中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：箱型柱梁柱節(jié)點(diǎn)是一種常見的節(jié)點(diǎn)形式，然而在實(shí)際工程中，往往由于箱柱較型鋼柱加工工藝復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。本文結(jié)合鋼框架改進(jìn)型梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究，分別對實(shí)際工程中常見的三種缺陷型箱型柱節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載下的極限承載力、滯回性能和節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：缺陷柱節(jié)點(diǎn)與一般節(jié)點(diǎn)相比，節(jié)點(diǎn)承載力急劇下降，整個破壞無明顯預(yù)兆，屬于脆性破壞。由此論證了構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)質(zhì)量缺陷引起的后果及規(guī)范規(guī)程規(guī)定的重要意義，為實(shí)際工程提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：鋼框架缺陷型箱型柱；梁柱節(jié)點(diǎn)；抗震性能
1.引言
在實(shí)際工程中，鋼框架箱型柱梁柱節(jié)點(diǎn)，由于加工和施工的原因，箱型柱常常會出現(xiàn)一些缺陷，以至于影響到其節(jié)點(diǎn)的受力性能。《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》(GB50011-2010)中相關(guān)規(guī)定如下：梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內(nèi)，箱形柱壁板間及與梁對應(yīng)位置設(shè)置的隔板的連接焊縫應(yīng)采用全熔透坡口焊縫 (8.3.4和8.3.5條)，箱形柱在梁翼緣相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置隔板，隔板的厚度不應(yīng)小于梁翼緣的厚度，強(qiáng)度與梁翼緣相同(8.3.4條)。本文結(jié)合鋼框架改進(jìn)型梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究，分別設(shè)計三組缺陷箱型柱節(jié)點(diǎn)：A. 梁翼緣上下500mm范圍柱壁板間全熔透焊、加腋處未沒設(shè)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(fù)荷載下的極限承載力、滯回性能和節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)等做了試驗(yàn)研究，以此論證構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)質(zhì)量缺陷引起的后果及規(guī)范規(guī)程規(guī)定的重要意義，為實(shí)際工程提供借鑒和參考。
2.試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計
表1 構(gòu)件尺寸及箱柱缺陷
3.試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 SP1-1和SP1-2節(jié)點(diǎn)對比分析
3.1.1試驗(yàn)現(xiàn)象及最終破壞形態(tài)
SP1-2試驗(yàn)過程當(dāng)中并未出現(xiàn)明顯的彈性受力階段和彈塑性受力階段，層間位移角到達(dá)0.01rad時，正向加載出現(xiàn)承載力不再上升的現(xiàn)象，但反向加載承載力持續(xù)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(xiàn)巨大聲響，承載力突降，梁下翼緣焊縫開裂；層間位移角到達(dá)0.02rad時，梁下翼緣焊縫開裂明顯，梁下加腋處焊縫也出現(xiàn)開裂（如圖1（a）），當(dāng)層間位移角加載到0.04rad時，與梁連接一側(cè)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(yán)重，層間位移角加載到0.05rad時，試驗(yàn)停止。整個試驗(yàn)當(dāng)中梁并未出現(xiàn)任何屈曲變形現(xiàn)象，與梁連接一層柱面撕裂嚴(yán)重。柱破壞形態(tài)如圖1(b)，節(jié)點(diǎn)SP1-1的最終破壞形態(tài)與構(gòu)造基本相同的節(jié)點(diǎn)SP1-2的破壞形態(tài)對比圖如圖2所示。
由兩個節(jié)點(diǎn)的最終破壞形態(tài)對比可知，SP1-2節(jié)點(diǎn)雖然也進(jìn)行了擴(kuò)翼-狗骨的改進(jìn)措施，但加載過程中梁并未出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點(diǎn)完全沒有到達(dá)任何的耗能目的，破壞時柱與梁連接一側(cè)柱面破壞，節(jié)點(diǎn)承載力非常低。而SP1-1節(jié)點(diǎn)通過梁端的改進(jìn)，達(dá)到了塑性鉸外移的目的，節(jié)點(diǎn)耗能能力強(qiáng)，承載能力高。
SP1-2節(jié)點(diǎn) SP1-1節(jié)點(diǎn)
圖1 SP1-2試驗(yàn)現(xiàn)象
圖2 柱破壞形態(tài)對比圖
3.1.2滯回曲線及骨架曲線對比
(a) SP1-2節(jié)點(diǎn)
(b) SP1-1節(jié)點(diǎn)
圖3節(jié)點(diǎn)滯回曲線
由圖3兩個節(jié)點(diǎn)的滯回曲線對比可以看出，SP1-2節(jié)點(diǎn)并未出現(xiàn)彈塑性受力階段，當(dāng)層間位移角加載到0.015rad時，梁下翼緣焊縫開裂，節(jié)點(diǎn)喪失承載能力，在此后的加載過程中，節(jié)點(diǎn)承載力不再上升，且持續(xù)下降。整個破壞屬于脆性破壞，無明顯預(yù)兆。而SP1-1節(jié)點(diǎn)的滯回曲線圓潤飽滿，耗能能力強(qiáng)，破壞形式屬于延性破壞。
(a) SP1-2節(jié)點(diǎn)
(b) SP1-1節(jié)點(diǎn)
圖4骨架曲線
由圖4兩個節(jié)點(diǎn)的骨架曲線對比可以看出，SP1-2節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈“反S型”，骨架曲線沒有出現(xiàn)強(qiáng)化段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)承載力到達(dá)一定值后，未經(jīng)強(qiáng)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(jié)點(diǎn)骨架曲線有完整的強(qiáng)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(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.2.1試驗(yàn)現(xiàn)象
層間位移角位于0.00375rad～0.01rad之間，節(jié)點(diǎn)處于彈性受力階段，節(jié)點(diǎn)承載力達(dá)到250kN；當(dāng)層間位移角達(dá)到0.015rad時，節(jié)點(diǎn)開始屈服，梁端正向加載到第二循環(huán)時，梁上翼緣輕微鼓起(如圖5 (a)），此時節(jié)點(diǎn)承載力到達(dá)290kN；隨著層間位移角的增加，節(jié)點(diǎn)承載力繼續(xù)升高；層間位移角到達(dá)0.03rad時，上翼緣削弱部位鋼板發(fā)生變形（如圖5 (b)），節(jié)點(diǎn)承載力到達(dá)356kN；層間位移角達(dá)到0.04rad時，上翼緣狗骨削弱最深處屈曲變形明顯，腹板也發(fā)生了輕微屈曲（如圖5 (c))，此時節(jié)點(diǎn)承載力下降到290kN；繼續(xù)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(jīng)查證箱柱內(nèi)隔板與梁上翼緣并未對齊，導(dǎo)致了此現(xiàn)象的發(fā)生。試驗(yàn)被迫停止。
(c) 0.04rad (d) 焊縫破壞情況
圖5SP1-3試驗(yàn)現(xiàn)象
3.2.2滯回曲線及骨架曲線
圖6 SP1-3滯回曲線和骨架曲線
圖6為試驗(yàn)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(jié)點(diǎn)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(dāng)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(dān)，承載力不再上升，試驗(yàn)被迫結(jié)束。
3.3 SP1-4箱柱缺陷型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.3.1試驗(yàn)現(xiàn)象
試驗(yàn)過程中，當(dāng)層間位移角到達(dá)0.01rad，正向加載到227kN，但當(dāng)反向加載到最大時，發(fā)生巨大聲響，同時發(fā)現(xiàn)梁端下翼緣處焊縫開裂（如圖7（a））；繼續(xù)加載，層間位移角到達(dá)0.015rad時，荷載不再出現(xiàn)上升現(xiàn)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7（b））；層間位移角到達(dá)0.03rad時，上下翼緣焊縫的開裂情況繼續(xù)加深，且當(dāng)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(dá)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(xiàn)象（如圖7（c））；0.06rad時，下翼緣完全被撕開（如圖7（d）），試驗(yàn)結(jié)束。
圖7SP1-4試驗(yàn)現(xiàn)象
3.3.2滯回曲線及骨架曲線
圖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(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)彈塑性受力階段，也沒有出現(xiàn)強(qiáng)化階段，而是當(dāng)層間位移角到達(dá)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(jié)點(diǎn)喪失承載能力，并在以后的加載過程中，節(jié)點(diǎn)承載力持續(xù)下降。整個破壞過程延性低。
4.結(jié)論
目前箱柱廣泛運(yùn)用于鋼結(jié)構(gòu)工程當(dāng)中，然而在實(shí)際工程中，往往由于箱柱較型鋼柱加工工藝復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。例如，柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內(nèi)，箱形柱壁板間未能夠采用全熔透坡口焊縫，箱柱內(nèi)隔板的施工處理上往往會出現(xiàn)內(nèi)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(xiàn)嚴(yán)重影響了箱柱梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能和抗震性能，降低了節(jié)點(diǎn)的承載能力、延性性能和耗能能力，極大影響了房屋的結(jié)構(gòu)安全，因此，在鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范條文的規(guī)定。
參考文獻(xiàn)
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（北京建筑工程學(xué)院，北京，100044）
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