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    鋼框架缺陷型箱形柱梁柱節點抗震性能的試驗研究

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    發表時間:2014-08-13 08:26  來源:CCMSA  作者:張艷霞 劉力力 王路遙  瀏覽量:

    要:箱型柱梁柱節點是一種常見的節點形式,然而在實際工程中,往往由于箱柱較型鋼柱加工工藝復雜,經常出現質量缺陷。本文結合鋼框架改進型梁柱節點抗震性能的試驗研究,分別對實際工程中常見的三種缺陷型箱型柱節點在往復荷載下的極限承載力、滯回性能和節點破壞形態等進行了試驗研究。研究表明:缺陷柱節點與一般節點相比,節點承載力急劇下降,整個破壞無明顯預兆,屬于脆性破壞。由此論證了構件及節點質量缺陷引起的后果及規范規程規定的重要意義,為實際工程提供借鑒和參考。

     

    關鍵詞:鋼框架缺陷型箱型柱;梁柱節點;抗震性能

    1.引言

    在實際工程中,鋼框架箱型柱梁柱節點,由于加工和施工的原因,箱型柱常常會出現一些缺陷,以至于影響到其節點的受力性能?!督ㄖO計抗震規范》(GB50011-2010)中相關規定如下:梁與柱剛性連接時,柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內,箱形柱壁板間及與梁對應位置設置的隔板的連接焊縫應采用全熔透坡口焊縫 (8.3.48.3.5),箱形柱在梁翼緣相應位置應設置隔板,隔板的厚度不應小于梁翼緣的厚度,強度與梁翼緣相同(8.3.4)。本文結合鋼框架改進型梁柱節點抗震性能的試驗研究,分別設計三組缺陷箱型柱節點:A. 梁翼緣上下500mm范圍柱壁板間全熔透焊、加腋處未沒設加勁肋、隔板只有三面焊;B.隔板與翼緣沒有對齊;C.隔板的厚度小于翼緣的厚度。對其在往復荷載下的極限承載力、滯回性能和節點破壞形態等做了試驗研究,以此論證構件及節點質量缺陷引起的后果及規范規程規定的重要意義,為實際工程提供借鑒和參考。

    2.試驗構件設計

    1 構件尺寸及箱柱缺陷

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    3.試驗結果及分析

    3.1 SP1-1SP1-2節點對比分析

    3.1.1試驗現象及最終破壞形態

    SP1-2試驗過程當中并未出現明顯的彈性受力階段和彈塑性受力階段,層間位移角到達0.01rad時,正向加載出現承載力不再上升的現象,但反向加載承載力持續上升;層間位移角加載到0.015rad,反向加載到最大位移時,突然出現巨大聲響,承載力突降,梁下翼緣焊縫開裂;層間位移角到達0.02rad時,梁下翼緣焊縫開裂明顯,梁下加腋處焊縫也出現開裂(如圖1a)),當層間位移角加載到0.04rad時,與梁連接一側的柱面被拉開。隨著層間位移角的增加,梁柱焊縫的破壞程度越加嚴重,層間位移角加載到0.05rad時,試驗停止。整個試驗當中梁并未出現任何屈曲變形現象,與梁連接一層柱面撕裂嚴重。柱破壞形態如圖1(b),節點SP1-1的最終破壞形態與構造基本相同的節點SP1-2的破壞形態對比圖如圖2所示。

    由兩個節點的最終破壞形態對比可知,SP1-2節點雖然也進行了擴翼-狗骨的改進措施,但加載過程中梁并未出現塑性鉸,節點完全沒有到達任何的耗能目的,破壞時柱與梁連接一側柱面破壞,節點承載力非常低。而SP1-1節點通過梁端的改進,達到了塑性鉸外移的目的,節點耗能能力強,承載能力高。

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               SP1-2節點                        SP1-1節點

    1 SP1-2試驗現象

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    2 柱破壞形態對比圖

    3.1.2滯回曲線及骨架曲線對比

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    (a) SP1-2節點

     

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    (b) SP1-1節點

    3節點滯回曲線

    由圖3兩個節點的滯回曲線對比可以看出,SP1-2節點并未出現彈塑性受力階段,當層間位移角加載到0.015rad時,梁下翼緣焊縫開裂,節點喪失承載能力,在此后的加載過程中,節點承載力不再上升,且持續下降。整個破壞屬于脆性破壞,無明顯預兆。而SP1-1節點的滯回曲線圓潤飽滿,耗能能力強,破壞形式屬于延性破壞。

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    (a) SP1-2節點

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     (b) SP1-1節點

    4骨架曲線

    由圖4兩個節點的骨架曲線對比可以看出,SP1-2節點的滯回曲線呈“反S型”,骨架曲線沒有出現強化段,當節點承載力到達一定值后,未經強化即過渡到下降段,且下降段承載力下降迅速,整個加載過程中承載力峰值約為+130kN,-180kN;而SP1-1節點骨架曲線有完整的強化段和下降段,承載力峰值約為±380kN,是SP1-2試件承載力的3倍。

    3.2 SP1-3箱柱缺陷型節點試驗結果及分析

    3.2.1試驗現象

    層間位移角位于0.00375rad0.01rad之間,節點處于彈性受力階段,節點承載力達到250kN;當層間位移角達到0.015rad時,節點開始屈服,梁端正向加載到第二循環時,梁上翼緣輕微鼓起(如圖5 (a)),此時節點承載力到達290kN;隨著層間位移角的增加,節點承載力繼續升高;層間位移角到達0.03rad時,上翼緣削弱部位鋼板發生變形(如圖5 (b)),節點承載力到達356kN;層間位移角達到0.04rad時,上翼緣狗骨削弱最深處屈曲變形明顯,腹板也發生了輕微屈曲(如圖5 (c)),此時節點承載力下降到290kN;繼續加載后,梁上翼緣與柱翼緣連接處焊縫開裂,隨著層間位移角的增加,梁上翼緣與柱面慢慢脫開(如圖5 (d)),后經查證箱柱內隔板與梁上翼緣并未對齊,導致了此現象的發生。試驗被迫停止。

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    (c) 0.04rad                 (d) 焊縫破壞情況

    5SP1-3試驗現象

    3.2.2滯回曲線及骨架曲線

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    6 SP1-3滯回曲線和骨架曲線

    6為試驗所得滯回曲線及骨架曲線。由滯回曲線及骨架曲線可以看到,節點在屈服之后,焊縫開裂之前,滯回曲線明顯呈“梭形”,且極限承載力一直呈上升趨勢,當上翼緣與柱連接處焊縫開裂后,承載力由峰值348.07kN直接下降至119.11kN,之后正向加載時承載力僅由腹板承擔,承載力不再上升,試驗被迫結束。

    3.3 SP1-4箱柱缺陷型節點試驗結果及分析

    3.3.1試驗現象

    試驗過程中,當層間位移角到達0.01rad,正向加載到227kN,但當反向加載到最大時,發生巨大聲響,同時發現梁端下翼緣處焊縫開裂(如圖7a));繼續加載,層間位移角到達0.015rad時,荷載不再出現上升現象,試件屈服;層間位移角道道0.02rad時,正向加載到最大時,上翼緣焊縫開裂(如圖7b));層間位移角到達0.03rad時,上下翼緣焊縫的開裂情況繼續加深,且當正向加載到最大時,下翼緣與柱連接處柱被拉的鼓起來;到達0.04rad時,上下翼緣焊縫完全破壞,剛接變成了鉸接;0.05rad時,柱面相對上下翼緣處有撕開現象(如圖7c));0.06rad時,下翼緣完全被撕開(如圖7d)),試驗結束。

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    7SP1-4試驗現象

    3.3.2滯回曲線及骨架曲線

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    8 SP1-4滯回曲線和骨架曲線

    由圖8滯回曲線和骨架曲線可以看出,節點未出現彈塑性受力階段,也沒有出現強化階段,而是當層間位移角到達0.15rad時,由于梁下翼緣焊縫的開裂,使得梁的承載力突然從309.61kN降低到187kN,節點喪失承載能力,并在以后的加載過程中,節點承載力持續下降。整個破壞過程延性低。

    4.結論

    目前箱柱廣泛運用于鋼結構工程當中,然而在實際工程中,往往由于箱柱較型鋼柱加工工藝復雜,經常出現質量缺陷。例如,柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內,箱形柱壁板間未能夠采用全熔透坡口焊縫,箱柱內隔板的施工處理上往往會出現內隔板只焊接了三面、隔板與梁翼緣沒有對齊、隔板厚度較小等問題,這些問題的出現嚴重影響了箱柱梁柱節點的受力性能和抗震性能,降低了節點的承載能力、延性性能和耗能能力,極大影響了房屋的結構安全,因此,在鋼結構房屋結構設計和施工應嚴格遵守相關規范條文的規定。

    參考文獻

    [1] 中華人民共和國國家標準,建筑抗震設計規范 (GB50011-2010).北京:中國建筑工業出版社,2010

    [2] Ecommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings FEMA350/JULY 2000

    [3] 陳誠直,李智民.鋼構造梁擴翼接頭之耐震行為[J].建筑鋼結構進展.2007.10

    [4] Cheol-Ho Lee, Jae-Hoon Kim, Sang-Woo Jeon, Jin-Ho Kim. Influence of Panel Zone Strength and Beam Web Connection Method on Seismic Performance of Reduced Beam Section Steel Moment Connections. CTBUH 2004 October 10~13

    [5] Sheng-Jin Chen and Chin-Te Tu. Experimental Study of Jumbo Size Reduced Beam Section Connections Using High-Strength Steel. Journal of structural engineering ASCE / APRIL 2004

     

    (北京建筑工程學院,北京,100044

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