T型鋼連接鋼框架抗震性能試驗研究*
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王新武 孫海粟
（洛陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南洛陽471023）
摘 要：半剛性連接具有施工方便、受力合理等優(yōu)點，已逐漸應(yīng)用在工程中。通過一個兩層T型鋼連接平面鋼框架模型的擬靜力試驗，研究了此框架中剖分T型鋼連接的變形情況、空間鋼框架的耗能特性、變形特征、塑性鉸出現(xiàn)順序、鋼框架破壞模式等，從而得到半剛性連接平面鋼框架的抗震性能。結(jié)果表明：T型鋼連接鋼框架具有較好的變形能力和承載能力，非常適合在地震區(qū)中應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：T型鋼連接；半剛性連接；鋼框架；抗震性能；擬靜力試驗
DOI:10. 13206/j.gjg201606002
在美國北嶺地震和日本阪神地震后，高強螺栓梁柱連接得到廣泛研究。此類連接主要通過高強螺栓、連接件（角鋼、端板、T型鋼等）將梁、柱連接在一起，其性能處于剛性連接和鉸接之間，稱之為半剛性連接。半剛性連接因為不需要在現(xiàn)場施焊，施工質(zhì)量容易保證，受力明確，因此在工程中已有應(yīng)用，但半剛性連接鋼框架的各種受力性能還不是十分明確，因此很有必要對其進(jìn)行深入研究。T型鋼半剛性連接被認(rèn)為是一種連接剛度較大的半剛性連
接之一，因此本文針對T型鋼連接鋼框架進(jìn)行試驗研究，以期獲得T型鋼連接鋼框架的耗能機制和破壞機理等受力性能。
1試驗概況
1.1 試驗?zāi)康?/p>
通過對T型鋼連接鋼框架低周反復(fù)加載試驗，得到T型鋼半剛性連接鋼框架的抗震性能和鋼框架在低周循環(huán)荷載作用下的破壞機理。
1.2 鋼框架的設(shè)計概況
根據(jù)現(xiàn)行JGJ 101-96《建筑抗震試驗方法規(guī)程》、GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及所具備的試驗設(shè)備條件和試驗?zāi)Ｐ停⒄粘Ｓ玫拿裼媒ㄖ䦟痈�、梁柱斷面尺寸和柱網(wǎng)等，本次試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為縮尺比例1：2的單跨、單榀、兩層的型鋼半剛性連接鋼框架試驗?zāi)Ｐ停粚雍投䦟訕敲鏄?biāo)高分別為2. 250 m和2.000 m，跨度為3.0 m，試驗?zāi)Ｐ图艾F(xiàn)場如圖1所示。梁柱連接采用T型鋼高強螺栓連接，T型鋼由Q235B材質(zhì)的H型鋼剖分而成，具體尺寸如圖2所示。梁和柱均采用Q235B熱軋H型鋼，梁截面為HM194 x150 x6 x9;柱截面為HW175 ×175×8×11;T型鋼連接件截面為TN250×200×10×16，每段長150 mm。螺栓采用10.9級M16摩擦型連接高強螺栓。
1.3鋼材材性試驗
材性試驗的試樣分別從與框架中柱、梁同一批熱軋H型鋼的腹板和翼緣上截取的，通過單軸拉伸試驗得到各個試樣的應(yīng)力一應(yīng)變曲線及主要材料參數(shù)，具體數(shù)值見表1。
1.4 試驗加載裝置及應(yīng)變量測
本試驗系統(tǒng)裝置由試驗試件，反力墻，伺服加載系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。試驗過程中配置了1個1 000 k N水平方向作動器，在頂層梁端施加水平荷載，試驗現(xiàn)場框架結(jié)構(gòu)及加載位置如圖1所示。試驗中通過內(nèi)置位移計和外置位移計測得框架的位移響應(yīng)和框架各測點的位移，在梁柱連接處梁翼緣、柱翼緣，剖分T型鋼、柱腳等關(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片，利用靜態(tài)應(yīng)變儀來量測各部位的應(yīng)變，從而來對整個空間鋼框架進(jìn)行受力分析。
1.5 加載方案
利用電液伺服加載系統(tǒng)對鋼框架施加低周反復(fù)荷載。首先利用荷載控制的加載方式對T型鋼連接鋼框架進(jìn)行預(yù)加載，測試試驗裝備能否正常加載，對試驗的量測儀器進(jìn)行標(biāo)定，同時觀察試件的反應(yīng)。檢查正常后對鋼框架模型采用荷載控制的方式進(jìn)行正式加載，每級加載10 kN，持續(xù)15 min，循環(huán)2次，觀察鋼框架的剛度以及荷載一位移曲線變化情況，直至某一節(jié)點區(qū)域的應(yīng)變接近屈服應(yīng)變，進(jìn)行緩慢加載，測得鋼框架某一節(jié)點處應(yīng)變發(fā)生屈服時對應(yīng)的位移值，即為鋼框架的屈服位移，然后利用位移控制的加載方式進(jìn)行分級循環(huán)加載。本次試驗的屈服
給鋼框架的最大位移為143 mm，每級循環(huán)2次。加載制度如圖3所示。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)
在對T型鋼連接鋼框架進(jìn)行低周反復(fù)加載的過程中，當(dāng)施加給鋼框架的位移達(dá)到△y、2△y、3△y時，其荷載-位移曲線形成的環(huán)面積較小，基本呈直線形狀，表明雖然鋼框架某些區(qū)域應(yīng)變已達(dá)到屈服應(yīng)變，但鋼框架整體性能仍呈彈性狀態(tài)。試驗進(jìn)行過程中加載到△y、2△y時鋼框架基本無響聲，但在加載到3△y 時鋼框架開始出現(xiàn)微小響聲。隨著對鋼框架持續(xù)加載，節(jié)點區(qū)域的應(yīng)變不斷增大，其中加載端底層梁上翼緣T型鋼處應(yīng)變最大，在鋼框架的頂層位移達(dá)到4△y 即位移達(dá)到57.2mm時，鋼框架發(fā)出較大響聲，此時最大應(yīng)變達(dá)到11.054×10-3，當(dāng)位移回到0時，鋼框架的節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)殘余應(yīng)變，說明鋼框架已屈服，此時1區(qū)T型鋼連接件被拉開。當(dāng)施加給鋼框架的位移達(dá)到5△y 即71.5 mm時，加載端底層梁上翼緣T型鋼翼緣與柱拉開分離-定位移，T型鋼屈曲，恢復(fù)至0即回到平衡位時，鋼框架發(fā)出的響聲最大。當(dāng)施加給鋼框架的位移達(dá)到8△y 即114.4 mm時，鋼框架節(jié)點區(qū)域T型鋼與柱翼緣之間縫隙較大，T型件翼緣和腹板連接處完全屈曲，鋼框架發(fā)生平面外失穩(wěn)。當(dāng)鋼框架頂層位移達(dá)到10△y 即143 mm時，由于發(fā)生平面外失穩(wěn)而發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，此時柱腳屈服，柱子表面鍍層剝落，試驗終止。試驗終止時框架的最終破壞形態(tài)如圖4所示。
2.2應(yīng)變變化
表2為鋼框架某些關(guān)鍵區(qū)域最大應(yīng)變值�？梢钥闯�，整個框架中T型鋼腹板及翼緣處應(yīng)變發(fā)展較快，其中，T型鋼翼緣處發(fā)展最快，當(dāng)在△y時，非加載端頂層梁下翼緣T型鋼翼緣處應(yīng)變已達(dá)到2. 359×10-3，表明T型鋼已屈服，到4△y 時，加載端底層梁上翼緣T型鋼翼緣處應(yīng)變已達(dá)到11. 054×10-3。在此類連接鋼框架中，T型鋼首先發(fā)生屈服。
而連接處梁翼緣上的應(yīng)變到試驗終止時，即10△y 時，應(yīng)變也只有0.596×10-3，遠(yuǎn)沒有屈服，梁柱連接附近柱上、下翼緣外側(cè)當(dāng)?shù)竭_(dá)10△y 時，最大應(yīng)變也只有1. 389×10-3，還沒有達(dá)到屈服應(yīng)變。從整體來看，在剖分T型鋼梁柱連接空間鋼框架受到低周反復(fù)荷載作用時，T型鋼倒角處首先發(fā)生屈服，連接附近梁上、下翼緣以及柱上、下翼緣在試驗終止時也沒有屈服，因此此類連接鋼框架并沒有達(dá)到抗震設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的“強節(jié)點弱構(gòu)件”、“強柱弱梁”設(shè)計原則。
2.3 荷載-位移滯回曲線
根據(jù)試驗中的鋼框架的頂層荷載和頂層位移，得到鋼框架的頂層荷載-頂層位移滯回曲線，如圖5所示�？梢钥吹剑虞d初期，荷載-位移曲線呈線性，隨著加載進(jìn)行，非線性特征非常明顯，整個滯回曲線飽滿，呈梭形，曲線中部出現(xiàn)捏縮和抖動現(xiàn)象，這主要是由于連接件比較多，鋼框架在加載的過程中連接件之間會產(chǎn)生一定的滑移。從滯回曲線整體形狀可以看出鋼框架具有較好的塑性變形能力、抗震性能和耗能能力。
2.4 骨架曲線
將滯回曲線上同向（推或拉）的每級荷載極值點依次相連得到的包絡(luò)曲線，即是骨架曲線，如圖6所示�？梢钥吹�，鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和強化階段后進(jìn)入到下降階段，結(jié)構(gòu)塑性變形得到了充分發(fā)展，且在加載過程中，鋼框架的正向承載力（推）大于反向承載力（拉）。鋼框架出現(xiàn)屈服前，荷載-位移曲線基本呈線性，此時鋼框架的受力性能仍處于彈性階段。隨持續(xù)加載，滯回曲線出現(xiàn)拐點，但仍處于上升階段，
說明T型鋼發(fā)生塑性變形，進(jìn)入強化階段，頂層荷載-位移骨架曲線中最大位移為143 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB 50017-2003規(guī)定的側(cè)向位移的限值，因此T型鋼連接鋼框架具有良好的變形能力。
2.5 延性與耗能性能
試驗終止時，最終的側(cè)向位移已達(dá)到10倍屈服位移，因此可以得出T型鋼連接平面鋼框架的延性系數(shù)為10.0，大于GB 50011-2010規(guī)定框架結(jié)構(gòu)延性系數(shù)達(dá)到4.0的抗震要求，說明T型鋼連接鋼框架的延性性能很好，具有可靠的變形能力以及較好的抗震性能，適用于抗震設(shè)防地區(qū)。
通過計算單個最大滯回環(huán)的面積計算結(jié)構(gòu)的耗能系數(shù)，得到T型鋼連接平面鋼框架的耗能系數(shù)為0. 764，非常接近1，表明T-型鋼連接鋼框架的耗能性能較好，具有良好的抗震能力。
3 結(jié) 論
本文通過對T型鋼連接平面鋼框架的擬靜力試驗，可以得出以下結(jié)論：
1)在低周反復(fù)荷載作用下，鋼框架節(jié)點處的T型鋼連接件首先屈服形成塑性鉸，從而使梁、柱內(nèi)力重分布，梁、柱一般不會發(fā)生屈服。
2)T型鋼連接鋼框架的滯回曲線形狀飽滿，耗能系數(shù)較大，鋼框架的側(cè)向變形能力較好。
3)對于半剛性連接平面鋼框架，在沒有任何側(cè)向支撐的情況下，很容易發(fā)生平面外失穩(wěn)，引起柱局部屈曲，從而導(dǎo)致鋼框架失去承載力。
