高强度钢材钢框架梁柱节点抗震性能试验研究

【摘要】：与普通强度钢材钢结构相比,高强度钢材钢结构同样具有材质均匀、刚度大、塑性和韧性好、易于连接等优点。钢结构中采用高强度钢材能够减小构件的截面尺寸,从而减轻结构自重,降低地震作用,相应焊缝尺寸的减小也能改善钢结构的疲劳性能,因此世界各国的建筑结构和桥梁结构中也逐渐开始采用高强度钢材。由于高强度钢材的屈强比变大、延性降低,结构的抗震性能必然呈现新的特征。本文即从高强钢材料、焊接接头及梁柱节点这三方面进行抗震性能研究,以期为抗震设防区高强度钢材钢结构的工程设计提供依据。在理论分析方面,深入理解了各国规范有关节点域抗剪承载力验算以及节点域宽厚比限值的规定,基于四角弹簧计算模型对美国规范关于节点域极限剪切承载力的计算公式作了具体推导,以便后续节点试验研究对其进行具体验证。在材料性能方面,首先对国产高强度钢材Q690GJ及其焊缝接头在单调加载下的力学性能进行试验研究,结果表明母材及焊缝连接在单调加载下的应力-应变曲线均没有明显的屈服平台,单调压缩时的强度大于单调拉伸；焊缝连接的拉压名义屈服强度远低于母材,但抗拉强度仅略低于母材,且焊缝连接的极限拉应变较母材大得多,从材料层面可以表征焊缝接头的延性较为良好。其次,对Q690GJ及焊缝连接在循环荷载下的力学性能进行试验研究,结果表明两者均发生了包辛格效应,在各种循环加载制度下的滞回性能良好,但与单调加载相比延性变差；母材由于循环硬化作用钢材强度提高不明显,应变幅增加至1.75%后,骨架曲线应力即发生明显下降,而焊缝连接的应力值由于硬化作用有较大提高,较高应变幅下才出现循环软化。在构件层面,本文设计了两组高强度钢材梁柱节点,对其进行低周反复荷载下的试验研究以揭示不同节点的屈服机制及破坏模式,对边节点试件主要探讨了钢材强度及翼缘加强板对其抗震性能的影响,对中节点试件则着重分析了节点域贴焊补强板及斜向加劲肋对其抗震性能的影响。从试验结果可知：由于焊缝的力学性能与母材不匹配,边节点普通栓焊试件下翼缘焊缝断裂较早,试验所得滞回曲线不够饱满,而翼缘板加强型节点塑性铰转移至加强板末端,避免了梁端焊缝的脆性断裂,屈服荷载、极限荷载有较大提高,滞回性能相对良好；中节点梁端加厚-翼缘削弱试件的滞回曲线均呈饱满的梭形,普通试件的破坏形式为节点域出现剪切塑性铰,节点域加强试件则为梁截面削弱最深处出现弯曲塑性铰,且从节点承载力来看,贴焊补强板和斜加劲肋进行加强的效果相当。在试验研究的基础上,本文采用ANSYS软件对所有节点试件进行了低周反复荷载下的有限元分析。根据有限元所得von Mises应力云图能够较好地跟踪梁柱节点在不同破坏模式下塑性铰的形成全过程,所得梁端荷载-位移滞回曲线、骨架曲线也与试验结果吻合良好。边节点的有限元滞回曲线表明,随着位移幅值的增加,试件钢材强度越高越早出现刚度软化；中节点的弯矩-转角有限元滞回曲线表明,节点域经加强后极限转角值仅为0.01～0.015rad,极限转动能力下降较多。从节点的抗震性能看,节点的刚度退化基本与钢材强度无关,且对比中节点试件节点域弹性刚度的理论值与有限元分析值,并推算节点域的等效厚度可得节点域贴焊的补强板参与工作的程度为54%,而斜向加劲肋参与工作的程度为38%：所有节点试件根据试验研究与有限元分析所得位移延性系数均小于3,等效粘滞阻尼系数均小于0.4,与普通钢节点相比,高强钢节点的极限变形能力及耗能能力明显下降；进一步对比有限元所得各节点的耗能指标可知,钢材强度对节点的耗能能力影响较小,中节点试件节点域经加强后耗能能力急剧降低,主要耗能位置发生转移。经理论计算与试验结果对比分析,我国《建筑抗震设计规范》有关梁柱刚性连接极限承载力的规定对高强度钢材普通栓焊节点而言并不适用,而美国抗震设计规范AISC有关节点域抗剪承载力的计算规定对高强度钢材则偏于保守。