方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点滞回性能试验研究

第44卷第6期2014年3月下建筑结构Building Structure Vol．44No．6Mar．2014方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点滞回性能试验研究万馨1，刘志明2，姜喜周1（1内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头014010；2包头市地震局，包头014010）［摘要］针对贯通隔板相关参数对方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架节点抗震性能的影响，设计了4个隔板贯通式节点试件，对其进行了低周反复循环荷载作用下滞回性能的试验研究。

试验表明，该类型节点具有较好的延性和承载力，强度退化和刚度退化稳定。

隔板的厚度对节点承载力有明显影响，厚度越大，承载力越高；在一定范围内，隔板的平面尺寸越大，越能将应力有效分散到更大区域，对承载力有一定贡献。

［关键词］隔板贯通式节点；方钢管；滞回性能；试验研究中图分类号：TU392文献标识码：A文章编号：1002-848X （2014）06-0065-05Experimental study of hysteretic behavior of diaphragm-through joint of steel framewith square steel tube column and H-shaped steel beamWan Xin 1，Liu Zhiming 2，Jiang Xizhou 1（1Architecture and Civil Engineering School ，Inner Mongolia University of Science and Technology ，Baotou 014010，China ；2Baotou Seismological Bureau ，Baotou 014010，China ）Abstract ：In order to study the impacts of the continuous diaphragms on the seismic behavior of steel frame joint with square steel tube column and H-shaped steel beam ，four diaphragm-through joint specimens were tested under low cyclic loads to investigate the hysteretic behavior．The experiment results show that the ductility and the bearing capacity are sufficient and the strength degradation is stable as well as the stiffness degradation．Diaphragm thickness has a major influence on the bearing capacity of the joint and the bearing capacity is in proportion to the thickness of the diaphragm．In a certain range ，the diaphragms with bigger planar dimension can effectively distribute the stress to a wider area ，which contributes to the bearing capacity．Keywords ：diaphragm-through joint ；square steel tube ；hysteretic behavior ；experimental study作者简介：万馨，硕士，副教授，Email ：xin．wan@126．com 。

0引言随着国内钢产量激增和钢材种类的增多，钢框架结构的应用日益广泛。

梁柱节点或梁柱连接在钢框架结构中起着举足轻重的作用，其性能可对结构的整体行为产生影响。

日本和美国关于震后的研究表明，地震作用下框架节点区域受力复杂，存在严重的应力集中，往往会发生因焊缝破坏而导致节点失效的现象［1］。

我国现行规范推荐使用柱贯通式节点，但这种节点需要较高的成本来设置内隔板，或者施焊时由于操作空间限制，不得不将柱在内隔板附近断开，因此不能保证完全意义上的柱贯通［2］。

日本的钢管柱-梁节点广泛采用隔板贯通式连接，但我国对隔板贯通式节点的研究较少［3］。

为了研究这种节点的实际抗震性能，本文针对方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点进行了低周反复荷载作用下的试验研究，重点研究了贯通隔板相关参数对节点抗震机理的影响，给出了满足抗震设计要求的隔板相关参数的取值依据，为工程设计和相关规范的修订提供参考。

1试验概况1.1试件设计以隔板的厚度和平面尺寸为主要考察参数，共制作了4个方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点试件，见图1。

其中试件JD2，JD4隔板的外挑长度为50mm ，试件JD1，JD3隔板的外挑长度为25mm ，与梁翼缘搭接长度为250mm ，均采用实腹钢板。

隔板与方钢管柱均采用全熔透坡口对接焊缝，与梁翼缘和腹板之间均采用10.9级摩擦型高强螺栓连接，接触面喷砂处理，表面摩擦系数为0.45。

各试件的参数见表1。

试件几何参数表1试件梁截面/mm 柱截面/mm 隔板厚度/mm 隔板外挑长度/mm 隔板宽厚比JD1JD2H200ˑ180ˑ6ˑ10□200ˑ200ˑ10ˑ10825502525JD3JD4H200ˑ180ˑ6ˑ10□200ˑ200ˑ10ˑ101025502020建筑结构2014年图1试验节点及剖面4个试件均采用Q235B钢材，方钢管柱为焊接箱形截面，梁为焊接工字形截面，焊条采用E43系列。

根据《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228—2002）［4］要求制作标准拉伸试条进行材性试验。

材性试验结果为：8mm厚钢板屈服强度为249MPa，极限强度为392MPa；10mm厚钢板屈服强度为245MPa，极限强度为388MPa。

1.2加载装置及加载制度在梁端用50t伺服液压千斤顶施加低周反复荷载，试验过程中用X-Y函数记录仪同步绘制荷载-位移曲线以便加载控制，并采用数据自动采集系统同步记录各电阻应变片、位移计及百分表的数据。

试验装置及隔板应变片位置见图2。

加载过程分预加载和加载两个阶段［5］。

水平荷载采取荷载、位移混合加载制度，分级循环施加荷载，直至试件破坏，是否破坏以荷载-位移曲线是否出现明显拐点、构件变形及裂缝等进行综合评定。

弹性阶段采取荷载控制，荷载增量为6kN，即6，12，18kN，…，每级循环2次；试件屈服后采用位移控制，以0.25倍屈服位移为级差控制加载，每级循环3次。

试件加载时各循环均先使梁的左侧翼缘受拉，即先推后拉。

2试验结果2.1试验现象及分析各个试件在加载初期的荷载-位移曲线（图3）基本为直线，表明试件处于弹性阶段。

加载至一定图2试验装置及隔板应变片位置示意图图3试件滞回曲线程度后，试件隔板受压，发生局部屈曲，之后随着荷载的加大，隔板上均出现较为明显的残余变形。

高强螺栓的滑移程度随着荷载和位移的增大而加剧，66第44卷第6期万馨，等．方钢管柱-焊接工字形钢梁钢框架隔板贯通式节点滞回性能试验研究底部两个螺栓孔首先出现扩孔，变成明显的椭圆形，且螺栓主要通过螺栓杆与钢板之间的承压接触来抵抗外力。

各试件的失效模式见表2。

各试件的失效模式表2试件试件失效模式JD1高强螺栓滑移，隔板上螺栓孔削弱部位钢材断裂，隔板受压时局部屈曲JD2高强螺栓滑移，隔板上螺栓孔削弱部位钢材断裂，隔板受压时局部屈曲JD3高强螺栓滑移，隔板与柱连接处焊缝开裂JD4高强螺栓滑移，隔板与柱连接处焊缝开裂，中段柱翼缘与腹板连接焊缝突然开裂试件JD1，JD2的最终破坏为离柱表面最近的隔板上螺栓孔之间钢材的断裂；试件JD3，JD4的最终破坏出现在节点域附近的焊缝处，但在此之前试件JD3已出现严重扭转，不宜继续加载，试件JD4的承载力也已有明显下降，各个试件的典型破坏形态见图4。

图4试件破坏形态试件JD3由于加工制作误差及加载偏心，梁端在加载过程中出现了扭转，使得隔板两侧受力差异较大，导致隔板与柱壁板连接的焊缝开裂。

在低周反复循环荷载作用下，由4个试件的破坏特征可知：（1）隔板受拉时，底部两螺栓之间钢材应力最大，并最先出现屈服；受压时，由于隔板宽厚比较大，在该部位发生平面外鼓曲，在循环荷载作用下试件JD1，JD2最终在此处发生疲劳断裂。

（2）节点域隔板与柱壁板之间焊缝是主要的受力焊缝，由于试件JD3，JD4采用的隔板宽厚比较小，在该部位没有发生平面外鼓曲，而是发生源于焊缝及其热影响区的脆性破坏。

（3）高强螺栓的滑移导致试件后期的位移中有相当一部分是“荷载走空程”，即荷载不变，位移增大，表现为试件的整体刚度减小，滞回曲线出现一定的“捏缩”现象。

2.2试验滞回曲线加载初期试件的弹性刚度最大，且基本保持不变，卸载后残余变形很小，一次加载循环形成的滞回环面积很小；试件屈服后，随着梁端位移的增大，卸载后残余变形也随之增大，一次加载循环形成的滞回环面积逐渐增大，表明耗能能力逐渐增大。

由图3可以看出：隔板厚度对连接节点滞回性能有明显的影响，试件的承载力随隔板厚度增大而增大；隔板外挑长度对节点滞回性能有影响，隔板外挑长度较长时，试件承载力提高，但提高的幅度不大。

由图3还可以看出，加载至一定程度时滞回环出现微小捏缩现象，这是因为高强螺栓开始出现滑移并伴随有“咔咔”的响声，此时滞回曲线总体呈“梭形”。

加载至更大位移时滞回环“捏缩”明显，滞回曲线总体呈“弓形”。

螺栓滑移较大时，“咔咔”声频率加快，刚度退化也加快。

2.3骨架曲线由图5可以看出，试件JD3，JD4的骨架曲线在最外侧且比较接近，说明随着隔板厚度的增大，试件承载力提高，而隔板外挑长度的增大对试件承载力提高并不明显；而对于试件JD1，JD2，随着隔板外挑长度的增大，试件承载力均有所提高，且当隔板外挑长度增大时，试件承载力退化不明显。

从整体来看，随着隔板厚度的增大，试件承载力提高，但隔板厚度应在合理范围内增大，而不宜过大。

图5试件骨架曲线2.4延性分析延性是构件在非弹性阶段的耗能能力的体现，76建筑结构2014年是抗震性能的一个重要指标，本文通过位移延性系数μ来分析试件的延性：μ=Δu/Δy（1）式中：Δu为构件的荷载下降到85%的最大荷载P max时的变形；Δy为构件在屈服荷载P y时的变形。

由图5可知，在低周反复荷载作用下，各试件经历了弹性阶段、屈服荷载P y、最大荷载P max、极限荷载P u而最终破坏。