H型鋼梁與RHS柱半岡Ⅱ性連接節(jié)點的性能

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[摘要]H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點是一種新型的半剛性連接節(jié)點，本文通過足尺試驗與有限元軟件分析，研究其受力性能。結果表明，端板栓接節(jié)點的承載能力可達焊接節(jié)點的85％，但轉(zhuǎn)動能力明顯大于焊接節(jié)點，抗震性能也明顯優(yōu)于焊接節(jié)點，具有良好的運用前景。
[關鍵詞]H型鋼梁；RHS柱；半剛性節(jié)點；端板；螺栓
l引言
雖然將鋼結構框架梁柱連接節(jié)點假定為完全剛性節(jié)點或理想鉸接節(jié)點均可以使分析和設計的過程大大簡化，但在實際結構中的連接節(jié)點并非是單純的剛接節(jié)點或鉸接節(jié)點，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。將梁柱節(jié)點有意設計成半剛性節(jié)點，還可以減小現(xiàn)場焊接數(shù)量，提高施工進度，克服剛性節(jié)點容易發(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)點就是已被深入研究、正在走向應用的一種半剛性連接節(jié)點。
鋼框架半剛性連接節(jié)點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轉(zhuǎn)角來表示。梁柱之間的相對轉(zhuǎn)角不僅會改變梁與柱之間的彎矩分布，還會增加結構側(cè)向位移、加劇p-A效應并進而影響整個結構的穩(wěn)定性，所以應給予充分的估計。
研究鋼結構框架梁柱半剛性連接節(jié)點的工作性能，提出適合切實可行的半剛性節(jié)點設計方法，有助于建筑結構分析與設計的發(fā)展。
2H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點研究現(xiàn)狀
在框架結構中，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)點連接比較困難。但是鋼管柱框架的經(jīng)濟性比采用H型鋼柱的好得多，尤其在住宅建筑中，采用矩形鋼管柱(簡稱“RHS柱”)不僅可以減少用鋼量，而且便于構建美觀的室內(nèi)環(huán)境。研究H型鋼梁與RHS柱的連接節(jié)點，有很強的實用意義。
20世紀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)點還是一種新型的半剛性連接節(jié)點，其工作性能如何還有待仔細研究。

3H型梁與RHS柱端板栓接節(jié)點試驗研究
本文結合我國目前的施工工藝，提出了一種端板連接形式，并對這種連接形式的節(jié)點進行了單調(diào)靜力加載和低周反復加載試驗，將其與焊接節(jié)點進行對比分析，得到其彎矩～轉(zhuǎn)角關系，進而對其抗震性能進行初步的研究。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試件的設計
試件采用取自多層框架結構在水平荷載作用下梁柱反彎點之間的典型節(jié)點(邊柱節(jié)點和中柱節(jié)點)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，鋼材等級為Q345B，梁、柱鋼材規(guī)格分別為I-1250×150X6X8和口250X150X8。梁長1700mm，柱長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)點剛度的主要因素。當端板厚度和柱壁厚度(采用襯管對節(jié)點域進行加強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)點一樣采用高強度螺栓，不過只是適量施加預拉力。
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，考慮到材料的強化及試驗誤差，將該值擴大為2．5倍，得到破壞時梁懸臂端的撓度約為167ram，據(jù)此選擇千斤頂和位移計的量程。
由于節(jié)點取自結構的反彎點處，故柱的兩端可用鉸接支座。為模擬節(jié)點的實際受力情況，在柱上端采用量程為100t的千斤頂對其施加軸力。反復加載試驗時，采用一臺油泵同時控制兩臺量程為50t的千斤頂，每臺千斤頂上放置一個量程為20t的壓力傳感器以控制施加的荷載的大小。試驗加載裝置如圖3所示。
3．2試驗加載方式
(1)單調(diào)靜力加載試驗加載時，柱子上保持800kN的軸力不變。屈服前荷載等級為15kN，屈服后改為5kN直到破壞；
(2)低周反復加栽試驗加載時，先在柱子施加軸向荷載800kN。梁兩端同時施加等值反向荷載，開始預加反復荷載二次。其目的在于檢驗各試驗設備是否正常工作以及節(jié)點連接情況。試驗開始時采用荷載控制，分級荷載差值為20kN，接近屈服時為每級10kN，每級荷載循環(huán)三次，屈服后采用位移控制，位移差值為屈服位移，每級位移循環(huán)三次。
3．3試驗結果與分析
通過上述試驗得到梁懸臂端的極限荷載P。梁中點處的極限撓度△。梁柱連接處梁截面的極限彎矩膨。、極限轉(zhuǎn)角口。以及節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度尺。和節(jié)點的破壞形式，各試件的試驗結果匯總于表2。各試件的彎矩。轉(zhuǎn)角(骨架)曲線圖如圖4所示。
4試驗結果分析與結論
(1)H型鋼梁與RHS柱的端板栓接節(jié)點制作時端板、柱壁和襯管上的螺孔必須同時精確定位；安裝時螺栓的預緊力尚宜結合試驗確定(預緊力過大可能導致絲扣發(fā)生塑性變形或被磨平)。本文在試驗過程中沒有發(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)襯管對節(jié)點域進行加強的效果(承載能力、初始轉(zhuǎn)動剛度等)基本相當。在實際加工中，采用內(nèi)襯鋼管不僅施工復雜而且不宜對其的焊接質(zhì)量進行檢查，若采用外襯鋼管，則施工比較方便可靠，有時柱子也不必斷開。
(3)H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點試件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。其它兩個端板栓接節(jié)點(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)點的85％。
(4)H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度約為1．0×104kN•m／tad，比焊接連接節(jié)點的小得多，比H型鋼梁與H型鋼柱端板栓接節(jié)點的初
始轉(zhuǎn)動剛度略小(如西安科技大學郭兵得到的試驗結果為(1．13～1．75)×104kN•m／tadDl)。節(jié)點破壞時焊接連接節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)角均未達到美國FEMA．971171(FederalEmergenceManagementAgency)要求的O．03rad，而端板栓接節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)角都超過0．03rad，說明端板栓接節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力大于焊接連接節(jié)點。
(5)對比試件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；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)點的抗震性能優(yōu)于焊接連接節(jié)點(6)在焊接連接節(jié)點中，設置內(nèi)襯管的節(jié)點(試件3SHR．DI．BHP)的初始剛度是沒有設置內(nèi)襯管的節(jié)點(試件2SHR．EBPl2一WELD)的2倍，是端板栓接節(jié)點的5倍左右。對比已做過的H型鋼柱與H型鋼梁的焊接連接節(jié)點，H型鋼梁與RHS柱的焊接節(jié)點初始剛度也明顯偏小。說明RHS柱柱壁的局部變形對節(jié)點的初始剛度影響很大。

(7)在焊接連接節(jié)點中，發(fā)生的破壞主要是焊縫破壞，致使這類節(jié)點不能充分發(fā)揮作用，由此說明焊接工藝及施工水平對焊接節(jié)點性能影響較大。
5H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點的有限元分析
采用非線性有限元對各種參數(shù)進行了分析，以了解影響端板栓接節(jié)點性能的主要因素，為進行節(jié)點性能的理論分析提供依據(jù)，并找到提高節(jié)點性能的方法。這些參數(shù)為端板厚度t。、外襯管(內(nèi)襯管)厚度t”螺栓相對梁翼緣間距g、螺栓相對梁腹板間距P以及梁截面尺寸、柱截面尺寸、柱長細比及柱軸壓比等。計算中，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；梁柱截面尺寸對節(jié)點初始剛度的影響程度如表5所示；螺栓橫向、豎向間距對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)點的初始剛度增大，增加的趨勢由快到慢，但節(jié)點的延性減?。?br /> (2)隨著內(nèi)襯管厚度的增加，節(jié)點的初始剛度增大，但節(jié)點延性變化不是很明顯；
(3)隨著梁柱剛度比的增加，節(jié)點的剛度增大；
(4)適當增大螺栓橫向間距，減小螺栓豎向間距可以提高節(jié)點的初始剛度。
6結論
H型鋼梁與RHS柱端板栓接節(jié)點是一種新型而可行的半剛性連接節(jié)點。本文采用內(nèi)襯管和外襯管對節(jié)點域進行加強的端板栓接節(jié)點，承載能力都在焊接節(jié)點的85％左右，它們的轉(zhuǎn)動能力都明顯大于焊接節(jié)點，抗震性能也明顯優(yōu)于焊接節(jié)點。H型鋼梁與RHs柱端板栓接節(jié)點特別適宜在有抗震設防要求的住宅鋼結構中推廣使用。但這種節(jié)點制作時加工的技術要求較高，且安裝時螺栓的預緊力尚宜結合試驗確定
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