T型鋼結(jié)構(gòu)全焊節(jié)點抗震性能試驗研究
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魏科豐 韓 丁
（長江大學工程技術(shù)學院，湖北荊州 434020）
摘 要：制作了3個T型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點試件，在實驗室通過擬靜力試驗，對這3個試件進行了低周反復加載，根據(jù)其受力及破壞形態(tài)分析了此類節(jié)點在地震作用下的承載能力、受力機理、強度與剛度退化特征及耗能能力，同時通過人為在腹板處制造裂縫，研究其受力特征及對節(jié)點損傷性能的影響。試驗結(jié)果顯示：應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在連接柱翼緣角焊縫和梁腹板的兩個焊接端，該處為鋼結(jié)構(gòu)試件焊接過程中熄弧或起弧的位置，也是容易出現(xiàn)焊接缺陷和脆性斷裂的危險部位．通過T型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的試驗研究，對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能、破壞特征、探傷及識別進行了有益的探索，同時得到了一些試驗數(shù)據(jù)，可為鋼結(jié)構(gòu)施工過程中對節(jié)點進行優(yōu)化和改進提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)T型節(jié)點；抗震性能；焊縫損傷；試驗
隨著高層鋼結(jié)構(gòu)中焊接連接節(jié)點的普遍采用，焊接節(jié)點的抗震及受力性能受到越來越多的關(guān)注，焊接缺陷直接導致了工程事故的增加。目前普遍采用的梁和柱剛性連接大致可以分為全焊連接、栓焊連接和螺栓連接3類。所謂全焊連接就是將鋼結(jié)構(gòu)梁柱全部采用焊縫連接；栓焊連接即梁的翼緣與柱采用焊縫連接，但在梁的腹板與柱之間則采用摩擦型高強螺栓連接；螺栓連接即梁柱全部采用高強螺栓連接。這3種連接方式各有優(yōu)缺點，其中采用全焊連接可靠度高，一般不會出現(xiàn)滑移問題，只要焊縫處理得當，可保證鋼結(jié)構(gòu)有足夠的延性，但在實際施工過程中比較困難，由于焊縫較多，焊縫缺陷問題也就容易出現(xiàn)，另外在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形也會給結(jié)構(gòu)帶來不利影響；在施工中最為方便的應(yīng)該是高強螺栓連接，技術(shù)上也比較成熟，但存在預留的鋼結(jié)構(gòu)接頭尺寸過大，鋼材消耗較多，同時價格也比較昂貴等問題；栓焊混合連接因其具有兩方面的優(yōu)點，即先用螺栓進行定位，然后對鋼結(jié)構(gòu)翼緣進行焊接，施工方便，應(yīng)用最為普遍。
1 焊接缺陷原因
1.1 地震對焊接節(jié)點的影響
1994年美國洛杉磯北嶺地震（里氏6.8級），屬于中等強度的地震，但部分鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點發(fā)生了脆性斷裂，出現(xiàn)這種情況的原因是洛杉磯北嶺地震其能量的釋放基本上是突發(fā)式的，在一個很短的時間內(nèi)就完成了全部能量的釋放，并且地震作用的時間非常短，地面作用的最大加速度脈沖持續(xù)時間只有6~8s，這樣使得北嶺地區(qū)在很短的時間內(nèi)承受了巨大的能量，從現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)來看，地面水平加速度高達1. 8g，豎向加速度達1.2g，在這樣較高的豎
向加速度作用下，鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點出現(xiàn)了焊縫脫落，甚至有些懸臂梁的下翼緣也出現(xiàn)了破壞，可見地震的破壞力巨大。
1.2 焊接質(zhì)量的影響
鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中因為各種因素的影響，焊縫往往會出現(xiàn)一些小的缺陷，如接頭部位的裂紋、焊接過程中未焊透，甚至出現(xiàn)夾渣和氣孔等問題，這些缺陷都會導致節(jié)點的斷裂。試驗證明鋼結(jié)構(gòu)在受拉時最大應(yīng)力出現(xiàn)在切口部位，過大的應(yīng)力往往導致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，沒有明顯的屈服過程。通過對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點進行有限元模擬分析，得出在梁翼緣和焊接墊板連接處的中部往往出現(xiàn)最大的應(yīng)力集中，而鋼結(jié)構(gòu)的破壞就是從這個地方開始的，隨后通過試驗也證實了這一結(jié)論。由于鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中焊縫收縮時受到與之相連的梁柱等約束，會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時這些殘余應(yīng)力加大了接頭和鋼結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平，因此焊接接頭的質(zhì)量決定了節(jié)點的抗震性能，具有較高強度和較好延性的焊接接頭在抗震中起著重要作用，但是目前對鋼結(jié)構(gòu)的檢測難以發(fā)現(xiàn)所有可能出現(xiàn)的焊接缺陷，所以質(zhì)量控制存在著許多困難，再加上焊接質(zhì)量離散度較大，焊接缺陷出現(xiàn)的可能性也增大，結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生脆性斷裂的可能性亦越大。
1.3材料質(zhì)量的影響
在地震作用時，鋼結(jié)構(gòu)的梁翼緣處發(fā)生塑性應(yīng)變，隨后能夠形成塑性鉸消耗地震輸入的能量，這是節(jié)點抗震設(shè)計的基本目的，但實際施工中有些翼緣材料的延性不是很好，這樣就直接導致了柱翼緣在地震作用下撕裂破壞，而鋼材的質(zhì)量主要與冶金及其受力狀態(tài)有關(guān)。試驗研究表明厚鋼板由于存在缺陷的可能性更大，因此其延性和韌度均較差，而薄鋼板因為軋制溫度較低，組織更加細密，但目前很多高層鋼結(jié)構(gòu)均采用厚鋼板，這也增加了高層鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的可能性。
1.4設(shè)計對焊接節(jié)點的影響
在設(shè)計和計算過程中為了計算的方便通常采用平截面假定，但這與實際工程的情況不完全相符，主要原因是因為焊縫的存在，鋼結(jié)構(gòu)承受的剪切變形使得梁翼緣承受了較大的剪力，使得梁上、下翼緣過早屈服，這樣一來在計算過程中假定的梁翼緣主要傳遞梁截面的全部彎矩，而梁的全部剪力主要由梁腹板來傳遞就不成立了。同時試驗和理論研究表明：鋼材在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，材料的延性變差，韌度也有一定程度的降低，而抗震設(shè)計原則中的“強柱弱梁”使得梁柱節(jié)點與實際情況有很大的區(qū)別，這是設(shè)計因素對焊接節(jié)點受力的影響。
2試驗方案
2.1試件制作及試驗?zāi)Ｐ偷倪x取
試件為3跨、4層鋼框架結(jié)構(gòu)，見圖1，計算時選取邊界節(jié)點進行分析和試驗，假定反彎點在梁柱中點，計算簡圖見圖2。
圖2中Ⅳ為節(jié)點承受的軸力；V為節(jié)點承受的剪力；p為由中間柱傳遞過來的荷載。
2.2試件制作相關(guān)參數(shù)
為研究鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的焊縫損傷對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，按照“強構(gòu)件、弱節(jié)點”的設(shè)計原則，使得在地震荷載作用下節(jié)點能形成塑性鉸，先于梁柱破壞。鋼結(jié)構(gòu)各截面參數(shù)如表1所示。
由于M1> 2M2，滿足GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的強柱弱梁的要求。
2.3 鋼結(jié)構(gòu)試件的設(shè)計
制作的試件所用鋼材為Q235B鋼，柱截面采用H150× 150×7×10型鋼，梁截面采用I140×80×5.5×9.1型鋼，節(jié)點采用全焊接方式，在梁的翼緣開半徑為30 mm的坡口，腹板采用雙角焊縫，焊角寬度為6 mm，柱腹板采用加勁肋，厚度為8 mm，具體設(shè)計參數(shù)見表2。
2.4材料強度
在試驗過程中測試了試件主要部位的材料性能，得到了其相關(guān)力學參數(shù)。根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》規(guī)定，按不同鋼材厚度制定標準試樣，選擇了5組試樣，每組3個，厚度為：4，6，8，10，15 mm。試樣鋼材的力學性能指標如表3所示。
3加載方案設(shè)計及試驗所用裝置
3.1 試驗裝置
根據(jù)實驗室現(xiàn)有的條件，鋼柱兩端通過高強螺栓固定在底座上，將水平助推器連接在梁的兩端，試驗加載裝置如圖3所示。
3.2 加載方案設(shè)計
本試驗加載方案分為單循環(huán)加載和周期循環(huán)加載，單循環(huán)加載主要在彈性階段，當試件進入塑性階段后按照每個周期循環(huán)3次的方案進行加載直到節(jié)點破壞，破壞的標準是水平作用力達到極限荷載的85%。加載分為兩個階段：第一階段循環(huán)1次，當位移分別為2，4，6 mm時對應(yīng)的荷載分別為7.4，14.8，22.2 k N，周期為100 s。第二階段以位移進行控制，共循環(huán)5次，位移分別為6，12，18，24，30 mm，周期為250 s。加載至極限荷載p u下降到峰值荷載P max的85%，即P u=0. 85P max=28. 46 k N時加載結(jié)束。
3.3數(shù)據(jù)采集
節(jié)點核心區(qū)處梁、柱塑性鉸的曲率或者轉(zhuǎn)角主要是采用量程為30 mm的位移計來測量，柱頂水平加載截面處的位移采用量程為100 mm的位移計來進行測量。位移計布置在柱頂水平荷載加載截面、柱腳截面、梁端支撐處。本試驗共布置了6個位移計，這些位移計與靜態(tài)電阻應(yīng)變箱相連，其值由計算機在試驗過程中自動采集。節(jié)點核心區(qū)鋼管壁的應(yīng)變主要由沿對角線方向布置應(yīng)變片來測量，在靠近節(jié)點區(qū)梁端、柱端鋼管上布置應(yīng)變片來測量其應(yīng)力分布情況，為了了解加強環(huán)板的受力情況和傳力特征，主要測定外隔板的應(yīng)變情況，通過統(tǒng)計本試驗每個節(jié)點模型共貼單向應(yīng)變片45片，應(yīng)變花3個，與靜態(tài)電阻應(yīng)變箱相連，其值由計算機在試驗過程中自動采集。
4試驗結(jié)果及分析
本次試驗對象為3個T型鋼節(jié)點試件，梁翼緣采用V形坡口焊，腹板采用雙角焊縫，焊縫寬度為6 mm，整個試驗在土木工程實驗室完成。為了區(qū)別不同的焊縫情況，在試件二的腹板焊縫處開了一條2 mm的裂縫，試件三的腹板焊縫處開了一條4 mm的裂縫，試件一腹板焊縫完好，通過擬靜力試驗，對3個試件的破壞過程、試驗參數(shù)進行對比分析。
4.1試驗現(xiàn)象
4.1.1 試件一加載
根據(jù)加載方案，在彈性階段采用單循環(huán)加載，具體表現(xiàn)為位移達到10 mm之前，每2 mm為一個加載等級，進入塑性階段以后，每10 mm為一個等級，這與實際情況是相符合的，在位移達到10 mm之前，荷載一位移曲線基本為一條直線。在彈性階段，位移變化非常小，梁翼緣未出現(xiàn)斷裂和屈服情況，焊縫也比較完整，但當位移繼續(xù)增加，進入30 mm的第一個循環(huán)加載階段時，梁翼緣兩側(cè)開始屈服，腹板處無變化，當進入30 mm的第二個循環(huán)時，一側(cè)的翼緣焊縫出現(xiàn)了裂紋，腹板處焊縫無變化，當位移進入30 mm第3個循環(huán)時，梁翼緣兩側(cè)焊縫均已拉斷，喪失承載能力，但腹板焊縫依舊未出現(xiàn)裂縫。引。
梁翼緣焊縫處斷裂最后導致節(jié)點的破壞，最大破壞荷載為33 k N，這與預估值33.5 k N是相吻合的，卸載后，節(jié)點有殘余變形。試件一節(jié)點破壞形式如圖4所示。
4.1.2 試件二加載
試件二在腹板處有一條2 mm的裂縫，在彈性階段，位移變化非常小，梁翼緣未出現(xiàn)斷裂和屈服情況，焊縫也比較完整，但當位移繼續(xù)增加，進入30 mm的第一個循環(huán)加載階段時，梁翼緣一側(cè)開始屈服，另一側(cè)焊縫開始出現(xiàn)裂縫，腹板處無變化，當進入30 mm的第二個循環(huán)時，一側(cè)的翼緣焊縫出現(xiàn)了裂紋，腹板處焊縫有輕微裂紋，當位移進入第3個循環(huán)時，梁翼緣裂縫繼續(xù)擴大，從一端延伸到了另外一端，腹板也出現(xiàn)了裂縫，此時構(gòu)件已經(jīng)失去承載能力。節(jié)點最后破壞時梁翼緣和腹板焊縫均斷裂，最大破壞荷載達到了33.3 k N，與預估值33.5 k N是相吻合的，卸載后，節(jié)點有殘余變形，且向平面外傾斜。試件二破壞過程如圖5所示。
4.1.3 試件三加載
試件三在腹板處有一條4 mm的裂縫，在彈性階段，位移變化非常小，梁翼緣未出現(xiàn)斷裂和屈服情況，焊縫也比較完整，但當位移繼續(xù)增加，進入30 mm的第一個循環(huán)加載階段時，梁翼緣一側(cè)開始屈服，另一側(cè)焊縫開始出現(xiàn)裂縫，腹板處無變化，當進入30 mm的第二個循環(huán)時，一側(cè)的翼緣焊縫出現(xiàn)了裂紋，腹板處焊縫出現(xiàn)裂紋，當位移進入第3個循環(huán)時，裂縫迅速擴展，腹板焊縫也出現(xiàn)裂縫，此時構(gòu)件已經(jīng)失去承載能力，節(jié)點最后破壞時梁翼緣和腹板焊縫均斷裂，最大破壞荷載達到了33.7 k N，與預估值33.5 k N是相吻合的，卸載后，節(jié)點有殘余變形。試件三破壞過程如圖6所示。
4.2試驗結(jié)果分析
3個試件都經(jīng)歷了彈性、塑性及破壞3個階段：試件一腹板焊縫未出現(xiàn)裂縫；試件二因為梁腹板有2 mm的裂縫，在加載過程中容易在裂縫處形成應(yīng)力集中，因此腹板出現(xiàn)了裂縫并很快擴展開來；試件三梁腹板有4 mm的裂縫，梁腹板出現(xiàn)裂縫更早，并且承載力更差，節(jié)點很快失去了承載能力。試驗結(jié)果表明：3個節(jié)點破壞都是梁翼緣焊縫出現(xiàn)脆性斷裂，同時3個試件的極限承載力很接近，但是試件一塑性變形更大一些，試件三塑性最差，出現(xiàn)破壞的時間也較試件一和試件二提前，說明腹板裂縫是影響結(jié)構(gòu)承載能力的一個重要因素。
5 結(jié)論及展望
在試驗的基礎(chǔ)上對3個試件脆性斷裂機理、承載能力、破壞形態(tài)以及剛度等特征進行了分析。因為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的脆性斷裂，大大降低了其承載力，嚴重影響了鋼結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能，在低周往復模擬荷載作用下，“強構(gòu)件，弱節(jié)點”的設(shè)計原則更容易發(fā)生脆性破壞，這在試驗中已經(jīng)得到了檢驗，因此在今后的設(shè)計過程中要遵循“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，甚至“強節(jié)點，強構(gòu)件”的設(shè)計原則，只有這樣才能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。節(jié)點屈服之前，剛度退化較慢，但一旦屈服，剛度迅速退化，剛度與腹板焊縫裂紋基本成正比例變化。因此加強節(jié)點焊縫強度以及焊縫損傷的探測，能有效增大鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的延性和塑性，提高其抗震性能。
本次試驗鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點形式選擇比較單一，結(jié)論難免存在片面性，本文沒有對改進型節(jié)點進行研究，但隨著現(xiàn)代大跨度及超高層建筑的發(fā)展，對此類節(jié)點的要求會越來越高，因此對改進型節(jié)點的研究將是今后的研究方向。
