端板连接蜂窝梁-柱节点抗震性能试验研究_贾连光.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期 端板连接蜂窝梁柱节点抗震性能试验研究贾连光 毕 然 李秋镕（沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳）摘 要：为研究开孔形状、开孔率和混凝土楼板对蜂窝梁柱端板连接节点抗震性能的影响，设计 个足尺边节点并进行拟静力加载试验，研究试件破坏模式、承载能力、延性和耗能性能等。结果表明：对有楼板的试件，孔型对节点破坏形态和抗震性能影响较大，六边形孔更易发生梁铰破坏且耗能性能更好；开孔率对节点的破坏形态、承载能力和延性影响较大，适当提高开孔率有利于应力由端板连接处向首孔迁移，降低端板与柱翼缘的应变极限值；楼板的组合效应使节点的抗弯承载力提高 以上，耗能和延性分别提高.和.，极限转角提高.，但会减弱应力由端板连接处向首孔的迁移效应。对于梁铰破坏形式的组合节点，采用 中对腹板开洞组合梁的承载力计算方法所得结果与试验值吻合较好。关键词：蜂窝梁；端板连接；应力迁移；塑性铰；拟静力试验；抗震性能 ：.（，）：，.，.，：；国家自然科学基金项目（）。第一作者：贾连光，男，年出生，硕士，教授。电子信箱：收稿日期：实腹梁柱端板连接在低周往复荷载作用下，端板与梁翼缘之间焊缝、加劲肋与端板间的焊趾均易发生开裂，严重影响连接塑性变形充分发展并导致滞回性能劣化。目前解决连接发生脆性破坏的设计方法之一为梁腹板削弱型节点，该类节点与实腹梁式节点相比，可以减缓节点域应力集中程度，避免节点连接处端板或焊缝先于梁截面发生破坏，使塑性铰形成在远离梁柱连接处的梁截面，从而保护节点域。此外，采用腹板开孔梁便于建筑设备管线的穿越，有节省空间、降低层高、减少用钢量等优点。国内外学者对梁腹板开孔型节点进行了大量研究。等对钢梁上开单孔或连续孔的连接进行了低周往复荷载试验，研究表明：此类连接可以使应力从节点域迁移至开孔处，使结构具有更好的耗能能力和延性性能。工业建筑 年第 卷第 期 等的研究表明：腹板开孔梁不仅能够提高钢框架的抗震性能而且能够缓解节点域和梁柱连接处的应力集中现象。等研究表明：考虑楼板组合效应后的腹板开孔梁柱连接承载能力提高约，但组合效应会使梁下翼缘塑性极限应变增大，对连接的抗震性能有不利影响。贾连光等以试验为基础，模拟 层单跨正六边形孔蜂窝梁钢框架，研究开孔率、首孔到柱边距离对钢框架滞回性能的影响，结果表明考虑楼板组合效应的蜂窝梁钢框架的初始刚度大，延性和耗能能力也较好。徐莹璐等研究了钢梁截面形式为上窄下宽的单轴对称钢梁组合节点的滞回性能，结果表明采用单轴对称钢梁截面可以减小组合效应的不利影响，降低梁下翼缘焊缝脆断风险。张艳霞等考虑焊缝缺陷和高强螺栓的预拉力等因素的影响，分析了蜂窝梁框架连接的耗能能力、延性、承载力和破坏模式，研究结果表明调整梁开孔大小和开孔间距可以改善梁柱连接的耗能能力和延性。综上所述，目前对考虑混凝土楼板组合效应的蜂窝梁柱端板连接节点的研究并不多见。将端板连接与蜂窝梁相结合，形成双板（端板、翼腹板）双耗能机制的蜂窝梁柱端板连接节点（），其破坏形态和承载性能均与实腹梁连接不同，因此，对 个 边节点进行拟静力试验，研究开孔形状、开孔率和混凝土楼板对连接破坏模式、应力迁移特征、弯矩转角滞回性能等的影响，以期为蜂窝梁柱端板连接节点的工程应用提供参考。试验概况.试验设计共设计 个足尺端板连接蜂窝梁柱边节点，柱上下端铰接，梁端设置为自由端，以满足反弯点假设，柱顶控制轴压比为.以模拟实际柱的受力情况，在梁端施加竖向循环荷载。其中柱截面尺寸为，蜂窝梁截面尺寸为，端板尺寸为。混凝土强度等级为，楼板有效宽度取 ，厚度取，纵向受力钢筋选用，直径间距为，横向分布钢筋选用，直径间距为。采用直径为 的圆柱头栓钉连接件，纵向间距为 ，横向间距为 ，经验算满足抗剪要求。在梁上加载点处设置加劲肋，端板与蜂窝梁采用全熔透对接焊缝相连，在端板与实腹柱采用 个.级 高强度摩擦型螺栓连接。端板设置 厚度加劲肋，以增大节点刚度、减小端板厚度，降低用钢量。试件参数和编号见表，几何尺寸与构造见图。按照 钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备的要求，实测钢材和混凝土的材性性能见表 和表。表 试件参数 试件编号开孔率首孔距柱翼缘表面距离 端板厚度 端板加劲肋孔形楼板有正六边形无有正六边形有有正六边形有有圆形有 以 为例，代表有楼板；代表圆形孔；为开孔率。图 试件几何尺寸与构造 表 混凝土材料性能 混凝土强度等级立方体抗压强度，轴心抗压强度 弹性模量.表 钢材材料性能 试件名称钢板（钢筋）厚度（直径）抗拉强度 屈服强度 钢板钢板钢板钢筋钢筋.试验装置与加载制度试验装置如图 所示。试件固定在 自反力架上，柱顶通过球铰与千斤顶相连，施加 轴压力并在试验过程中保持不变。设置水平支撑约束其水平位移，并施加竖向荷载。柱底通过球铰与刚性地梁固定铰接。加载点位于梁自由端距离端板端板连接蜂窝梁柱节点抗震性能试验研究 贾连光，等 处，通过伺服液压作动器施加低周往复荷载，在梁自由端设置侧向支撑以保证加载过程中梁的平面外稳定。图 试验加载装置 根据 建筑抗震试验规程规定，采用荷载位移双控制方式进行加载。加载制度见图。首先预载 ，检查试验装置及仪表是否正常工作，之后以 为增量每级循环一圈进行加载，直到试件进入屈服阶段。屈服后采用位移控制的方式加载，前每级循环三周，后每级循环两周，每级荷载第一周加载到峰值荷载后持载，当荷载下降到峰值荷载的 以下，试验结束。图 试验加载制度 .测点布置与量测如图 所示，柱翼缘和端板分别设置 个应变片，测量端板和柱翼缘的弯曲变形；柱腹板节点域粘贴 个应变花以检测节点域的剪切变形；在梁上下翼缘、近柱端梁腹板以及蜂窝孔角处设置若干应变片和应变花，用以测量梁各位置的应变变化情况；在近柱端的纵向钢筋预埋 个应变片，在混凝土楼板下侧粘贴 个型号为 应变片，用以测量相应位置截面应变。在柱顶和柱脚布置位移计以监测柱端的转动；在端板与梁翼缘布置相互垂直的位移计以测量其转角；在孔、和加载点处布置位移计以测量相应测点的位移。试验现象及破坏形态对比 个试件的破坏形态可以看出，开孔率和图 试验仪表及应变片布置 开孔形状会影响节点的破坏形式。采用适当的开孔率会使破坏位置从端板向梁截面转移，从而避免传统实腹式节点的节点域过早发生端板弯曲破坏或焊缝开裂的脆性破坏。最终破坏形态如图 所示。由测点处应变可知，屈服顺序依次为柱腹板、孔 、孔 和梁翼缘。加载至 时，梁翼缘有轻微弯曲变形，腹板屈曲。时，孔 孔角撕裂延伸至梁翼缘并形成明显塑性铰，孔 孔角轻微撕裂。由于腹板削弱较大，孔 处应力集中显著，而端板和柱翼缘应力水平相对较低，因此试验过程中端板和柱翼缘始终处于弹性阶段，端板与柱翼缘无明显变形且贴合紧密。最终破坏形态如图 所示。屈服顺序与 不同的是，的柱翼缘和端板最后几乎同时屈服。时，近柱端混凝土被压碎向上隆起，孔孔角轻微撕裂同时腹板鼓曲并形成塑性铰。时，端板与柱翼缘间缝隙加大，孔孔角撕裂严重但未延伸至梁翼缘，孔孔角轻微撕裂，梁翼缘与端板焊缝开裂。可见，楼板组合作用对试件的破坏形态有一定的影响。最终破坏形态如图 所示。屈服顺序依次为孔、孔、柱腹板、梁翼缘、端板以及柱翼缘。加载至 时，混凝土楼板裂缝宽度增加且不断有碎渣掉落，端板与柱翼缘弯曲变形加大。加载至，端板上部与柱翼缘缝隙约，下部与柱翼缘不可恢复缝隙约 。与 破坏形态不同，由于腹板削弱程度较小，应力依然集中在端板和柱翼缘处，开孔未能起到转移塑性铰的作用，试件破坏仍然发生在连接处。最终破坏形态如图 所示。屈服顺序依次为钢筋、梁翼缘、柱腹板、孔、端板和柱翼缘。加载至 时，混凝土板与柱翼缘分离并出现两道贯通裂缝。时，端板纵向加劲肋焊缝开裂，端板与柱翼缘间缝隙达 。试验过程中孔及其上方梁翼缘始终处于弹性阶段。与 的开孔率虽然相同，但破坏形态差异较大，因为正六边形孔角比圆形孔更易发生应力集中现象，更有利于塑 工业建筑 年第 卷第 期；。图 各试件破坏形态 性铰的形成。试验结果和分析试验主要结果汇总于表，由几何作图法确定屈服点，以混凝土板受拉为正向加载方向。从图 中可以看出各试件正向承载能力差异明显，由高到低依次为、和。由于混凝土板对受压承载能力贡献较大，负向加载时楼板组合作用对试件承载能力的影响远大于开孔率和开孔形状的影响，因此各试件负向承载力几乎相同。由图 可见：各试件的刚度退化明显，初始刚度由高到低依次为、和，由 表 试验主要结果 试件编号加载方向屈服点极限点 （）（）负向.正向.负向.正向.负向.正向.负向.正向.；。图 荷载位移骨架曲线 ；。图 刚度退化曲线 此可知，楼板的组合作用、开孔率和开孔形状对初始刚度均有一定影响。楼板的组合作用有效约束连接的变形，对初始刚度的提高作用显著，且在试件屈服后其刚度退化有一定的减缓，在正弯矩作用下的刚度退化减缓更为明显。开孔率越大初始刚度则越小，开孔率相同条件下，圆形孔较正六边形孔的初始刚度更高。.孔型对 节点抗震性能的影响由图，比较 与 的破坏形态，因 的六边形孔较圆形孔更易出现应力集中现象，从而使孔角进入塑性阶段并在梁截面形成塑性铰。的耗能来源于端板、柱翼腹板和在孔处梁翼腹板形成的塑性铰，而 仅依靠柱翼缘和端板耗能，因此 的滞回曲线更加饱满，由表 可知，耗能能力较 有.的提高。由于 随加载方向改变端板的变形有一部分的恢复，且梁截面变形较小仍保持较高的抗弯承载力，而 梁截面塑性变形较大且由于孔角撕裂使其抗弯承载力进一步降低，因此 的正向受弯承载力高于 约.，但由于混凝土楼板组合作用，二者负向受弯承载力差别不大，此处以混凝土板受拉为正向加载方向。由滞回曲线可以看出：循环至最后一级荷载时，在未加载至设定位移时，位移不再增加而弯矩值急剧下降，这是由于梁端板连接蜂窝梁柱节点抗震性能试验研究 贾连光，等 塑性铰变形过大，导致孔对应混凝土板下方出现较宽裂缝，楼板失去承载能力的同时钢梁严重变形，构件丧失承载能力表现为滞回曲线出现垂直线段。而 混凝土楼板裂缝集中在节点域和梁柱连接处，对钢梁的抗弯承载力仍起到一定加强作用，因此 的负向延性系数比 提高约。孔型的影响；开孔率的影响；楼板的影响。图 各试件弯矩转角曲线对比 分析孔型对端板与柱翼缘应变的影响，由于中间螺栓处的应变值较小，此处不做分析。从图、可以看出：两个试件中端板的四个测点均达到屈服且测点 处应变值最大。与 不同的是，的柱翼缘在测点 和测点 均发生屈服，且 端板应变值普遍高于，这与上述结论一致，可以说明在开孔率相同的条件下，六边形孔能够缓解应力在梁柱连接处的分布情况，有利于应力从连接处向开孔处迁移，避免节点域过早屈服而破坏。；。图 各试件端板柱翼缘应变对比 .开孔率对 节点抗震性能的影响 和 的破坏形态有明显区别，在梁翼腹板形成塑性铰而发生梁铰破坏，由于腹板削弱不足未能发挥转移塑性铰的作 工业建筑 年第 卷第 期用，发生端板塑性铰耗能破坏。由图 滞回曲线对比可知，两者滞回曲线形状相同，呈梭形，的正向峰值荷载略高于，但负向峰值荷载差别不大，的滞回曲线更加饱满，耗能系数较 提高.。在试件屈服之前，负向加载时两者滞回曲线几乎重合，这是由于混凝土楼板受压时对试件承载能力贡献较大，此时较小的开孔率变化对试件承载性能影响相对较小；正向加载时，混凝土受拉过早出现裂缝，混凝土退出工作，此时开孔率的大小影响试件的承载性能，因此正向曲线有明显差异。分析开孔率对端板与柱翼缘应变的影响。从图、可以看出：因混凝土楼板对连接上部的加强作用缓解了连接上部应力集中程度，当负向加载时，测点 位置螺栓和柱翼缘承受较大拉力，因此 和 的柱翼缘均只有测点 达到屈服。与 不同的是，柱翼缘的其他测点均接近屈服应变，而 其他测点应变远小于屈服应变，这说明适当增加开孔率可以改善连接处应力分布，使应力由连接处向开孔处迁移。两个试件端板测点均达到屈服，但 测点 和测点 的应变极值远大于，说明适当提高开孔率可以降低端板与柱翼缘的应力应变极限值。.楼板对 节点抗震性能的影响 与 均发生了梁翼腹板塑性铰耗能破坏。楼板的组合效应使构件更晚进入屈服阶段，在破坏形态上，的孔角撕裂更严重，裂缝延伸至梁翼缘，的梁腹板鼓曲更为明显。