半剛性連接鋼框架梁柱節(jié)點試驗研究

半剛性連接鋼框架梁柱節(jié)點試驗研究

0半剛性節(jié)點的必要性多高層鋼框架剛性連接的梁柱節(jié)點具有良好的承受能力，但結(jié)構復雜，施工困難，存在節(jié)點限制作用，節(jié)點延續(xù)性差，容易發(fā)生脆弱損害。鉸接連接的梁柱節(jié)點雖然構造簡單,但剛度和耗能性能差,并忽略了節(jié)點約束的有利作用,對結(jié)構抗風、抗震不利。半剛性連接節(jié)點承載性能好,構造簡單,施工快,質(zhì)量易保證,可節(jié)省節(jié)點用鋼量,而且,當鋼框架結(jié)構采用半剛性節(jié)點,可以增加結(jié)構阻尼,延長周期,減少振幅,降低震害,對于低烈度區(qū)的鋼結(jié)構房屋抗震設計,將帶來有利影響。目前,國內(nèi)外許多單位和學者對半剛性連接都在進行研究與試驗,但由于半剛性連接的非線性性質(zhì)決定了連接的復雜性,因而半剛性連接不能按常用的計算模型計算,要系統(tǒng)全面掌握半剛性連接的受力性能和設計方法,有可利用的數(shù)據(jù)庫,并有權威機構做出的規(guī)定和提供明確指引的文獻,計算機設計軟件等,并使之推廣與應用,必須在半剛性節(jié)點連接中進行深入和細致的研究。1連接體系的特性歐美等國家早已明確規(guī)定半剛性連接類型,歐洲規(guī)范(EC3、EC4)按框架有無側(cè)移將框架連接分為剛性、半剛性和鉸接連接三類。美國鋼結(jié)構學會(AISC,1989,1993)允許應力法(ASD)設計規(guī)范(AISC,1989)列出三種結(jié)構形式。(1)剛接框架:假定梁柱連接都有足夠的剛度,能保持相交構件原有的幾何角度,并可以進行彈性分析。(2)簡支框架:假定梁柱連接在結(jié)構受到重力載荷時只能傳遞豎向反力,不能傳遞彎矩,可無約束自由轉(zhuǎn)動。(3)半剛性連接框架:假定梁柱連接能傳遞豎向剪力,也能傳遞一定彎矩。載荷和抗力系數(shù)(LRFD)規(guī)范(AISC,1999)在其規(guī)定中有兩種結(jié)構形式:FR型(完全約束)和PR型(部分約束)和鉸接,FR型相當于ASD規(guī)范中剛接框架,PR型相當于簡支框架。日本規(guī)范也將框架分為剛接、半剛性連接和鉸接三類。我國GB50017鋼結(jié)構設計規(guī)范規(guī)定了梁柱半剛性連接是有限的轉(zhuǎn)動剛度,在承受彎矩的同時會產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)角,在內(nèi)力分析時必須確定連接的彎矩轉(zhuǎn)角特性,以便考慮變形的影響,但規(guī)范未給出M—θ關系的具體數(shù)據(jù),對進一步如何實現(xiàn)半剛性連接的設計計算、要求標準以及實施步驟均未做出說明。目前,常用的半剛性連接的主要形式如圖1。2試驗總結(jié)2.1回采柱和試件本試驗采用的試件中梁柱均采用熱扎H型鋼,梁截面為HN300mm×150mm×6mm×9mm,柱截面為HW200mm×200mm×8mm×12mm,柱高為2800mm、梁長為1600mm,共制作了7個構件(圖2),TA-1和TA-2兩個試件為T型鍵連接,T型鋼為175×150×12×12和175×150×12×16兩種,TB1、TB-2、TB-3為外伸端板連接,外伸端板厚度采用16mm、22mm兩種,TC-1和TC-2為頂?shù)捉卿摳拱咫p角鋼連接和雙腹板角鋼連接,連接角鋼規(guī)格為L90×10。除TB-3構件外均在節(jié)點柱腹板處配置厚12mm橫向加勁肋,并與梁上下翼緣對齊,螺栓采用10.9級M20的摩擦型高強螺栓連接。2.2構件內(nèi)部破壞試驗加載過程為混合加載,試件屈服前用荷載控制,;屈服后用梁端豎向位移控制,位移步長為屈服位移,直至構件破壞。壓力傳感器用來測定千斤頂?shù)耐屏?1#位移計布置在梁翼緣量測梁監(jiān)控點的位移,在柱翼緣外表面和節(jié)點域布置位移計用以量測柱節(jié)點域轉(zhuǎn)動和柱腹板的變形,拉壓力傳感器和量測梁水平位移的百分表連在UCAM-70A靜力電阻數(shù)據(jù)采集儀上直接繪出P-△曲線。3梁上翼緣與柱翼緣定型損傷試件TA-1,在梁端荷載達到45kN時,柱左翼緣外凸,梁端T型鍵與柱翼緣出現(xiàn)明顯裂縫。當梁端載荷加到62kN時,柱兩側(cè)翼緣變形明顯。極限荷載達到82.4kN,此時柱節(jié)點域有斜向裂紋,梁端位移為134.7mm,T型鍵與柱翼緣之間開裂達13.1mm。試件TA2,梁端荷載達58kN時,柱左翼緣外凸,表面起皺、脫皮。當載荷達72kN時,柱翼緣外凸很嚴重,上T型鍵與柱翼緣出現(xiàn)明顯裂縫,極限載荷達86.9kN,梁端位移為126.9mm,T型鍵與柱翼緣之間開裂達12.7mm。試件TB-1,在梁端荷載達到49.2kN時,梁上翼緣處端班與柱翼緣連接處開裂,節(jié)點板域出現(xiàn)斜向細裂紋,柱左翼緣外凸明顯,梁下翼緣在加腋處有明顯的彎曲變形。梁端位移加至91.7mm時,極限載荷達94.7kN,螺栓處柱翼緣外凸很嚴重,端板自身幾乎無變形,梁上翼緣處端板與柱翼緣連接處開裂達15.6mm。試件TB-2,在梁端載荷達到64.1kN時,梁上翼緣處端板與柱翼緣連接處開裂,節(jié)點板域出現(xiàn)斜向細裂紋,柱左翼緣外凸明顯。梁端位移加至110.7mm時,極限載荷達96.3kN,螺栓處柱翼緣外凸比較嚴重,端板自身幾乎無變形,而與柱翼緣一起變形,梁上翼緣處端板與柱翼緣連接處開裂達11.5mm。試件TB-3,在梁端載荷達到35.2kN時,柱節(jié)點板域出現(xiàn)斜向細裂紋,起皺、脫皮,梁端載荷達到72.7kN時,節(jié)點域變形和裂紋更加明顯,柱左翼緣外凸明顯,極限荷載達93.2kN,梁端位移為104.2mm,梁上翼緣處端板與柱翼緣連接處裂縫為12.1mm。試件TC-1,在梁端荷載達到43.9kN時,上角鋼與柱翼緣連接處有明顯裂縫,腹板角鋼與柱翼緣稍見裂縫,梁端荷載達到54.7kN時,柱節(jié)點板域出現(xiàn)斜向細裂紋,起皺、脫皮,柱左翼緣稍有外凸,上角鋼肢背脫離柱翼緣,裂縫很大達10.3mm,極限荷載達62.3kN,梁端位移為130.2mm,上角鋼與柱翼緣連接處裂縫為17.4mm。試件TC-2,在梁端荷載達到11.5kN時,梁腹板角鋼發(fā)生變形,第二排螺栓處因變形過大達11.2mm,致使測試6#百分表脫落,梁端位移為19.3mm時,梁腹板出現(xiàn)明顯整齊的環(huán)形裂紋,連接角鋼肢背產(chǎn)生裂縫,梁下翼緣與柱翼緣頂緊,出現(xiàn)瞬間承載力提高。極限荷載達16.3kN,梁柱構件無變化,只有連接角鋼轉(zhuǎn)動較大,梁端位移為127.3mm。各試驗構件節(jié)點破壞照片如圖2(a、b、c、d、e、f、g)4梁柱節(jié)點板域半剛性連接(1)從節(jié)點抗彎承載力分析,半剛性連接彎矩—轉(zhuǎn)角性能都為非線性的各種連接,都在理想的剛接和鉸接之間,而且T型鍵、端板連接剛度最大,接近剛接;腹板雙角鋼連接剛度最小,傳遞的彎矩很小,接近鉸接。(2)半剛性連接都具有較好的延性和變形性能,抗震性能好,節(jié)點吸收能量大部分都通過T型鍵、端板、頂?shù)捉卿摵透拱褰卿搧硐?梁對柱的約束剛度降低了,柱翼緣幾乎不參于消耗能量,所以半剛性連接在多層鋼結(jié)構框架中應用非常合理。(3)TA-2抗彎承載力大于TA-1,說明增大T型鍵厚度對提高承載力有效;TB-1、TB-2、TB-3破壞現(xiàn)象說明增加端板厚度可以提高節(jié)點抗彎承載力;TC-1承載力大于TC-2,說明頂?shù)捉卿摳拱咫p角鋼連接剛度較好,由于腹板處角鋼限制節(jié)點轉(zhuǎn)動,因而提高了連接的承載力。(4)柱節(jié)點板域的變形主要以剪切變形為主,在彈性階段,剪切變形幾乎可以忽略,在彈塑性階段,柱節(jié)點板域的剪切變形迅速增加,導致板域斜向裂縫明顯,設計時剪切變形應適當考慮。(5)柱