H型鋼梁與RHS柱半岡Ⅱ性連接節(jié)點(diǎn)的性能

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[摘要]H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點(diǎn)是一種新型的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，本文通過足尺試驗(yàn)與有限元軟件分析，研究其受力性能。結(jié)果表明，端板栓接節(jié)點(diǎn)的承載能力可達(dá)焊接節(jié)點(diǎn)的85％，但轉(zhuǎn)動(dòng)能力明顯大于焊接節(jié)點(diǎn)，抗震性能也明顯優(yōu)于焊接節(jié)點(diǎn)，具有良好的運(yùn)用前景。
[關(guān)鍵詞]H型鋼梁；RHS柱；半剛性節(jié)點(diǎn)；端板；螺栓
l引言
雖然將鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)假定為完全剛性節(jié)點(diǎn)或理想鉸接節(jié)點(diǎn)均可以使分析和設(shè)計(jì)的過程大大簡(jiǎn)化，但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的連接節(jié)點(diǎn)并非是單純的剛接節(jié)點(diǎn)或鉸接節(jié)點(diǎn)，而是存在于兩種狀態(tài)之間具有一定剛度的半剛性節(jié)點(diǎn)。將梁柱節(jié)點(diǎn)有意設(shè)計(jì)成半剛性節(jié)點(diǎn)，還可以減小現(xiàn)場(chǎng)焊接數(shù)量，提高施工進(jìn)度，克服剛性節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生焊縫斷裂破壞、鋼材延性不能得到充分發(fā)揮的弊端。H型鋼梁與H型鋼柱的端板栓接節(jié)點(diǎn)就是已被深入研究、正在走向應(yīng)用的一種半剛性連接節(jié)點(diǎn)。
鋼框架半剛性連接節(jié)點(diǎn)的變形可以用梁的平面內(nèi)作用彎矩引起的梁柱軸線間的相對(duì)轉(zhuǎn)角來表示。梁柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角不僅會(huì)改變梁與柱之間的彎矩分布，還會(huì)增加結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、加劇p-A效應(yīng)并進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以應(yīng)給予充分的估計(jì)。
研究鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱半剛性連接節(jié)點(diǎn)的工作性能，提出適合切實(shí)可行的半剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，有助于建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的發(fā)展。
2H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀
在框架結(jié)構(gòu)中，鋼梁一般都采用H型鋼，鋼柱大多也采用H型鋼，很少采用鋼管，主要原因是后者梁柱節(jié)點(diǎn)連接比較困難。但是鋼管柱框架的經(jīng)濟(jì)性比采用H型鋼柱的好得多，尤其在住宅建筑中，采用矩形鋼管柱(簡(jiǎn)稱“RHS柱”)不僅可以減少用鋼量，而且便于構(gòu)建美觀的室內(nèi)環(huán)境。研究H型鋼梁與RHS柱的連接節(jié)點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用意義。
20世紀(jì)90年代開始，隨著Huck的“超扭暗螺栓…”和Lindapter的“快速管心】，’等單邊螺栓系統(tǒng)的出現(xiàn)(如圖1a所示)，H型鋼梁與矩形鋼管柱的端板連接形式成為可能(如圖1b所示)；將JanClaudedeValliere的熱塑鉆嵋1(Flowdrill)方法(圖lc)應(yīng)用于H型鋼梁與RHS柱的端板栓接，又使這種連接形式變得簡(jiǎn)單而快捷。然而，到目前為止，H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點(diǎn)還是一種新型的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，其工作性能如何還有待仔細(xì)研究。

3H型梁與RHS柱端板栓接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究
本文結(jié)合我國目前的施工工藝，提出了一種端板連接形式，并對(duì)這種連接形式的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)靜力加載和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，將其與焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，得到其彎矩～轉(zhuǎn)角關(guān)系，進(jìn)而對(duì)其抗震性能進(jìn)行初步的研究。與國外的端板連接不同之處在于，這種連接所用螺栓為常用的高強(qiáng)度螺栓，螺栓通過柱壁上絲扣的咬合力和摩擦力將力傳遞到柱壁，而不采用快速管或熱塑鉆等方法。
3．1試件的設(shè)計(jì)
試件采用取自多層框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下梁柱反彎點(diǎn)之間的典型節(jié)點(diǎn)(邊柱節(jié)點(diǎn)和中柱節(jié)點(diǎn))的足尺模型，其名稱及主要參數(shù)詳見表l。
試件均采用常用材質(zhì)和規(guī)格，鋼材等級(jí)為Q345B，梁、柱鋼材規(guī)格分別為I-1250×150X6X8和口250X150X8。梁長(zhǎng)1700mm，柱長(zhǎng)1800mm。試件示意圖詳見圖2。
經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)，端板厚度和柱壁厚度以及螺栓抗拉剛度是影響節(jié)點(diǎn)剛度的主要因素。當(dāng)端板厚度和柱壁厚度(采用襯管對(duì)節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行加強(qiáng)的則為柱壁厚度與襯管厚度之和)增加到梁翼緣厚度的2倍以上之后，節(jié)點(diǎn)承載力的增幅已趨于微小，故試件中的端板厚度和帶襯管的柱壁厚度都取為梁翼緣厚度的2．5倍，即為20rnm。為確保單個(gè)螺栓的抗拉剛度，螺栓仍像H型鋼梁與H型鋼柱端板栓接節(jié)點(diǎn)一樣采用高強(qiáng)度螺栓，不過只是適量施加預(yù)拉力。
梁柱連接處梁截面所能承受的最大彎矩為肘=114．7kNm，可由此計(jì)算出梁懸臂端的屈服荷載，．=71．7kN，極限荷載F，。=1．2F=86．02kN。在屈服荷載作用下梁懸臂端的撓度為34．3mm，在塑性狀態(tài)下為67mm，考慮到材料的強(qiáng)化及試驗(yàn)誤差，將該值擴(kuò)大為2．5倍，得到破壞時(shí)梁懸臂端的撓度約為167ram，據(jù)此選擇千斤頂和位移計(jì)的量程。
由于節(jié)點(diǎn)取自結(jié)構(gòu)的反彎點(diǎn)處，故柱的兩端可用鉸接支座。為模擬節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力情況，在柱上端采用量程為100t的千斤頂對(duì)其施加軸力。反復(fù)加載試驗(yàn)時(shí)，采用一臺(tái)油泵同時(shí)控制兩臺(tái)量程為50t的千斤頂，每臺(tái)千斤頂上放置一個(gè)量程為20t的壓力傳感器以控制施加的荷載的大小。試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。
3．2試驗(yàn)加載方式
(1)單調(diào)靜力加載試驗(yàn)加載時(shí)，柱子上保持800kN的軸力不變。屈服前荷載等級(jí)為15kN，屈服后改為5kN直到破壞；
(2)低周反復(fù)加栽試驗(yàn)加載時(shí)，先在柱子施加軸向荷載800kN。梁兩端同時(shí)施加等值反向荷載，開始預(yù)加反復(fù)荷載二次。其目的在于檢驗(yàn)各試驗(yàn)設(shè)備是否正常工作以及節(jié)點(diǎn)連接情況。試驗(yàn)開始時(shí)采用荷載控制，分級(jí)荷載差值為20kN，接近屈服時(shí)為每級(jí)10kN，每級(jí)荷載循環(huán)三次，屈服后采用位移控制，位移差值為屈服位移，每級(jí)位移循環(huán)三次。
3．3試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過上述試驗(yàn)得到梁懸臂端的極限荷載P。梁中點(diǎn)處的極限撓度△。梁柱連接處梁截面的極限彎矩膨。、極限轉(zhuǎn)角口。以及節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度尺。和節(jié)點(diǎn)的破壞形式，各試件的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2。各試件的彎矩。轉(zhuǎn)角(骨架)曲線圖如圖4所示。
4試驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論
(1)H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點(diǎn)制作時(shí)端板、柱壁和襯管上的螺孔必須同時(shí)精確定位；安裝時(shí)螺栓的預(yù)緊力尚宜結(jié)合試驗(yàn)確定(預(yù)緊力過大可能導(dǎo)致絲扣發(fā)生塑性變形或被磨平)。本文在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)有螺栓被拔出的現(xiàn)象，說明H型鋼梁與RHS柱的端板栓接是可行的。
(2)采用外襯管與采用內(nèi)襯管對(duì)節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行加強(qiáng)的效果(承載能力、初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等)基本相當(dāng)。在實(shí)際加工中，采用內(nèi)襯鋼管不僅施工復(fù)雜而且不宜對(duì)其的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，若采用外襯鋼管，則施工比較方便可靠，有時(shí)柱子也不必?cái)嚅_。
(3)H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點(diǎn)試件5(DHR．D18一BPl2一D20)由于發(fā)生整體失穩(wěn)較早破壞，故其承載能力較小。其它兩個(gè)端板栓接節(jié)點(diǎn)(試件1SHR—EBPl2．D20和試件4DHR．BPl2．D20)的承載能力大致相等，約為焊接連接節(jié)點(diǎn)的85％。
(4)H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度約為1．0×104kN•m／tad，比焊接連接節(jié)點(diǎn)的小得多，比H型鋼梁與H型鋼柱端板栓接節(jié)點(diǎn)的初
始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度略小(如西安科技大學(xué)郭兵得到的試驗(yàn)結(jié)果為(1．13～1．75)×104kN•m／tadDl)。節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)焊接連接節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)角均未達(dá)到美國FEMA．971171(FederalEmergenceManagementAgency)要求的O．03rad，而端板栓接節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)角都超過0．03rad，說明端板栓接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力大于焊接連接節(jié)點(diǎn)。
(5)對(duì)比試件4(DHR．BPl2．D20)和試件6(DHR．DI．VP)的滯回曲線(圖5)，發(fā)現(xiàn)端板栓接的節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比焊接連接的飽滿，說明前者的耗能能力比后者的強(qiáng)；從兩者的骨架曲線(圖6)可以看出，試件4的剛度比試件6的要小，但前者的延性比后者的好，說明端板栓接節(jié)點(diǎn)的抗震性能優(yōu)于焊接連接節(jié)點(diǎn)(6)在焊接連接節(jié)點(diǎn)中，設(shè)置內(nèi)襯管的節(jié)點(diǎn)(試件3SHR．DI．BHP)的初始剛度是沒有設(shè)置內(nèi)襯管的節(jié)點(diǎn)(試件2SHR．EBPl2一WELD)的2倍，是端板栓接節(jié)點(diǎn)的5倍左右。對(duì)比已做過的H型鋼柱與H型鋼梁的焊接連接節(jié)點(diǎn)，H型鋼梁與RHS柱的焊接節(jié)點(diǎn)初始剛度也明顯偏小。說明RHS柱柱壁的局部變形對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始剛度影響很大。

(7)在焊接連接節(jié)點(diǎn)中，發(fā)生的破壞主要是焊縫破壞，致使這類節(jié)點(diǎn)不能充分發(fā)揮作用，由此說明焊接工藝及施工水平對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)性能影響較大。
5H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點(diǎn)的有限元分析
采用非線性有限元對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行了分析，以了解影響端板栓接節(jié)點(diǎn)性能的主要因素，為進(jìn)行節(jié)點(diǎn)性能的理論分析提供依據(jù)，并找到提高節(jié)點(diǎn)性能的方法。這些參數(shù)為端板厚度t。、外襯管(內(nèi)襯管)厚度t”螺栓相對(duì)梁翼緣間距g、螺栓相對(duì)梁腹板間距P以及梁截面尺寸、柱截面尺寸、柱長(zhǎng)細(xì)比及柱軸壓比等。計(jì)算中，柱、梁、端板及加勁板的材料特性定為相同，螺栓直徑為20mm。端板厚度、內(nèi)襯管厚度對(duì)剛度和承載力的影響程度分別如表3、4所示；梁柱截面尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度的影響程度如表5所示；螺栓橫向、豎向間距對(duì)剛度和承載力的影響程度分別如表6、7所示；柱軸壓比、梁柱剛度比對(duì)初始剛度的影響程度分別如圖7、8所示。
從所列表格和圖形可以看出，影響節(jié)點(diǎn)剛度的
主要因素為端板厚度、內(nèi)襯管厚度：梁柱截面尺寸及螺栓間距，它們的影響情況歸納如下：
(1)隨著端板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度增大，增加的趨勢(shì)由快到慢，但節(jié)點(diǎn)的延性減??；
(2)隨著內(nèi)襯管厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度增大，但節(jié)點(diǎn)延性變化不是很明顯；
(3)隨著梁柱剛度比的增加，節(jié)點(diǎn)的剛度增大；
(4)適當(dāng)增大螺栓橫向間距，減小螺栓豎向間距可以提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度。
6結(jié)論
H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點(diǎn)是一種新型而可行的半剛性連接節(jié)點(diǎn)。本文采用內(nèi)襯管和外襯管對(duì)節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行加強(qiáng)的端板栓接節(jié)點(diǎn)，承載能力都在焊接節(jié)點(diǎn)的85％左右，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)能力都明顯大于焊接節(jié)點(diǎn)，抗震性能也明顯優(yōu)于焊接節(jié)點(diǎn)。H型鋼梁與RHs柱端板栓接節(jié)點(diǎn)特別適宜在有抗震設(shè)防要求的住宅鋼結(jié)構(gòu)中推廣使用。但這種節(jié)點(diǎn)制作時(shí)加工的技術(shù)要求較高，且安裝時(shí)螺栓的預(yù)緊力尚宜結(jié)合試驗(yàn)確定
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