冷彎薄壁C型鋼框架斜節點抗震性能試驗研究

程建偉 （宣城職業技術學院建筑藝術系，安徽 宣城242000）

冷彎薄壁C型鋼具有高強、重量輕、構件工廠化程度高、施工方便、勞動強度低、可再利用等優點［1］。在國內外有著廣泛的應用。特別是抗震性能優良，結構整體抗倒塌能力強，同我國古代木結構體系相似，其優良的抗震性能，必將成為未來低層住宅及工業建筑結構發展支柱［2］，具有廣闊的發展前景。冷彎C鋼框架節點是冷彎薄壁型鋼結構體系傳力的核心區域，是這種結構體系的重要組成部分。目前，我國對這類結構體系斜節點抗震性的研究還不夠充分。筆者設計了6個梁、柱斜節點，進行了擬靜力試驗來研究斜節點連接組件板域的應變分布、螺栓間距、節點板厚度對節點受力性能的影響。同時，研究了構造對斜節點承載力、剛度退化、延性及耗能性能的影響。得出了相關的結論，對該類結構設計及施工具有一定的參考價值。

1 冷彎薄壁C型鋼框架斜節點試驗

1.1 試驗目的

研究各組件板域的應變分布、節點板板厚、螺栓間距等因素對節點區域受力性能的影響，獲得節點在低周反復荷載作用下的滯回曲線；研究該類節點的破壞機理、剛度退化、承載力退化、延性及耗能性能。

圖1 試件設計圖

1.2 試驗方案

試驗制作6組C型鋼梁柱斜節點，斜節點通過2塊C型鋼背靠背中間夾有鋼板制成，采用高強螺栓連接。C型鋼截面尺寸為C160×60×20×2.0，卷邊半徑為6mm；節點板為熱軋曲線多邊形鋼板，上邊界與梁上翼緣齊平，梁下加腋；采用8.8級?16高強螺栓，簡圖如圖1所示。

6組試件全部在工廠加工制作完成后，運輸到實驗室進行組裝，確保構件加工質量達到設計要求。同時，為保證柱構件在平面內外的抗彎剛度，柱端用鋼板焊死方式處理。

1.3 試驗試件

試驗各試件參數見表1所示。

表1 試件參數

1.4 加載裝置

試驗采用主要設備：30T推拉千斤頂1臺，油泵1臺。反力裝置采用：試件壓梁1個，水平限位梁2個，限位軌道梁2根，高強混凝土試塊 （C60）2個，支撐架1個。試驗裝置布置如圖2所示。千斤頂兩端在反力墻與試件梁端的加載鉸上，柱端固定地面，由水平限位梁限制水平位移及轉角。高強混凝土試塊作為構件豎向支撐。試件梁的上部設置2根限位軌道梁，保證試件平面內受荷，避免試件平面外產生過大位移，導致試驗失敗。

圖2 試驗裝置

1.5 加載制度

據《建筑抗震試驗方法規程》［3］的要求，試驗前預加載2次，確保試驗各部件協調工作。試驗加載制度采用：力－位移混合控制。首先采用力控制，加載步長取2.5kN，逐級遞增循環，試件屈服后改用位移控制，分級加載步長取9mm，每級循環3次。試驗荷載值降到極限荷載的一半以下終止。

2 試件破壞現象及試驗結果分析

2.1 試件破壞現象

6組試件從初始加載到達到極限荷載其破壞形變相似。千斤頂在梁端往復移動當中，6組試件除節點板產生形變外，其他部位均為發生明顯形變。當試驗加載到13kN左右，B－B截面 （見圖1）附近節點板出現測點屈服，隨后節點板產生形變。加載達極限值約80%，節點板向外的鼓曲變形增大，在A－A截面（見圖1）附近的翼緣出現屈曲，相關測點均屈服。繼續增大位移后，節點板發生平面外的彎曲扭轉，試件B160－6，B200－6與B240－6三個試件節點板較厚，承載能力好于B160－4，B200－4與B240－4試件。各試件破壞形式見圖3所示。

圖3 各試件的試驗現象

2.2 試驗結果分析

據采集的數據可獲得試件的梁端荷載－梁端位移 （P－Δ）滯回曲線。

1）滯回曲線 滯回曲線［4］能夠反映結構在反復作用力過程中的位移荷載曲線變形特征、剛度退化及變形能量消耗，它是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據。

從圖4試件的滯回曲線知，4個試件的滯回曲線均呈典型的梭形，滯回環形狀飽滿，反映試件彈塑性位移大，塑性變形能力好，抗震性能強。

2）骨架曲線 骨架曲線［5］是在研究非彈性地震反應時是很重要的，它是每次循環的 滯回曲線達到最大峰點的跡線，在任一時刻的運動中，峰點不能超過骨架曲線。連接滯回曲線各加載級第一次循環的峰點可以得到試件的骨架曲線。試件骨架曲線對比圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在低周反復荷載作用下，試件都經歷了彈性極限點、最大荷載點。試件在推力過程和拉力過程有所不同。彈性極限點前，試件的骨架曲線基本為一直線，變形基本上呈現彈性；進一步加載，骨架曲線開始彎曲，位移開始沿著骨架曲線的第二段增加，荷載增長滯后于變形，試件剛度降低，隨位移增加，直至達到最大荷載點。變形增長速度明顯大于荷載遞減速度。在試驗現場過程中即時記錄數據，得到試件屈服荷載 （Py）及位移（Δy），極限荷載（Pu）及位移（Δu）、最大荷載（Pmax）及位移（Δmax），參見表2所示。

圖4 各試件的滯回曲線圖

圖5 試件骨架曲線對比圖

3 抗震性能研究

3.1 延性

延性［3］是指截面或構件在承載能力沒有顯著下降的情況下承受變形的能力，其含義是構件破壞以前截面或構件能夠承受最大的塑性變形。節點延性的好壞可以用延性系數來表示，文獻 ［3］規定延性系數μ為：

式中，Δu為構件的承載能力下降到85%極限承載能力時的極限位移，mm；Δy為屈服位移，mm。

表2 骨架曲線計算結果

從表2可以看出，試件的延性系數在2.7～5.5之間，雖然大于混凝土結構所要求的延性系數2.0，但同其他輕鋼結構端板連接節點、冷彎型鋼雙腹板上下角鋼連接節點［5］及鋼管混凝土梁柱節點［6］相比，主要體現在推力加載過程中延性不足，各試件在推力的過程中的延性系數 要比拉力的過程略低，在拉力加載過程當中延性表現良好。

3.2 承載力退化

根據文獻 ［3］的定義要求，用承載力降低系數表示試件的承載力退化：

從表3可以看出，各試件承載力退化系數在0.89～0.99之間，平均在0.96左右，承載力退化穩定，說明加載循環次數對試件承載力影響不大。

表3 試件循環加載承載力退化系數表

3.3 剛度退化

依據文獻 ［3］，采用割線剛度法研究試件的剛度退化。割線剛度Ki按式（3）計算：

式中，Fi為第i次峰點荷載值，kN；Xi為第i次峰點位移值，mm。試件剛度退化對比如圖6所示。

從圖6可以看出，所有試件在每一級循環加載后，都有較大剛度退化。在每一級3次循環加載中試件剛度也發生了退化，退化速度趨于均勻平緩。通過分析可知，當螺栓無滑移時，節點的剛度主要由墊板厚度和螺栓間距來決定。墊板厚度越大，剛度退化的幅度越均勻；當螺栓產生滑移時，會導致節點板剛度退化明顯。

圖6 各試件節點剛度退化圖

3.4 耗能情況

依據文獻 ［3］，筆者采用等效粘滯阻尼系數he和能量耗散系數E來衡量節點的能量耗散能力。耗能性能示意圖如圖7所示。等效粘滯阻尼系數he和能量耗散系數E的公式如下：

4個試件等效粘滯阻尼系數he和能量耗散系數E（這里只列出代表性數據）如表4所示。

圖7 能量耗散示意圖

表4 等效粘滯阻尼系數he和能量耗散系數E表

從表4可知，隨著加載等級的提高，試件的能量耗散系數和等效粘滯阻尼系數隨之降低。試件的等效粘滯阻尼系數均在0.35～0.5之間，同其他輕型鋼結構相比，耗能性能基本相當。

4 結 論

（1）高強螺栓連接的墊板式C型鋼節點平面內有3種破壞形式：節點板抗彎承載力破壞、孔壁擠壓破壞、C型鋼抗彎承載力破壞。

（2）通過延性系數比較可知，C型鋼斜節點框架結構延性高于一般混凝土結構，延性同其他輕鋼結構比較基本持平。

（3）C型鋼斜節點承載力退化穩定，循環加載次數對試件承載力影響?。还濣c初始幾何缺陷對試件無影響。6組試件推力加載中的承載能力比拉力過程中的低。

（4）6組試件初始剛度退化都比較明顯，薄墊板試件剛度退化不明顯。6組試件在位移控制階段中，剛度退化均勻平緩。

（5）C型鋼斜節點等效粘滯阻尼系數he與能耗優于其他輕鋼節點。

［1］陳紹蕃，顧強 .鋼結構 ［M］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［2］彭曉彤，林晨，滿杰 .輕鋼結構住宅體系發展現狀 ［J］.四川建筑科學研究，2005（6）：18－21.

［3］JBJ101－96，建筑抗震試驗方法規程 ［S］.

［4］沈祖炎，李元齊 .高強冷彎薄壁型鋼住宅結構抗震性能研究報告 ［D］.上海：同濟大學建筑工程系，2007.

［5］王軍 .冷彎薄壁型鋼框架半剛性節點動力性能試驗研究及有限元分析 ［D］.重慶：重慶大學，2005.

［6］高春彥 .矩形鋼管混凝土梁柱節點抗震性能的試驗研究 ［D］.包頭：內蒙古科技大學，2007.