

5.1 刚度退化规律

由低周反复加载试验可知，法兰外环板节点试件的刚度会根据试验荷载的变化而产生退化。在试验刚开始阶段，构件可以看作只发生弹性变形，每个构件的刚度均较大且变化可以忽略不计，此时构件的卸载刚度能够直接根据初始刚度得出。当试件加载至屈服后，由于钢材本身的特性，部分试件的加卸载刚度会产生一定的退化现象。因此本文在课题组做过的6个法兰外环板式节点试验数据的基础上，基于试验测得的数据开展数据理论分析，可以推出所有构件的刚度退化表达式以及构件的刚度在不同加载阶段的变化规则(如图7所示)。

(a)K1的退化规律曲线

(b)K2的退化规律曲线

(c)K3的退化规律曲线

(d)K4的退化规律曲线

5.2 新型装配式节点恢复力模型验证

通过origin软件绘制了6个构件基于试验以及基于简化模型的滞回曲线。图8为6个构件根据简化模型绘制的滞回曲线和所做试验测得的数据绘制的滞回曲线的比较。根据图8能够发现，6个构件的实际滞回曲线与简化模型滞回曲线均保持较高的相似性，说明所提出的恢复力简化模型可以较为准确地模拟出新型装配式外环板式节点的滞回性能。

(a)SJ-1 (b)SJ-2 (c)SJ-3

(d)SJ-4 (e)SJ-5 (f)SJ-6

6 结论

(1)提出的新型装配式法兰外环板式节点符合“强柱、弱梁、强节点、弱构件”的设计理念，其主要破坏模式为：梁端的鼓曲，梁端、环板以及角钢的撕裂。

(2)基于试验研究绘制的骨架曲线，对其采用无量纲化分析，发现骨架曲线呈现三折线趋势，因此采用了三折线模型对其进行表达，通过对试验数据进行回归分析处理后提出了适用于新型装配式外环板式节点的骨架曲线模型，与试验结果相比有较高的吻合度。

(3)在回归分析计算提出了节点骨架曲线简化模型之后，对试验所测滞回曲线进行了分析计算，从而建立了新型装配式外环板式节点的恢复力三折线简化模型，且和基于试验绘制的滞回曲线比较分析，呈现出了相似的大小及变化规律。此恢复力简化模型可以作为此种类型的钢结构装配式梁柱连接节点的地震响应分析以及设计计算提供理论和实际应用的参考。