箱型柱-H型钢梁新型节点低周循环加载试验研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇箱型柱-H型钢梁新型节点低周循环加载试验研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：为研究梁翼缘开长槽孔及对接焊缝扩大头构造对箱型柱-H型钢梁节点破坏模式的影响，对6个箱型柱-H型钢梁节点（1个常规节点和5个新型节点）进行了低周往复循环荷载试验。试验结果表明：按现行规范设计的箱型柱-H型钢梁常规节点在梁翼缘对接焊缝处脆断，常规节点的塑性转角不能满足FEMA临时指南的要求。梁翼缘开长槽孔及对接焊缝扩大头构造，显著减缓了箱型柱-H型钢梁节点梁翼缘对接焊缝的应力集中程度。新型节点在梁长槽孔截面形成塑性铰，塑性转角可达0.03rad，承载力较常规节点下降15%以内。新型节点破坏时，梁翼缘对接焊缝保持完好。最后给出了梁翼缘长槽孔及对接焊缝扩大头型箱型柱-H型钢梁节点构造设计建议。

关键词：箱型柱-H型钢梁节点；低周循环加载试验；长槽孔；对接焊缝扩大头；塑性转角；承载力

Abstract: In order to study the effect of slot holes and horizontal haunch at beam flanges on failure mode of joints of H-style steel beam-square steel tubular column, low-cycle reversed loading tests were performed on six joints including one conventional joint and five new style joints. The experimental results indicate that the conventional joint of H-style steel beam-square steel tubular column brittle fractures at beam flanges butt weld and the plastic rotation does not meet with the requirement of the FEMA interim guidelines. The stress concentration at beam flange butt weld of the joints of H-style steel beam-square steel tubular column is markedly mitigated by means of slot holes and horizontal haunch at beam flanges. For the new style joints of H-style steel beam-square steel tubular column with proper slot holes and horizontal haunch at beam flanges, a plastic hinge formed at the reduced beam section, the plastic rotation reaches 0.03rad and meet with the requirement of the FEMA interim guidelines, and the loading capacity decrease within 15% compared with that of the conventional joint. At last, design suggestions are given for the new style joints of H-style steel beam-square steel tubular column with proper slot holes and horizontal haunch at beam flanges.

Key words: joints of H-style steel beam-square steel tubular column, low-cycle reversed loading tests, slot hole, beam-end horizontal haunch, plastic rotation, loading capacity

中图分类号： U445.47+2文献标识码：A 文章编号：

0前 言

在美国Northridge地震、日本Kobe地震和中国台湾921大地震中，按规范设计的钢框架梁柱刚性连

接发生了大量脆断[1~2]，工程界对钢框架H型钢柱-H型钢梁节点进行了大量的试验和理论研究[3~6]，但对箱型柱-H型钢梁节点研究较少。

众所周知，梁翼缘对接焊缝处几何突变导致的应力集中是诱发节点对接焊缝脆断的主因。为减缓对接焊缝沿梁翼缘宽度方向的几何突变，遵循“强柱弱梁、强节点弱杆件”的原则，本文设计了梁翼缘开长槽孔和对接焊缝扩大型箱型柱-H型钢梁节点，进行了低周循环加载试验，研究了梁翼缘长槽孔和对接焊缝扩大头构造对箱型柱-H型钢梁节点破坏模式的影响。

1 试验概况

1.1 新型节点设计

以某高层钢框架边柱节点为原型，按1/2缩尺比例，并调整各板件尺寸以满足现行规范的要求，设计了箱型柱-H型钢梁常规节点BASE，见图1。

(a) 整体尺寸

(b) 梁上翼缘细部构造

(c) 梁下翼缘细部构造

图1BASE试件几何尺寸

新型节点在梁翼缘对接焊缝区采用了圆弧型扩大头构造，以使对接焊缝沿梁翼缘宽度方向光滑过渡，避免常规节点对接焊缝沿梁翼缘宽度方向的几何突变和应力集中。为避免梁翼缘对接焊缝和柱壁间竖向焊缝立体交叉，扩大头选用半径为40mm圆弧构造。

为使塑性铰在梁某长度段内而非在梁某一截面处形成，以增加塑性铰转动能力和节点塑性转角，在新型节点梁翼缘上设计了长槽孔构造。为便于实际工程中电网管线穿越，新型节点梁腹板上设置了直径为50mm的圆孔。梁翼缘开长槽孔和对接焊缝扩大型箱型柱-H型钢梁新型节点构造见图2，为便于和常规节点对比，新型节点的其它参数和BASE试件相同。

新型节点中，FHS系列试件和FHD系列试件（表1），分别用于研究梁翼缘长槽孔直径和长槽孔到柱面距离a对箱型柱-H型钢梁节点性能的影响。

6个试件均采用Q235钢材、E43型焊条，手工焊接。

图2 梁翼缘长槽孔和对接焊缝扩大头构造

表1 新型节点细部尺寸（单位：mm）

1.2 试验装置及加载制度

试验装置见图3，柱底采用4根螺杆与基座固定，基座通过压梁和地脚螺栓固定在刚性地面上。采用油压千斤顶在铰接柱顶施加相当于柱全截面屈服压力30%的轴向力。在梁加载端设置侧向支撑（滑道）以防止梁加载端过早发生侧向失稳。通过电液伺服程控试验系统对梁悬臂端施加往复循环荷载，采用、、、…位移控制加载，每级位移循环3周，直至节点破坏。

图3 试验装置

1.3 试验破坏情况

BASE试件因无法继续承载而破坏，其承载力达到0.97Pp（Pp为梁全截面塑性荷载），粱端最大竖向位移为40mm，对应的节点塑性转角p为0.014rad，未达到FEMA[7~8]要求的0.03rad。

FHD1试件加载至梁下翼缘长槽孔侧边钢板被拉断，其承载力达到0.83 Pp，粱端最大竖向位移为60mm，对应的节点塑性转角p为0.032rad。

FHD2（FHS2）试件加载至梁端侧扭失稳，其承载力达到0.86 Pp，粱端最大竖向位移为50mm，对应的节点塑性转角p为0.025rad。

FHD3试件加载至梁上翼缘长槽孔侧边钢板被拉断，其承载力达到0.95 Pp，粱端最大竖向位移为60mm，对应的节点塑性转角p约为0.03rad。

FHS1试件因节点承载力下降过多而停止加载，其承载力达到0.84Pp，粱端最大竖向位移为60mm，对应的节点塑性转角p为0.03rad。

FHS3试件加载至梁发生侧扭失稳，其承载力达到0.82Pp，粱端最大竖向位移为60mm，对应的节点塑性转角p约为0.03rad。各试件滞回曲线见图4。

(a) BASE试件

(b) FHD1试件

(c) FHD2（FHS2）试件

(d) FHD3试件

(e) FHS1试件

(f) FHS3试件

图4 各试件滞回曲线

2 试验结果分析

2.1 节点滞回性能

滞回曲线是节点抗震性能的综合体现，滞回曲线的饱满程度与节点的耗能性能密切相关。

BASE试件的滞回曲线呈扁长形，滞回曲线包络面积较小，耗能能力较差。试件FHD1、FHD2(FHS2)、FHD3、FHS1和FHS3的滞回曲线呈饱满纺锤形，包络面积远大于BASE试件。随着加载位移增加，新型节点的滞回曲线没有明显的捏缩现象。表明梁翼缘开长槽孔和对接焊缝扩大头构造能显著提高箱型柱-H型钢梁节点的耗能性能。

新型节点均在梁长槽孔截面形成塑性铰，大大提高了节点的塑性转角。节点破坏时，梁翼缘对接焊缝均未开裂。可见，梁翼缘对接焊缝处采用圆弧光滑过度构造，避免了常规节点中对接焊缝沿梁翼缘宽度方向的几何突变，减缓了对接焊缝的应力集中和脆断。试件FHD1、FHD2(FHS2)、FHD3、FHS1和FHS3的塑性转角较BASE试件分别提高128.6%、78.6%、92.9%、114.3%和110.7%。

2.2 骨架曲线

骨架曲线反映了节点屈服、开裂、极限荷载及延性等主要特征，是节点抗震性能的综合体现。

图5所示的节点骨架曲线显示， BASE试件承载力达到峰值后没有下降段，塑性变形能力较差，原因在于梁翼缘对接焊缝发生了脆断。

试件FHD1、FHD2(FHS2)、FHD3、FHS1和FHS3都表现出了良好的塑性变形能力，其承载力较BASE试件分别下降14.4%、11.3%、2.1%、13.4%和15.5%。可见，当梁长槽孔直径和梁长槽孔距离a取值合理时，新型节点的承载力较常规节点下降不多。随着长槽孔直径增加和长槽孔距离a减少，新型节点的承载力呈降低趋势。

(a) FHD系列试件和BASE试件

(b) FHS系列试件和BASE试件

图5 节点骨架曲线

若以新型节点承载力较常规节点下降15%为限，建议长槽孔参数取值为：，。

2.3 耗能能力和延性性能

等效粘滞阻尼系数越大，节点的耗能能力越强；延性系数越大，节点的延性性能越好。

图6和表2显示，梁翼缘长槽孔和对接焊缝扩大头构造，能明显提高箱型柱-H型钢梁节点的等效粘滞阻尼系数（耗能性能）和延性系数（延性性能）。

图6节点的曲线

表2 节点延性系数

考虑到试件FHD3和FHS3的耗能能力与延性性能均较低，建议长槽孔参数取值为：，。

3 结论

通过对6个箱型柱-H型钢梁节点的低周往复循环加载试验，研究了梁翼缘长槽孔和对接焊缝扩大头构造对箱型柱-H型钢梁节点破坏模式的影响，在本次试验参数范围内，得到如下结论：

（1）箱型柱-H型钢梁常规节点的塑性转角未达到0.03rad，梁翼缘对接焊缝脆断是常规节点的主要破坏特征。

（2）梁翼缘对接焊缝区采用圆弧过渡构造，避免了常规节点中对接焊缝梁翼缘宽度方向的几何突变，降低了梁翼缘对接焊缝的应力集中和脆断风险。

（3）梁翼缘的长槽孔构造，显著提高了箱型柱-H型钢梁节点的塑性转角和耗能性能，新型节点在梁长槽孔截面形成塑性铰。

（4）以新型节点的塑性转角0.03rad和承载力较常规节点下降15%为限，建议长槽孔参数取值为：，。

参考文献

[1] 李国强，孙飞飞，沈祖炎. 强震下钢框架梁柱焊接连接的断裂行为[J]. 建筑结构学报，1998，19（4）：19-28.

[2] 崔鸿超. 日本兵库县南部地区地震震害综述[J]. 建筑结构学报，1996，17（1）：2-13.

[3]Cheol-Ho Lee, Jae-Hoon Kim. Seismic design of reduced beam section steel moment connections with bolted web attachment [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2007, 63(4): 522-531.

[4] Quanwang Li, Bruce R. Ellingwood. Damage inspection and vulnerability analysis of existing buildings with steel moment-resisting frames [J]. Engineering Structures, 2008, 30(2): 338-351.

[5] Sang Whan Han, Gun Up Kwon, Ki Hoon Moon. Cyclic behavior of post-Northridge WUF-B connections [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2007, 63(3): 365-374.

[6] 杨庆山，李 波，杨娜. 梁腹板开圆孔钢框架梁柱节点的性能研究[J]. 工程力学，2007，24(9)：111-139. [7]FEMA, Interim Guidelines: Evaluation, Repair, Modification and Design of Steel Moment Frames, FEMA-267, Rep.No.SAC-95-02, SAC Joint Venture, Calif, 1995.

[8]FEMA, Interim Guidelines Advisory No.2. Supplement to FEMA-267, Repotr No. SAC-990-1, SAC-Joint Venture, Calif, 1999.