高層鋼框架新型梁柱節點抗震性能試驗研究

           在多高層鋼框架中典型的剛接梁柱節點型式是梁翼緣與柱對接焊、梁腹板與柱用高強度螺栓連接。過去一直認為這種節點具有良好的抗震性能，然而，在1994 年的 Northridge 地震和 1995 年的 Kobe 地震中，采用這種節點的鋼結構建筑雖然沒有倒塌， 卻有很多在節點部位出現了嚴重的脆性破壞  。 美國在Northridge 地震之后的研究曾指出， 影響節點承載力和延性的三個主要因素為： 焊接金屬的斷裂韌性、 焊接孔的形狀尺寸、 節點板域的變形控制 [7] 。 進一步的研究提出若干改進節點延性的措施[2] ， 主要方法包括： 通過加腋和加蓋板提高節點的承載力； 對梁截面局部削弱， 使塑性鉸從節點區外移至梁上；改進節點區焊接孔構造型式， 緩解局部應力集中。研究結果表明， 改進節點區焊接孔構造型式可以使塑性鉸外移，可以有效地增強節點延性， 而且對節點區的承載力影響也較小， 制作工藝與傳統的節點基本相同，是一種比較理想的節點構造 [4] 。 因此， 本文主要針對焊接孔擴大型節點進行了研究。根據不同形狀和尺寸的焊接孔提出了三種節點構造， 并與傳統的節點構造進行了對比試驗研究。

2. 試驗概況

2. 1 節點試件設計

           本文針對四種型式節點（圖 1 ）進行了試驗研究，即標準型節點和三種不同構造型式的焊接孔擴大型節點。 每種節點兩個試件， 共完成了 8 個試件試驗。 試件所用材料為 @235 鋼，材性試驗得到材料的屈服強度為 260Mpa， 彈性模量為 2. 0 X 10 5 Mpa。每種型式節點兩個試件，區別在于一個試件的連接板上側與梁腹板之間附加了一道角焊縫，另一個則沒有。試件的梁柱尺寸都相同。工形梁截面高 400mm， 腹板厚 8mm； 翼緣寬 150mm， 厚 12mm。梁腹板采用 4 個 10. 9級 M20 高強度螺栓通過剪切板與柱翼緣連接。

2. 2 試驗裝置

           試驗裝置和測點布置如圖 2 所示。 試件柱平放， 梁與地面垂直。梁端由水平放置的伺服控制雙向千斤頂施加水平拉、壓作用力。試驗中在梁端施加循環往復荷載， 直至構件完全破壞。限于加載條件， 沒有施加梁的軸向荷載。所有試件有相同的梁柱截面尺寸、加載位置和約束條件。量測項目包括所施加的荷載、 加載點水平位移、 梁柱相對轉動、 節點域變形、 剪切板相對梁腹板的轉動和平動、沿梁翼緣中線應力分布及梁腹板上應力分布。荷載和位移數據通過傳感器獲得，應變由應變片測得。全部數據采用電測方法獲得。

2. 3 加載制度

           根據有限元分析，試件的彈性極限荷載約為120kN。加載分兩個階段，彈性階段最大荷載為120kN， 采用荷載增量控制， 出現塑性屈服后采用位移增量控制。為了研究加載次序對試件承載性能的影響， 試驗過程中采用了 4 種不同加載序列 （表 1 ） 。 其中加載序列 I 為直接在 42mm 位移幅度下加載至試件破壞。 試件 TS3 和 TS4a 采用加載序列 I， TS1 采用加載序列 II， TS2a 采用加載序列 III， TS1a、 TS2、 TS3a 和 TS4采用加載序列 IV。實際上在試驗中， 當梁端水平荷載加至 120kN 時已經觀察到局部漆皮起皺，即已發生局部的材料屈服。

3 試驗現象及破壞形態

3. 1試驗現象

         試驗時，首先沿使梁的上翼緣受拉的方向施加水平荷載， 然后反復加載。試件 TSl 由于平面外約束不足，在彈性加載階段就出現了扭轉， 節點板域有輕微屈服發生。塑性階段，焊接孔末端梁腹板與翼緣相接處上翼緣被腹板抵壓開裂。剪切板出現滑移， 破壞時下翼緣幾乎全部裂開， 加載點平面外位移約 5cm。TSla 在塑性階段，腹板受壓側觀察到局部屈曲，梁端加載點平面外位移最大達7cm， 剪切板附加焊縫受拉側明顯開裂。最后受拉側翼緣焊縫突然破壞， 荷載迅速下降， 梁下翼緣部分拉斷，同時上翼緣被壓屈。

         TS2 剪切板滑移出現較早，下翼緣焊縫開裂并不斷擴展， 剪切板滑移隨之加大。 破壞時裂紋突然擴展至梁中軸線，同時平面外位移突然增大，TS2a 彈性階段殘余變形和平面外位移都很小。 塑性階段， 最外側螺栓首先出現滑移， 不久螺栓滑移加大， 構件突然破壞， 梁上翼緣焊縫裂開幾乎到全翼緣寬，剪切板附加焊縫開裂幾乎至全長， 并有剪切板滑移。 上翼緣下端被壓屈。TS3 采用位移控制加載，第一次循環加載點位移達44mm （約 l /50 梁長） ， 荷載為 l40kN 時屈服， 剪切板與螺栓出現滑移， 梁翼緣、 梁腹板、 節點區局部屈服。此后焊接孔末端梁腹板把上翼緣抵壓開裂， 荷載下降， 同時梁下翼緣被壓屈， 對接焊縫開裂。 TS3a 彈性階段受壓翼緣扭轉較為嚴重， 梁腹板在靠近剪切板角部出現起皮。 隨后翼緣、 腹板、 剪切板、 節點板域出現局部屈服， 剪切板附加焊縫開裂， 下翼緣焊縫裂縫突然擴至全翼緣寬， 構件破壞。TS4 塑性階段出現明顯的節點剛度下降。第一次循環時就在剪切板兩端產生相對轉動。 下翼緣開口段平面外出現扭曲， 此后上翼緣首先壓屈， 出現一個半波， 平面外位移和剪切板滑移增大。 此后兩翼緣反復被壓屈和拉直， 最后下翼緣焊縫開裂中止試驗。TS4a 也用位移控制加載。 剪切板和梁上下翼緣、 梁腹板、 節點域都有起皮。此后平面外位移不斷增大， 兩翼緣交替壓屈與拉直。梁腹板在剪切板兩角部出現平面外屈曲，剪切板出現滑移。 最后受拉翼緣全截面拉開， 受壓翼緣局部屈曲， 與腹板交接處開裂， 上下翼緣焊縫都為疲勞破壞。

 圖 3 為節點破壞的照片，可以看到梁翼緣出現的局部屈曲現象。

3.2 破壞模式及影響因素試驗結果分析表明， 影響破壞模式的因素， 主要包括焊接缺陷、 應力分布狀態和應力集中情況。明顯的焊接缺

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