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钢框架缺陷型箱形柱梁柱节点抗震性能的试验研究

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发表时间:2014-08-13 08:26  来源:CCMSA  作者:张艳霞 刘力力 王路遥  浏览量:

要:箱型柱梁柱节点是一种常见的节点形式,然而在实际优发国际中,往往由于箱柱较型钢柱加工工艺复杂,经常出现质量缺陷。本文结合钢框架改进型梁柱节点抗震性能的试验研究,分别对实际优发国际中常见的三种缺陷型箱型柱节点在往复荷载下的极限承载力、滞回性能和节点破坏形态等进行了试验研究。研究表明:缺陷柱节点与一般节点相比,节点承载力急剧下降,整个破坏无明显预兆,属于脆性破坏。由此论证了构件及节点质量缺陷引起的后果及规范规程规定的重要意义,为实际优发国际提供借鉴和参考。   关键词:钢框架缺陷型箱型柱;梁柱节点;抗震性能 1.引言 在实际优发国际中,钢框架箱型柱梁柱节点,由于加工和施工的原因,箱型柱常常会出现一些缺陷,以至于影响到其节点的受力性能。《建筑设计抗震规范》(GB50011-2010)中相关规定如下:梁与柱刚性连接时,柱在梁翼缘上下各500mm的范围内,箱形柱壁板间及与梁对应位置设置的隔板的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝 (8.3.48.3.5),箱形柱在梁翼缘相应位置应设置隔板,隔板的厚度不应小于梁翼缘的厚度,强度与梁翼缘相同(8.3.4)。本文结合钢框架改进型梁柱节点抗震性能的试验研究,分别设计三组缺陷箱型柱节点:A. 梁翼缘上下500mm范围柱壁板间全熔透焊、加腋处未没设加劲肋、隔板只有三面焊;B.隔板与翼缘没有对齐;C.隔板的厚度小于翼缘的厚度。对其在往复荷载下的极限承载力、滞回性能和节点破坏形态等做了试验研究,以此论证构件及节点质量缺陷引起的后果及规范规程规定的重要意义,为实际优发国际提供借鉴和参考。 2.试验构件设计 1 构件尺寸及箱柱缺陷 / 3.试验结果及分析 3.1 SP1-1SP1-2节点对比分析 3.1.1试验现象及最终破坏形态 SP1-2试验过程当中并未出现明显的弹性受力阶段和弹塑性受力阶段,层间位移角到达0.01rad时,正向加载出现承载力不再上升的现象,但反向加载承载力持续上升;层间位移角加载到0.015rad,反向加载到最大位移时,突然出现巨大声响,承载力突降,梁下翼缘焊缝开裂;层间位移角到达0.02rad时,梁下翼缘焊缝开裂明显,梁下加腋处焊缝也出现开裂(如图1a)),当层间位移角加载到0.04rad时,与梁连接一侧的柱面被拉开。随着层间位移角的增加,梁柱焊缝的破坏程度越加严重,层间位移角加载到0.05rad时,试验停止。整个试验当中梁并未出现任何屈曲变形现象,与梁连接一层柱面撕裂严重。柱破坏形态如图1(b),节点SP1-1的最终破坏形态与构造基本相同的节点SP1-2的破坏形态对比图如图2所示。 由两个节点的最终破坏形态对比可知,SP1-2节点虽然也进行了扩翼-狗骨的改进措施,但加载过程中梁并未出现塑性铰,节点完全没有到达任何的耗能目的,破坏时柱与梁连接一侧柱面破坏,节点承载力非常低。而SP1-1节点通过梁端的改进,达到了塑性铰外移的目的,节点耗能能力强,承载能力高。 /   /            SP1-2节点                        SP1-1节点 1 SP1-2试验现象 / 2 柱破坏形态对比图 3.1.2滞回曲线及骨架曲线对比  / (a) SP1-2节点    / (b) SP1-1节点 3节点滞回曲线 由图3两个节点的滞回曲线对比可以看出,SP1-2节点并未出现弹塑性受力阶段,当层间位移角加载到0.015rad时,梁下翼缘焊缝开裂,节点丧失承载能力,在此后的加载过程中,节点承载力不再上升,且持续下降。整个破坏属于脆性破坏,无明显预兆。而SP1-1节点的滞回曲线圆润饱满,耗能能力强,破坏形式属于延性破坏。  / (a) SP1-2节点 /   (b) SP1-1节点 4骨架曲线 由图4两个节点的骨架曲线对比可以看出,SP1-2节点的滞回曲线呈“反S型”,骨架曲线没有出现强化段,当节点承载力到达一定值后,未经强化即过渡到下降段,且下降段承载力下降迅速,整个加载过程中承载力峰值约为+130kN-180kN;而SP1-1节点骨架曲线有完整的强化段和下降段,承载力峰值约为±380kN,是SP1-2试件承载力的3倍。 3.2 SP1-3箱柱缺陷型节点试验结果及分析 3.2.1试验现象 层间位移角位于0.00375rad0.01rad之间,节点处于弹性受力阶段,节点承载力达到250kN;当层间位移角达到0.015rad时,节点开始屈服,梁端正向加载到第二循环时,梁上翼缘轻微鼓起(如图5 (a)),此时节点承载力到达290kN;随着层间位移角的增加,节点承载力继续升高;层间位移角到达0.03rad时,上翼缘削弱部位钢板发生变形(如图5 (b)),节点承载力到达356kN;层间位移角达到0.04rad时,上翼缘狗骨削弱最深处屈曲变形明显,腹板也发生了轻微屈曲(如图5 (c)),此时节点承载力下降到290kN;继续加载后,梁上翼缘与柱翼缘连接处焊缝开裂,随着层间位移角的增加,梁上翼缘与柱面慢慢脱开(如图5 (d)),后经查证箱柱内隔板与梁上翼缘并未对齐,导致了此现象的发生。试验被迫停止。 / (c) 0.04rad                 (d) 焊缝破坏情况 5SP1-3试验现象 3.2.2滞回曲线及骨架曲线 / / 6 SP1-3滞回曲线和骨架曲线 6为试验所得滞回曲线及骨架曲线。由滞回曲线及骨架曲线可以看到,节点在屈服之后,焊缝开裂之前,滞回曲线明显呈“梭形”,且极限承载力一直呈上升趋势,当上翼缘与柱连接处焊缝开裂后,承载力由峰值348.07kN直接下降至119.11kN,之后正向加载时承载力仅由腹板承担,承载力不再上升,试验被迫结束。 3.3 SP1-4箱柱缺陷型节点试验结果及分析 3.3.1试验现象 试验过程中,当层间位移角到达0.01rad,正向加载到227kN,但当反向加载到最大时,发生巨大声响,同时发现梁端下翼缘处焊缝开裂(如图7a));继续加载,层间位移角到达0.015rad时,荷载不再出现上升现象,试件屈服;层间位移角道道0.02rad时,正向加载到最大时,上翼缘焊缝开裂(如图7b));层间位移角到达0.03rad时,上下翼缘焊缝的开裂情况继续加深,且当正向加载到最大时,下翼缘与柱连接处柱被拉的鼓起来;到达0.04rad时,上下翼缘焊缝完全破坏,刚接变成了铰接;0.05rad时,柱面相对上下翼缘处有撕开现象(如图7c));0.06rad时,下翼缘完全被撕开(如图7d)),试验结束。 / 7SP1-4试验现象 3.3.2滞回曲线及骨架曲线 / / 8 SP1-4滞回曲线和骨架曲线 由图8滞回曲线和骨架曲线可以看出,节点未出现弹塑性受力阶段,也没有出现强化阶段,而是当层间位移角到达0.15rad时,由于梁下翼缘焊缝的开裂,使得梁的承载力突然从309.61kN降低到187kN,节点丧失承载能力,并在以后的加载过程中,节点承载力持续下降。整个破坏过程延性低。 4.结论 目前箱柱广泛运用于钢结构优发国际当中,然而在实际优发国际中,往往由于箱柱较型钢柱加工工艺复杂,经常出现质量缺陷。例如,柱在梁翼缘上下各500mm的范围内,箱形柱壁板间未能够采用全熔透坡口焊缝,箱柱内隔板的施工处理上往往会出现内隔板只焊接了三面、隔板与梁翼缘没有对齐、隔板厚度较小等问题,这些问题的出现严重影响了箱柱梁柱节点的受力性能和抗震性能,降低了节点的承载能力、延性性能和耗能能力,极大影响了房屋的结构安全,因此,在钢结构房屋结构设计和施工应严格遵守相关规范条文的规定。 参考文献 [1] 中华人民共和国国家标准,建筑抗震设计规范 (GB50011-2010).北京:中国建筑工业出版社,2010 [2] Ecommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings FEMA350/JULY 2000 [3] 陈诚直,李智民.钢构造梁扩翼接头之耐震行为[J].建筑钢结构进展.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   (北京建筑优发国际学院,北京,100044

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