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《土木工程學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

對(duì)矩形鋼管柱-H形梁連接外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，并對(duì)該新型節(jié)點(diǎn)實(shí)施了循環(huán)往復(fù)加載的足尺試驗(yàn)，考慮了不同柱軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。研究表明，提出的外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的延性、穩(wěn)定高效的耗能能力、較大的承載力、合適的剛度，能充分利用節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定剪切塑性耗能。經(jīng)分析驗(yàn)證，現(xiàn)行節(jié)點(diǎn)域極限承載力公式經(jīng)修正后可適用于外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn);通過控制梁與節(jié)點(diǎn)域的相對(duì)強(qiáng)弱，可實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)序的控制。

關(guān)鍵詞:

鑄鋼;模塊節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)域;延性;耗能;外加勁

傳統(tǒng)鋼框架中鋼管柱與H形梁的節(jié)點(diǎn)一般采用內(nèi)隔板、外環(huán)板或隔板貫通節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，連接方式主要為全焊連接或栓焊混合連接。在抗震鋼框架體系中，節(jié)點(diǎn)域是重要耗能部件［1-2］，其剪切變形模式具有塑性滯回耗能穩(wěn)定、往復(fù)應(yīng)變硬化顯著等特點(diǎn)，且在屈服后仍有較高的富余強(qiáng)度。然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)域剪切變形較大時(shí)，無論采用上述何種傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)型式，均可能引起梁翼緣與鋼管柱壁焊接部位局部扭曲，從而誘發(fā)斷裂早期發(fā)生［3］，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)延性。為了充分發(fā)揮鋼管柱節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定高效的耗能能力，同時(shí)盡可能延緩斷裂的發(fā)生，提出了采用節(jié)點(diǎn)域、梁端、柱端、內(nèi)加勁肋一體化澆鑄的鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)［4-5］，與傳統(tǒng)梁柱連接節(jié)點(diǎn)相比，鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)可以使易引起缺陷的焊縫遠(yuǎn)離最不利截面，并通過幾何造型的靈活變化滿足節(jié)點(diǎn)對(duì)剛度、承載力、耗能能力的需求。雖然單個(gè)鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)成本較高，但因鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)型式重復(fù)率高，可通過標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化重復(fù)利用模具大幅降低造價(jià)。本文針對(duì)一種新型鋼管柱-H形梁外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和抗震性能試驗(yàn)研究，并提出相關(guān)設(shè)計(jì)建議。

1外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)概念設(shè)計(jì)

1．1基于斷裂延遲的造型設(shè)計(jì)矩形鋼管柱-H形梁外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)的造型設(shè)計(jì)見圖1。該一體化澆鑄的鑄鋼模塊分為節(jié)點(diǎn)域、柱連接區(qū)、梁連接區(qū)、內(nèi)肋、外肋共5部分。在節(jié)點(diǎn)域?qū)?yīng)梁上、下翼緣的位置分別鑄造出寬度約為節(jié)點(diǎn)域壁厚2倍的內(nèi)肋以及一定寬度的外肋，用于提高梁翼緣拉壓力的傳遞效率。梁連接區(qū)與節(jié)點(diǎn)域的連接、內(nèi)肋與節(jié)點(diǎn)域的連接、外肋與鑄鋼鋼管的連接均為一體化鑄造成型的圓角過渡，圓角半徑R約為梁翼緣厚度的2倍。該構(gòu)造設(shè)計(jì)的主要考慮是:當(dāng)節(jié)點(diǎn)域發(fā)生較大剪切變形時(shí)，圓角過渡不僅能降低應(yīng)力集中，還能增加局部連接部位的剛度，從而減輕梁翼緣與柱翼緣交接處的局部扭曲，延遲斷裂發(fā)生。鑄鋼模塊的柱連接區(qū)和梁連接區(qū)端部則分別與相鄰的鋼管柱、H形梁通過全熔透焊縫連接。

1．2基于節(jié)點(diǎn)域耗能的承載力設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)域既不宜太薄，也不宜太厚。若節(jié)點(diǎn)域太薄，會(huì)使鋼框架的層間位移增大較多，即剛度不足;而節(jié)點(diǎn)域太厚又會(huì)使其無法充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)域剪切塑性耗能作用?，F(xiàn)階段可近似按照我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)［6］有關(guān)傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域承載力規(guī)定進(jìn)行鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)。

1．3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)依據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、節(jié)點(diǎn)形式、應(yīng)力狀態(tài)、鑄件厚度、工作環(huán)境、鑄造工藝等因素，選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的鑄鋼材料和造型。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS235:2008)［9］中焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼的材料牌號(hào)納入了《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》(GB/T7659—2010)［10］中ZG200-400H、ZG230-450H、ZG275-485H三種牌號(hào)和德國標(biāo)準(zhǔn)《Steelcastingsforgeneralengineeringuses》(DINEN10293:2005-06)［11］中的G17Mn5QT、G20Mn5N、G20Mn5QT三種牌號(hào)。不同牌號(hào)的焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼均能達(dá)到《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)［6］中鋼材伸長(zhǎng)率不低于20%的規(guī)定要求。

2試驗(yàn)方案

2．1試件設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)具有工程尺度的試件，鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)的尺寸相同，其構(gòu)造和尺寸如圖2所示。梁連接區(qū)長(zhǎng)度150mm，為鑄造工藝的合理最長(zhǎng)長(zhǎng)度，可使焊縫盡量遠(yuǎn)離梁柱交接面;柱連接區(qū)長(zhǎng)度450mm，鑄鋼鋼管局部增厚防止鑄鋼鋼管和鋼管柱發(fā)生局部失穩(wěn)。鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)與焊接H形鋼梁(H600×300×18(22)、冷成型方鋼管柱(□400×400×16)分別通過全熔透焊縫連接。材性試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)采用Q20Mn5QT，冷成型鋼管柱和焊接H形梁采用Q345B。

2．2加載方案與測(cè)點(diǎn)布置試件梁跨為4．5m，柱高為4m，試件裝置見圖3。2個(gè)試件的編號(hào)分別為S-IO-0．1和S-IO-0．3，0．1和0．3表示按冷成型鋼管柱真實(shí)材性計(jì)算的實(shí)際軸壓比。加載時(shí)，首先通過千斤頂在柱頂施加預(yù)定的軸壓力，并保持軸壓力在整個(gè)加載過程中恒定，然后同步控制梁端作動(dòng)器向東西梁端施加反對(duì)稱低周往復(fù)位移荷載，加載制度參考AISC抗震規(guī)范［12］的規(guī)定。梁端、柱端的銷軸鉸提供鉸接約束，靠近梁端設(shè)置側(cè)向支撐，防止梁發(fā)生平面外失穩(wěn)。位移計(jì)布置如圖4。其中D1～D4用來測(cè)量梁端豎向位移，每側(cè)兩個(gè)位移計(jì)讀數(shù)取平均值以消除梁扭轉(zhuǎn)變形的影響。D9～D12用來測(cè)量柱底和柱頂銷軸鉸水平位移，D5～D8兩對(duì)交叉位移計(jì)測(cè)相對(duì)變形，間接計(jì)算剪切變形角。梁端作動(dòng)器有效位移應(yīng)扣除節(jié)點(diǎn)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)位移引起的誤差。節(jié)點(diǎn)域剪切變形的計(jì)算是通過設(shè)在節(jié)點(diǎn)域的兩對(duì)交叉斜向位移計(jì)D5和D7、D6和D8測(cè)出節(jié)點(diǎn)域?qū)蔷€的相對(duì)長(zhǎng)度變化量。應(yīng)變片布置如圖5。在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)布置三向應(yīng)變片，在梁柱交接處的梁腹板以及梁連接區(qū)翼緣外側(cè)弧面起弧處布置三向應(yīng)變片，在梁連接區(qū)翼緣內(nèi)側(cè)弧面起弧處布置單向應(yīng)變片，在焊縫附近截面的鑄鋼梁連接區(qū)翼緣布置單向應(yīng)變片。通過大量的應(yīng)變片可以測(cè)定試件的屈服時(shí)序，以全面反映節(jié)點(diǎn)耗能的屈服機(jī)制。

3試驗(yàn)結(jié)果

3．1試驗(yàn)現(xiàn)象與滯回曲線S-IO-0．1的梁端相對(duì)彎矩層間位移角曲線見圖6(Mb/Mp，Mb為梁端彎矩，Mp為梁端全截面塑性彎矩)，滯回曲線十分飽滿，往復(fù)應(yīng)變硬化現(xiàn)象顯著。加載過程中的主要試驗(yàn)現(xiàn)象見表2。節(jié)點(diǎn)變形模式見圖10(a)。當(dāng)S-IO-0．1加載至±0．09rad級(jí)別第一圈末，第二個(gè)半圈，西側(cè)作動(dòng)器荷載出現(xiàn)下降，試件延性斷裂破壞。S-IO-0．1的節(jié)點(diǎn)域相對(duì)剪力剪切變形角曲線見圖7(V/Vy，V為節(jié)點(diǎn)域剪力，Vy為按式(2)計(jì)算的節(jié)點(diǎn)域屈服剪切承載力)，可見節(jié)點(diǎn)域發(fā)展了很大的剪切變形角。S-IO-0．1剪切變形基本反對(duì)稱。斷裂釋放的能量是對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能的補(bǔ)充，加上經(jīng)歷過塑性耗能的區(qū)域不斷擴(kuò)大，因此梁端作動(dòng)器荷載位移曲線仍然具有穩(wěn)定的滯回圈。S-IO-0．3的梁端相對(duì)彎矩層間位移角曲線見圖8，滯回曲線亦十分飽滿，往復(fù)應(yīng)變硬化現(xiàn)象顯著。加載過程中的主要試驗(yàn)現(xiàn)象見表3。節(jié)點(diǎn)變形模式見圖10(b)，破壞時(shí)的變形模式見10(c)。當(dāng)試件S-IO-0．3第一次往+0．08rad加載的過程中(尚未加載至+0．08rad)，柱頂軸力迅速下降，節(jié)點(diǎn)因柱發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)結(jié)束后通過火焰切割將試件割開，觀察到內(nèi)加勁肋出現(xiàn)一些裂縫，見圖12(b)、12(c)、12(d)。S-IO-0．3的節(jié)點(diǎn)域相對(duì)剪力剪切變形角曲線見圖9，可見節(jié)點(diǎn)域同樣發(fā)展了很大的剪切變形角。S-IO-0．3剪切變形曲線在±0．07rad加載級(jí)別已表現(xiàn)出非對(duì)稱的行為。

3．2屈服時(shí)序與耗能機(jī)制的相關(guān)性S-IO-0．1在梁連接區(qū)圓弧起弧處截面翼緣外側(cè)的測(cè)點(diǎn)在±0．01rad加載級(jí)別率先屈服，內(nèi)側(cè)的測(cè)點(diǎn)在±0．015rad加載級(jí)別以后屈服。梁連接區(qū)圓弧起弧處截面翼緣中間點(diǎn)應(yīng)變片在±0．015rad級(jí)別屈服，翼緣應(yīng)變?cè)谕鈧?cè)邊緣比中間大。節(jié)點(diǎn)域上個(gè)別三向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)基本在±0．01～±0．01rad加載級(jí)別之間達(dá)到vonMises屈服應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)域進(jìn)入塑性在梁連接區(qū)接近端部的截面翼緣之后。梁連接區(qū)端部腹板靠近弧面的三向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)在±0．02rad級(jí)別開始進(jìn)入塑性，遠(yuǎn)離弧面的測(cè)點(diǎn)進(jìn)入塑性很晚或因?yàn)橐砭夐_裂導(dǎo)致應(yīng)力重分布而進(jìn)入塑性。梁連接區(qū)翼緣靠近焊縫處應(yīng)變片在±0．01～±0．03rad級(jí)別進(jìn)入塑性(邊緣先于中間)，說明該鑄鋼節(jié)點(diǎn)很大程度地利用了梁塑性鉸區(qū)域的耗能能力;從±0．04rad級(jí)別起，距離鑄鋼管壁較遠(yuǎn)的焊接H形梁翼緣測(cè)點(diǎn)位置逐步開始進(jìn)入塑性，說明梁翼緣大片區(qū)域在后期進(jìn)入塑性耗能。從宏觀的試驗(yàn)現(xiàn)象看，節(jié)點(diǎn)域剪切變形角占據(jù)了層間位移角很大的比例，說明了節(jié)點(diǎn)域充分發(fā)揮了剪切塑性耗能能力。同時(shí)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出非常好的延性，層間位移角達(dá)到0．09rad。從表2可以看出，鑄鋼模塊大片區(qū)域先后進(jìn)入大塑性應(yīng)變耗能，節(jié)點(diǎn)在許多分散部位發(fā)生延性斷裂或開裂，鋼材斷裂也會(huì)釋放能量，鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高度優(yōu)化的耗能行為，鋼材材料本身的塑性得到充分發(fā)揮。當(dāng)梁連接區(qū)翼緣腹板交接處、翼緣等主要裂縫張開后，節(jié)點(diǎn)的承載力不下降，開裂緩慢發(fā)展，其他部位開裂陸續(xù)發(fā)生，繼續(xù)加載一段時(shí)間后，直至翼緣裂縫貫穿翼緣大部分寬度，才出現(xiàn)荷載顯著下降，此時(shí)斷裂失穩(wěn)，試件破壞。試驗(yàn)中，S-IO-0．1節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)的梁連接區(qū)端部在±0．04rad級(jí)別達(dá)到全截面塑性屈服彎矩值，之后材料繼續(xù)強(qiáng)化，梁端彎矩緩慢增加。S-IO-0．3與S-IO-0．1屈服時(shí)序相似，主要不同之處在于:①梁連接區(qū)翼緣靠近焊縫處應(yīng)變片在±0．01～±0．03rad級(jí)別進(jìn)入塑性(邊緣先于中間);②直到±0．07rad加載級(jí)別時(shí)，離距離鑄鋼管壁較遠(yuǎn)的焊接H形梁翼緣測(cè)點(diǎn)基本處于彈性階段;③試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)的梁連接區(qū)端部在±0．05rad加載級(jí)別達(dá)到全截面塑性屈服彎矩值。

3．3破壞模式各試件的破壞模式對(duì)比見表4。無論軸壓比是0．1或0．3，焊縫熱影響區(qū)均不發(fā)生斷裂。鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)成功避免焊縫出現(xiàn)在“梁柱交接面”的應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域，并使得焊縫遠(yuǎn)離了“梁柱交接面”(彎矩最大截面)。對(duì)于軸壓比為0．1的試件，主導(dǎo)破壞模式是受拉翼緣與腹板在圓角附近的交接處斷裂;對(duì)于軸壓比為0．3的試件，主導(dǎo)破壞模式為冷成型鋼管局部屈曲。

3．4節(jié)點(diǎn)域承載力分析節(jié)點(diǎn)域極限承載力試驗(yàn)值與理論值比較見表5，其中V+u和V－u分別代表節(jié)點(diǎn)域剪力的正向和負(fù)向極限承載力試驗(yàn)值，Vy是按式(2)計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)域剪切屈服承載力，Vu是按式(4)計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)域極限承載力。各試件的節(jié)點(diǎn)域極限承載力比計(jì)算公式大。節(jié)點(diǎn)破壞前，節(jié)點(diǎn)域剪切變形很大，材料繼續(xù)強(qiáng)化，剪切承載力不下降，相比只能利用較小節(jié)點(diǎn)域剪切變形的傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)而言，節(jié)點(diǎn)域的剪切承載力更大。修正節(jié)點(diǎn)域高度后的節(jié)點(diǎn)域極限承載力公式偏安全，適用于該外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)。

3．5節(jié)點(diǎn)剛度分析以梁端荷載位移曲線計(jì)算試件彈性剛度，試件彈性剛度見表6。其中K+e和K－e分別表示正向和負(fù)向彈性剛度。柱軸壓比愈大，試件彈性剛度愈小。參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范Eurocode3［13］對(duì)節(jié)點(diǎn)按剛度分類，節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與梁線剛度之比Sj，ini/(EIb/Lb)小于8，因此節(jié)點(diǎn)屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。

3．6延性分析美國AISC抗震規(guī)范［12］對(duì)高延性鋼框架的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力有如下要求:當(dāng)梁端彎矩下降至0．8倍全截面屈服彎矩時(shí)，層間位移角θ應(yīng)不低于0．04rad。以試件承載力達(dá)到最大值的層間位移角θmax評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的延性，層間位移角愈大，則延性愈好。由表7可以看出:①各試件承載力達(dá)到最大值的層間位移角θmax在0．068～0．087rad之間，遠(yuǎn)大于0．04rad，說明充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)域剪切塑性變形的各個(gè)試件均具有優(yōu)良的延性;②實(shí)際柱軸壓比為0．3的試件比軸壓比為0．1的試件層間位移角小，說明實(shí)際柱軸壓比為0．1的試件延性更好。進(jìn)一步結(jié)合表2與表3中的試驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)際柱軸壓比為0．3的試件裂縫和局部屈曲出現(xiàn)比軸壓比為0．1的試件早且充分，因此軸壓比的增大會(huì)降低節(jié)點(diǎn)延性。節(jié)點(diǎn)域延性采用剪切變形角來判斷最為合適，表7列出了各試件正負(fù)方向的最大剪切變形角γmax，實(shí)際的節(jié)點(diǎn)域失效的剪切變形角大于表中給出的最大值，說明節(jié)點(diǎn)域剪切變形具有非常好的延性。

3．7耗能能力分析選用梁端荷載-位移滯回曲線達(dá)到極限承載力的滯回圈來計(jì)算各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)he［14］。S-IO-0．1和S-IO-0．3的等效黏滯阻尼系數(shù)分別為0．446和0．424，等效黏滯阻尼系數(shù)隨著軸壓比的增大而減小，可見耗能能力隨著柱軸壓比的增大而略有降低。

4結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

(1)新型外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出優(yōu)良的延性、耗能能力及較大的承載力，可充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)域穩(wěn)定剪切塑性耗能且不發(fā)生過早開裂，可作為獲得可靠抗震性能的連接構(gòu)造解決方案。(2)外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)在梁連接區(qū)翼緣弧面起弧處附近先屈服，緊接著節(jié)點(diǎn)域發(fā)生屈服，之后梁與節(jié)點(diǎn)域共同屈服為節(jié)點(diǎn)提供塑性耗能能力。鑄鋼材料本身的塑性得到充分發(fā)揮，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出優(yōu)化的耗能行為?？刂屏号c節(jié)點(diǎn)域的相對(duì)強(qiáng)弱，可實(shí)現(xiàn)對(duì)屈服時(shí)序的控制。現(xiàn)有美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的節(jié)點(diǎn)域承載力公式稍作修正后，可適用于外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)。(3)隨著柱軸壓比的增大，外加勁鑄鋼模塊節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力略有降低。

作者：王偉 王明興 單位：同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  同濟(jì)大學(xué)建筑工程系