高層鋼框架節(jié)點(diǎn)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

高層鋼框架節(jié)點(diǎn)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)模擬在1994年美國(guó)北德羅志地震和1995年日本科貝斯塔地震中，大量連接節(jié)點(diǎn)受到脆弱破壞。在強(qiáng)烈地震作用下,框架節(jié)點(diǎn)的變形一般都處于復(fù)雜的非線性彈塑性狀態(tài)中,合理而經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)利用結(jié)構(gòu)的非彈性變形,尤其是鋼梁與鋼筋屈服后的塑性變形所能吸收的能量。時(shí)程反應(yīng)分析法是當(dāng)今世界公認(rèn)的一種較合理的分析方法,它是利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑物在地震時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,預(yù)測(cè)在地震波作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及其破壞特征,然后再對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反饋修正,以確保所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具備相當(dāng)?shù)陌踩?。顯然預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及其安全性的可靠程度,主要取決于對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的滯回特性認(rèn)識(shí)的可靠性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件恢復(fù)力模型的準(zhǔn)確程度。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者都對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力特性做過(guò)研究,提出了一些恢復(fù)力模型,目前常用的彈塑性恢復(fù)力模型包括:雙線型、三線型、四線型(帶負(fù)剛度段)、退化二線型、退化三線型、指向原點(diǎn)型和滑移型,但都沒(méi)有考慮組合效應(yīng)的影響。在Northridge地震的震后調(diào)查中發(fā)現(xiàn),混凝土樓板與鋼梁間的協(xié)同受力作用,造成大量梁柱節(jié)點(diǎn)的下翼緣應(yīng)力水平偏高,提前發(fā)生脆性破壞,因此,在鋼框架抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮到樓板的組合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)下抗震性能的影響。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)組合效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)型、改進(jìn)型梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回特性進(jìn)行了分析,探討了組合梁柱節(jié)點(diǎn)的延性指標(biāo)、耗能能力和強(qiáng)度、剛度退化等滯回特性參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)型、改進(jìn)型型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)滯回曲線,提出了這兩類節(jié)點(diǎn)宜采用的二折線恢復(fù)力模型。節(jié)點(diǎn)彈塑性恢復(fù)力模型的提出,為罕遇地震下考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)組合效應(yīng)的高層鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析提供了基礎(chǔ)。1試件結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)所進(jìn)行的四個(gè)節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn),選取了常規(guī)承重鋼框架梁柱反彎點(diǎn)之間的一個(gè)平面組合體,試件采用主框架平面的十字形足尺模型。其中鋼梁柱部分均為焊接H型鋼,梁腹板用高強(qiáng)度螺栓通過(guò)連接板與柱翼緣連接。鋼梁截面尺寸均為400mm×150mm×8mm×14mm,每側(cè)鋼梁長(zhǎng)1.8m,柱截面尺寸均為450mm×250mm×12mm×16mm。鋼板所用材料為Q235B鋼,樓板采用壓型鋼板組合樓蓋,樓板寬度為850mm,樓板厚125mm,其中壓型鋼板高75mm。混凝土采用C30級(jí),混凝土板縱筋采用直徑為12mm的HRB335鋼筋,其中CJ1和CJ2試件采用12@110的小配筋率,而CJ3和CJ4采用12@80的大配筋率設(shè)置,分布鋼筋則采用8@100的HPB235鋼筋。節(jié)點(diǎn)部分的詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示,梁端上下翼緣與柱翼緣外側(cè)的全熔透對(duì)接焊縫施焊時(shí)都設(shè)有焊接襯板,襯板與梁柱翼緣點(diǎn)焊固定,施焊后未去掉襯板。梁端由豎直放置固定于絲杠上的上下4個(gè)千斤頂輪流施加壓力,在梁端施加豎直低周往復(fù)循環(huán)荷載直至構(gòu)件完全破壞,如圖2所示。試驗(yàn)中上下柱反彎點(diǎn)為不動(dòng)鉸,梁反彎點(diǎn)為自由端,忽略了柱子位移時(shí)的P-δ效應(yīng),以梁端塑性鉸和核心區(qū)為主要研究對(duì)象。節(jié)點(diǎn)量測(cè)項(xiàng)目包括施加荷載、加載點(diǎn)位移、梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)域變形、沿梁下翼緣中線應(yīng)力分布及梁腹板上應(yīng)力分布等。2節(jié)點(diǎn)的延性及耗能特性在低周反復(fù)荷載作用下,梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回特性主要通過(guò)循環(huán)荷載加載過(guò)程中強(qiáng)度和剛度的變化情況、延性指標(biāo)以及能量耗散能力等幾方面來(lái)描述。根據(jù)荷載-變形的滯回曲線,可以計(jì)算得到各試件的滯回圈累計(jì)面積S、滯回包絡(luò)線面積A、能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he。這些參數(shù)代表了試件在地震往復(fù)荷載下吸收能量的能力大小。以各試件破壞時(shí)的極限轉(zhuǎn)角φu和屈服時(shí)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角φy的比值μ=φu/φy定義為轉(zhuǎn)角延性系數(shù),作為節(jié)點(diǎn)在屈服后的塑性變形能力的度量指標(biāo),另外定義節(jié)點(diǎn)承載力儲(chǔ)備Sr=Mu/My,用以表示節(jié)點(diǎn)開(kāi)始屈服后承載能力繼續(xù)增加的能力。表1給出了上述各延性和耗能指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。圖3給出了試驗(yàn)中4個(gè)節(jié)點(diǎn)滯回曲線無(wú)量綱化的包絡(luò)圖,橫坐標(biāo)為相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)能力,等于轉(zhuǎn)角φ與彈性極限轉(zhuǎn)角φy的比值;縱坐標(biāo)為相對(duì)彎矩,等于節(jié)點(diǎn)彎矩M與彈性極限彎矩My的比值。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,各節(jié)點(diǎn)的滯回曲線都比較飽滿,基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的梭形,耗散能量的能力較大,呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和延性特征。鋼框架節(jié)點(diǎn)在反復(fù)循環(huán)豎向荷載作用下的滯回曲線圖形基本上是對(duì)稱的,基本上可分為“屈服段”、“極限段”兩部分。各個(gè)試件的滯回曲線表明,當(dāng)梁端變形增加時(shí),梁剛度逐漸衰減,耗能逐漸增加,這種變化不僅受荷載增加的影響,而且還受到荷載不變時(shí)循環(huán)次數(shù)增加的影響。但由于鋼梁的剛度退化并不明顯,因此限制了混凝土樓板低周疲勞的發(fā)展,使整個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗剪能力和剛度退化均較緩慢,同級(jí)荷載作用下剛度退化不明顯。各曲線形狀大體一致,但也存在著以下差別。2.1滯回圈累計(jì)面積以及能耗對(duì)于每個(gè)試件,包絡(luò)線面積大致代表了在加載到極限位移的一個(gè)加載循環(huán)中,節(jié)點(diǎn)所吸收的能量。包絡(luò)線越飽滿光滑,越接近于梭形,耗能能力越好。另外,對(duì)于節(jié)點(diǎn)吸收的實(shí)際能量,還與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。通過(guò)比較表1中列出的試驗(yàn)加載過(guò)程中各試件的滯回圈累計(jì)面積S,可以看到因?yàn)楹附尤毕荻^早破壞的試件CJ3的累計(jì)面積非常小,也即吸收的能量非常小,這對(duì)于節(jié)點(diǎn)抗震性能是非常不利的。大焊接孔和高配筋率的CJ4由于循環(huán)的次數(shù)最多,因此其能量吸收也是最大的,比CJ3要高出61%,耗能效果比較突出。國(guó)外一些試驗(yàn)研究成果表明節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與其耗能能力存在某種關(guān)系:在保證節(jié)點(diǎn)延性破壞的前提下,通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳力板件的局部減弱,節(jié)點(diǎn)的承載力會(huì)有所降低,但其耗能能力將有所提高。CJ4通過(guò)擴(kuò)大焊接工藝孔,不僅使焊接的施工質(zhì)量得以保證,而且可以改變節(jié)點(diǎn)的破壞模式,提高其耗能性能;較多的鋼筋可以彌補(bǔ)強(qiáng)度上的削弱,使節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高,延性好。2.2節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角延性系數(shù)各節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的延性系數(shù)μ不同,但均大于3。延性系數(shù)越大,說(shuō)明其屈服后的超彈性變形能力越好,發(fā)生脆性破壞的可能性也越小。在所進(jìn)行的試驗(yàn)中,改進(jìn)型的高配筋節(jié)點(diǎn)CJ4的μ值最大,標(biāo)準(zhǔn)型的低配筋節(jié)點(diǎn)CJ1次之,改進(jìn)型的低配筋節(jié)點(diǎn)CJ2與CJ1相差無(wú)幾,而標(biāo)準(zhǔn)型的高配筋節(jié)點(diǎn)CJ3最差,其脆性破壞發(fā)生最早,耗能能力也相對(duì)最差。對(duì)于試驗(yàn)中的考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)組合效應(yīng)的栓焊連接節(jié)點(diǎn),過(guò)大的延性系數(shù),將可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度較大的降低,因此從試驗(yàn)結(jié)果看,節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角延性系數(shù)取3.0較為合適,既能保證節(jié)點(diǎn)塑性的充分發(fā)揮,又能保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力和剛度。這一結(jié)論與文獻(xiàn)中得到的是一致的,說(shuō)明在考慮組合效應(yīng)后,節(jié)點(diǎn)的延性雖然有所下降,但是能夠滿足抗震設(shè)計(jì)的需要。2.3節(jié)點(diǎn)延性和承載力的要求各節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的承載力儲(chǔ)備Sr也不盡相同,分布在1.295～1.689之間。節(jié)點(diǎn)在承受低周往復(fù)循環(huán)荷載時(shí),承載能力會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降。承載力儲(chǔ)備Sr越大,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在屈服后承載力的上升幅度越大,在設(shè)計(jì)中就應(yīng)考慮利用鋼梁與鋼筋屈服后強(qiáng)度。試驗(yàn)中除了CJ4的Sr值較大之外,其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)差別不大。從試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),盡管通常來(lái)說(shuō)焊接孔構(gòu)造對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力有影響,較大的焊接孔一般會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的極限承載力,但應(yīng)該指出,改變焊接孔形狀和尺寸的主要目的是改善節(jié)點(diǎn)的延性性能。判斷一種焊接孔構(gòu)造是否合理的主要標(biāo)準(zhǔn)是它能否降低應(yīng)力和應(yīng)變集中,降低節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的危險(xiǎn),而不是它對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響。事實(shí)上,試驗(yàn)結(jié)果表明,改善節(jié)點(diǎn)的延性后,減少了較早發(fā)生斷裂的可能性,使得截面的塑性發(fā)展比較完全,充分發(fā)揮了材料的承載性能,反而能夠安全而有效地提高試件的極限承載力。由此可見(jiàn),在考察節(jié)點(diǎn)試件的力學(xué)性能時(shí),應(yīng)該綜合考慮到強(qiáng)度、剛度及轉(zhuǎn)動(dòng)能力各方面的協(xié)調(diào)和影響。2.4橫向加荷延性系數(shù)為了反映節(jié)點(diǎn)在經(jīng)歷多次反復(fù)循環(huán)荷載以后的承載性能與變形的統(tǒng)一關(guān)系,可以采用累計(jì)延性系數(shù)來(lái)表征。向上加荷的累計(jì)延性系數(shù)μ=(φ1+φ3+?+φn)/φy(1)μ=(φ1+φ3+?+φn)/φy(1)向下加荷的累計(jì)延性系數(shù)μ=(φ2+φ4+?+φn+1)/φ′y(2)μ=(φ2+φ4+?+φn+1)/φ′y(2)上式中:φy和φ′y為屈服時(shí)的轉(zhuǎn)角(向上、向下各有一個(gè)),而φ1和φ2等指向上和向下加荷時(shí)所達(dá)到的最大轉(zhuǎn)角。這樣,每一循環(huán)向上、向下加荷時(shí)可以計(jì)算出各自的累計(jì)延性系數(shù)。將累計(jì)轉(zhuǎn)角延性系數(shù)作為橫坐標(biāo),以每一循環(huán)向上、向下加荷時(shí)的截面最大試驗(yàn)彎矩與屈服彎矩的比值作為縱坐標(biāo),可以得到圖3。圖中每一條曲線,代表著一個(gè)構(gòu)件,曲線上的點(diǎn),代表著第幾循環(huán)。從圖3可以清楚的看出,當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加時(shí),累計(jì)延性系數(shù)增大,而同級(jí)荷載下節(jié)點(diǎn)的最大彎矩降低,體現(xiàn)出試件進(jìn)入塑性后強(qiáng)度和剛度的退化。2.5節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度退化分析試件在往復(fù)荷載作用下強(qiáng)度和剛度退化的原因,主要是由于混凝土板開(kāi)裂,以及鋼筋出現(xiàn)了粘結(jié)滑移引起的。對(duì)于長(zhǎng)焊接孔的CJ2和CJ4,除了上述原因之外,還由于長(zhǎng)焊接孔使得梁腹板和翼緣可以相對(duì)自由變形,在試件進(jìn)入塑性后,焊孔區(qū)段內(nèi)梁翼緣發(fā)生明顯屈曲變形,初始的屈曲變形在隨后的位移反向過(guò)程中尚可恢復(fù),但當(dāng)位移加大或在同一級(jí)位移重復(fù)的過(guò)程中,屈曲變形加大,且不能完全恢復(fù),位移循環(huán)次數(shù)的增加,將進(jìn)一步加大屈曲變形,從而造成節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度的進(jìn)一步降低,即為退化發(fā)生,CJ4的剛度退化尤為明顯。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Astaneh-Asl教授的研究工作曾提出:在地震荷載作用下,結(jié)構(gòu)剛度的退化在一定程度上有利于結(jié)構(gòu)抗震。如何在確保承載力和剛度在地震荷載作用下退化到一個(gè)合理的程度,除了出于結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)的考慮之外,還必須考慮鋼框架各單元對(duì)于結(jié)構(gòu)整體所造成的影響。綜合試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)滯回特征,CJ4的包絡(luò)線面積最大,延性最好,滯回曲線最為飽滿光滑,證明該節(jié)點(diǎn)具有良好的承受低周往復(fù)循環(huán)地震荷載的能力,并且這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也便于加工制作,經(jīng)濟(jì)效益佳,值得推薦。3恢復(fù)力模型的確定恢復(fù)力模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析的基礎(chǔ),由于地震作用過(guò)程的變形速度快,且是反復(fù)多次循環(huán)加載過(guò)程,因此,可以在結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,加以綜合、理想化而形成特定的恢復(fù)力模型。確定恢復(fù)力模型的試驗(yàn)方法主要有三種,分別是反復(fù)靜荷載試驗(yàn)法,周期循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)法和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法。目前多采用本文中的反復(fù)靜荷載試驗(yàn)法來(lái)確定恢復(fù)力模型。通?？蛇x用非線性模型和線性模型,前者可考慮Bauschinger效應(yīng)、應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)、強(qiáng)度退化效應(yīng)的影響。由于考慮了諸多影響因素,使得單元?jiǎng)偠缺磉_(dá)非常復(fù)雜。實(shí)際上結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)發(fā)生在震后的最初2～3s內(nèi),結(jié)構(gòu)振動(dòng)循環(huán)次數(shù)不多,位移并非很大時(shí),其強(qiáng)度退化不明顯。國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究表明,梁、柱及節(jié)點(diǎn)板域單元的恢復(fù)力模型可采用二折線型,亦能反映各單元的恢復(fù)力特性,且表達(dá)直觀、簡(jiǎn)便。3.1折線恢復(fù)力模型在試驗(yàn)研究和有限元研究的基礎(chǔ)上,提出了節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力計(jì)算模型。針對(duì)四種形式節(jié)點(diǎn)的滯回曲線包絡(luò)圖,對(duì)其進(jìn)行分段線性模擬,總結(jié)歸類,得到以兩種鋼節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的組合節(jié)點(diǎn)的建議恢復(fù)力模型,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)和改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)均采用如圖4所示的二折線恢復(fù)力模型。對(duì)于二折線的恢復(fù)力模型,曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱,控制點(diǎn)的確定包括彈性極限彎矩My,塑性極限彎矩Mu,彈性極限轉(zhuǎn)角φy,塑性極限轉(zhuǎn)角φu。橫坐標(biāo)為φ/φy,取值范圍為(-φu/φy,φu/φy);縱坐標(biāo)為M/My,取值范圍為(-Mu/My,Mu/My)。在圖4中,Ke為節(jié)點(diǎn)的相對(duì)彈性剛度,Kp為屈服后的塑性剛度,Kr為剛度退化后的剩余剛度。3.2節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)和改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型各段如表2所示下:建議恢復(fù)力模型中節(jié)點(diǎn)承載力儲(chǔ)備系數(shù)Sr=Mu/My,其取值在1.20～1.40之間;節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角延性系數(shù)μ=φu/φy取3.0。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型時(shí),My和φy可以取柱表面處梁截面達(dá)到邊緣屈服時(shí)的彎矩和轉(zhuǎn)角,Mu和φu的確定與梁截面的具體尺寸和節(jié)點(diǎn)形式有關(guān),需要綜合考慮節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載能力、節(jié)點(diǎn)剩余強(qiáng)度和設(shè)計(jì)安全度等諸多因素的影響。值得注意的是,各種節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型的卸載階段的剛度Kr與節(jié)點(diǎn)彈性剛度Ke并不完全相等,這與理想強(qiáng)化模型不同。一般而言,結(jié)構(gòu)卸載時(shí)其剛度應(yīng)該等于彈性階段的剛度,其中的差異是由于截面塑性發(fā)展,混凝土開(kāi)裂、鋼筋的滑移、混凝土與鋼梁間的滑移、高強(qiáng)度螺栓滑移以及剪切板與梁翼緣間的滑移等因素影響,這種剛度退化是不可避免的,也是不可恢復(fù)的。4抗震節(jié)點(diǎn)的選擇合理合理本文總結(jié)了考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)組合效應(yīng)的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)滯回特性,提出了考慮組合作用的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的建議恢復(fù)力模型。(1)研究