第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究钢框架梁端翼缘扩大型节点是基于节点塑性铰外移机制的一种新型延性节点其工作原理是通过加大梁端翼缘截面增加梁柱连接处的抗弯能力使梁端焊缝和焊缝区域应力小于非焊接区促使塑性铰的位置移出梁端一定距离达到塑性铰外移的设计目的目前国内外学者针对新型延

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翕柳彬阮
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1 第卷第期年月建筑钢结构进展! " #$%$ & '$ 扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究王燕王玉田郁有升青岛理工大学土木工程学院山东青岛摘要为了深入研究扩翼式连接钢框架的抗震性能缩尺比例的两层扩翼式连接钢框架采用试验和有限元分析方法研究了扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下的荷载位移滞回性能刚度及强度退化塑性铰变形能力耗能以及破坏模式等抗震性能研究结果表明扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下塑性铰自梁柱连接焊缝位置移出塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成达到保护梁端连接焊缝防止发生脆性断裂的延性设计目标扩翼式连接钢框架的荷载位移滞回曲线表现出较好的塑性变形和耗能能力进入屈服后随荷载增加受二阶效应影响结构的强度退化呈加快趋势梁端翼缘截面扩大后梁端承载力相应提高但节点域刚度有所降低设计中应采取构造措施对节点域进行补强避免出现强梁弱柱现象关键词钢框架扩翼式连接试验研究滞回性能抗震性能中图分类号 +, +,$ 文献标识码 - 文章编号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收稿日期收到修改稿日期基金项目国家自然科学基金 * : * 教育部高等学校博士学科点专项基金作者简介王燕女博士教授主要从事钢结构设计理论及其工程应用研究 () ) 3) * $"( 王玉田男博士主要从事钢结构设计与试验检测研究

第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究钢框架梁端翼缘扩大型节点是基于节点塑性铰外移机制的一种新型延性节点其工作原理是通过加大梁端翼缘截面增加梁柱连接处的抗弯能力使梁端焊缝和焊缝区域应力小于非焊接区促使塑性铰的位置移出梁端一定距离达到塑性铰外移的设计目的目前国内外学者针对新型延性节点的抗震机理和荷载位移滞回性能开展了大量的研究工作但针对新型延性节点钢框架

2 第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究钢框架梁端翼缘扩大型节点是基于节点塑性铰外移机制的一种新型延性节点其工作原理是通过加大梁端翼缘截面增加梁柱连接处的抗弯能力使梁端焊缝和焊缝区域应力小于非焊接区促使塑性铰的位置移出梁端一定距离达到塑性铰外移的设计目的目前国内外学者针对新型延性节点的抗震机理和荷载位移滞回性能开展了大量的研究工作但针对新型延性节点钢框架的抗震性能所开展的研究工作较少与传统节点相比采用加强型延性节点钢框架的荷载位移滞回性能以及动力特性会有所改变为深入研究新型延性节点钢框架的抗震性能本文采用试验和有限元分析方法研究了梁翼缘采用扩翼式连接的钢框架在低周往复水平荷载作用下的荷载位移滞回性能塑性铰形成机理刚度及强度退化耗能以及破坏模式等性能研究内容可为工程应用提供参考 ' 循环加载试验 ' ' 试件设计根据常见钢框架的层高和跨度考虑 * 度抗震设防缩尺比例的双层扩翼式节点钢框架试验模型钢框架模型试件的梁柱连接节点钢框架几何尺寸以及梁柱截面尺寸如图所示图扩翼式节点钢框架试验模型图!#'%% # & %'#& && & ' 材性试验钢框架试件的梁柱材料为钢梁截面为 %: : 柱截面为 A 根据国家标准钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备 + * 分别从钢框架梁柱的翼缘腹板上切取矩形横截面比例试样每种板厚制作一组试样每组件标准试样的材性试验结果平均值如表所示表标准试样材性试验结果平均值 0 #$# '& "%& #$ 试件编号厚度 %(( 试样个数弹性极限 + 屈服强度抗拉强度 % (( % (( % (( 伸长率弹性模量 - % (( 泊松比 $: *$ :$: $* $ : : $* : $* $ $ $ 0 : $* :: $ $ $ $ 0 $ : $ $* $ $ ' 加载装置及加载制度试验采用两个液压伺服加载作动器分别对层层框架柱施加低周循环水平荷载通过两台液压千斤顶分别对两个框架柱施加轴向压力轴压比恒定为 $: 通过固定在反力架上的横向反力梁对千斤顶提供约束反力框架柱脚由固定地面的刚性反力梁约束柱脚的转动和水平位移为防止柱底板的翘曲和柱脚移动采用 * 根直径为 : (( 的地脚锚栓与地面槽道进行固定为限制框架梁在试验中提前发生出平面外位移在加载端设置侧向支撑系统限制框架梁的侧向失稳侧向支撑由梁端的两道竖向槽钢通过连接件固定在反力架上限制梁的平面外失稳加载过程中竖向槽钢与梁翼缘之间预留 (( 缝隙并在槽钢翼缘表面涂抹润滑油以减少摩擦试验现场如图所示图试验现场 0 图所示为试验装置代表传感器用于量测梁翼缘腹板以及柱腹板节点域等关键部位的应力变化代表电子位移计用于量测梁端位移为防止电子位移计在往复水平荷载作用下发生弯曲变形将位移计

建筑钢结构进展第卷固定在条形刚性水平滑动支架内可以实现自动微调并始终保持水平状态以满足试验测试数据的精度要求全部试验在青岛理工大学结构工程实验室完成图 ( 作动器水平荷载 ( &## ' $ 图试验装置 0 $"%& 作动器水平荷载及加载制度分别如图 : 图所示由于多质点体系各加载作动器的作用力是互相耦联的一个作

& % ' 试验过程及破坏现象试验加载前级循环中荷载位移曲线保持直线形状钢框架处于弹性工作阶段底层框架和层框架的梁翼缘根部焊缝及柱节点域均无明显变化第 : 级荷载钢框架层柱顶作动器加载第次达到正向最大位移 (( 时根据作动器实时滞回曲线显示钢梁开始进入屈服阶段框架柱脚处开始出现少量的侧移第级荷载作用下当第

底层钢梁下翼缘出现明显的局部翘曲试件柱脚约束端出现松动现象导致试件侧移增大在第循环加载过程中底层梁的下翼缘局部屈曲现象更加明显屈曲部位距梁端约为 :"( 同时伴随着上下翼缘处的涂料纷纷出现脱落塑性铰开始形成如图所示随着作动器反复推拉翼缘塑性变形持续发展塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成试验达到了预期设计的塑性铰外移目的图

3 建筑钢结构进展第卷固定在条形刚性水平滑动支架内可以实现自动微调并始终保持水平状态以满足试验测试数据的精度要求全部试验在青岛理工大学结构工程实验室完成图 ( 作动器水平荷载 ( &## ' $ 图试验装置 0 $"%& 作动器水平荷载及加载制度分别如图 : 图所示由于多质点体系各加载作动器的作用力是互相耦联的一个作动器荷载的改变将影响到其它作动器作用力的变化试验采用模控方法即将 7+ 作动器反馈的力信号乘以比例系数 $ 作为 7+ 作动器的力控制命令信号图 * 加载制度 *. & % ' 试验过程及破坏现象试验加载前级循环中荷载位移曲线保持直线形状钢框架处于弹性工作阶段底层框架和层框架的梁翼缘根部焊缝及柱节点域均无明显变化第 : 级荷载钢框架层柱顶作动器加载第次达到正向最大位移 (( 时根据作动器实时滞回曲线显示钢梁开始进入屈服阶段框架柱脚处开始出现少量的侧移第级荷载作用下当第层作动器施加荷载达到 4% 位移达到 :(( 时底层框架梁的下翼缘在扩翼段变截面位置出现塑性变形滞回曲线显示荷载位移曲线开始出现弯折表明底层钢梁已经进入塑性变形阶段此时在距离柱翼缘 (( 处底层钢梁的下翼缘扩翼段变截面处开始出现塑性变形在第 * 级荷载第循环加载过程中第层作动器加载至正向位移 (( 时底层钢梁下翼缘出现明显的局部翘曲试件柱脚约束端出现松动现象导致试件侧移增大在第循环加载过程中底层梁的下翼缘局部屈曲现象更加明显屈曲部位距梁端约为 :"( 同时伴随着上下翼缘处的涂料纷纷出现脱落塑性铰开始形成如图所示随着作动器反复推拉翼缘塑性变形持续发展塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成试验达到了预期设计的塑性铰外移目的图 + 底层下翼缘出现翘曲 +!&'& " ' # '#& 当加载至第级荷载试件第层梁端的最大位移达到 C * (( 时试件底层梁的下翼缘焊缝通过孔附近的腹板与翼缘之间的水平焊缝出现开裂现象并迅速扩展形成一条 "( 左右的裂缝如图所示伴随焊缝开裂并发出清脆的响声此时试件无法继续承载试验终止经仔细观察发现试件在塑性铰形成之后出现的焊缝开裂主要是由于腹板与翼缘之间的焊缝没有熔透焊缝强度没有达到设计要求导致焊缝发生的脆性开裂第层钢框架没有出现明显的塑性变形当加载至第级荷载层作动器位移达到 * (( 时作动器达到最大出力无法继续增加荷载试验终止

4 第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究图, 底层翼缘连接焊缝开裂,2 & & # & % & '#& ' 滞回性能荷载位移 '! 滞回曲线可以反映在低周反复循环荷载作用下结构或节点受力性能的变化规律能够综合反映试件的相对滑移钢材局部屈曲以及破坏状态等特性它概括了承载能力刚度和延性等力学性能是结构或节点抗震性能的集中体现从试验记录得到的的滞回曲线图 * 图可以看出底层框架结构的荷载位移滞回曲线较为稳定形状比较饱满循环加载中的最大反力荷载已经出现峰值并开始下降层框架结构的荷载位移滞回曲线比较纤瘦不够饱满捏缩现象比较明显反映出一定的滑移影响循环加载中最大反力荷载的峰值不明显整体框架塑性变形耗能能力主要由底层结构体现试验钢框架荷载位移滞回曲线饱满稳定反映出试验框架的耗能情况较好虽然试验最终破坏是由梁柱翼缘焊接断裂造成的但底层结构塑性发展的比较充分层结构也已经开始进入塑性耗能阶段图所示为试验过程中实测作动器的荷载历程可见钢框架底层和层结构恢复力的最大值并不是同时出现层作动器荷载相对于底层作动器有滞后现象二者之间存在时间延迟且滞后时间呈逐级变化图层结构试验滞回曲线 0 $ ' $$ & 图底层层作动器荷载历程 0 # " ' $ % & & '. 骨架曲线滞回曲线每次循环加载峰值点的连线称作骨架曲线图图所示为钢框架底层结构和层结构的骨架曲线可以看出底层结构的恢复力在循环荷载作用下经历了弹性阶段屈服阶段和强化阶段进入下降阶段结构塑性变形已经得到充分发展负向承载力稍大于正向承载力层结构的恢复力尚未达到屈服荷载仍在弹性范围图 / 底层结构试验滞回曲线 /0 $ ' $$ % 图底层结构试验骨架曲线 0 # &$ ' $$ %

5 建筑钢结构进展第卷 ' / 刚度及强度退化特性刚度退化是评价结构抗震性能的重要指标是结构屈服屈曲发生和发展的充分体现同时刚度退化对于结构弹塑性分析影响较大将滞回曲线中坐标原点与循环曲线的峰值点相连连线的斜率即为等效刚度刚度退化可采用等效刚度退化系数表示将模型的等效刚度除以最大刚度所得的比值即为等效刚度退化系数由表所示的钢框架等效刚度退化系数以及图所示的钢框架刚度退化曲线可见随着荷载增加钢框架图层结构试验骨架曲线 0 # &$ ' $$ & 底层刚度退化较快层刚度退化比较稳定说明底层结构的塑性发展和屈曲变形比层充分这与试验现象是一致的钢框架层等效刚度退化系数变化较小也反映了层结构尚未完全进入屈服阶段的事实表钢框架等效刚度退化系数 0 3 $ #&'& & '& ' #'% 位移 (( * : : :* * : * ** 底层层正向 $ $ * $* $ $ $: $: $:: $: $ $ 负向 $ : $ $* $ * $ $ $: $: $ $ $ 正向 $ $ $ $* $* $ $ $ $ * $ $ 负向 $ * $ $ $* $* $ : $ $ * $ $ * $ 将钢框架第次循环的荷载峰值与第次循环的荷载峰值相比可得钢框架在每级循环荷载作用下的强度退化系数表所示为钢框架底层结构的强度退化系数图 : 所示为底层钢框架结构随位移增加的强度退化曲线可见钢框架底层结构在进入屈服后强度开始出现下降正负向强度退化趋势比较接近随变形增加钢图刚度退化曲线 0 $ ' '& & 框架强度退化有逐渐加快的趋势说明钢框架受二阶效应影响其变形有增大趋势表框架底层强度退化系数 0!& & '& ' #'% % 位移 (( * : : :* * : * 正向 $ $ $ $ $ $ $ $ : $ 负向 $ $ $ $ * $ * $ $ $ $ $ 图 ( 底层强度退化曲线 (0 & & '&$ ' % 有限元分析 ' 有限元建模采用有限元分析软件 -% 建模对试验结果进行验证有限元模型尺寸以及边界条件与试验试件相同图采用实体单元! 进行网格划分和计算在梁端扩翼处对有限元网格进行了细化处理有限元分析中为避免采用力控制加载出现不收敛现象采用位移控制加载对模型的两个柱脚施加个方向的固定约束并对加载面及柱顶施加方向的约束以防止模型平面外失稳对柱顶施加竖向轴力轴压比控制在 (:

第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究图 * 有限元计算模型 *0 '&#%&% # ' $$ 有限元计算结果有限元模型的应力状态可以通过 # 7 应力云图进行分析由图所示最后一个加载步的 # 7 应力云图可以看出底层框架最大应力出现在梁下翼缘扩翼段末端有明显的塑性变形和翘曲表现出典型的塑性铰外移现象与试验结果取得了较好的一致性有限元分析模型具有一定的可靠性

二者吻合较好分析结果进一步证明钢框架采用扩翼式节点的构造措施可以达到使钢框架梁端塑性铰外移避免梁柱连接焊缝发生脆性破坏的延性设计目的图, 底层框架节点破坏对比,0 '#$% & ' % &'&#%&&# & 回环在达到极限承载力以后滞回曲线出现了下降段其中底层结构的滞回曲线比层更加饱满说明底层结构耗能更大由图 *' 可以看出底层结构塑性变形发展得更为充分滞回曲线更加饱满

说明框架底层结构受到的水平剪力较大结构塑性发展较为充分耗能更强与试验结果相比有限元模型的等效粘滞阻尼系数提高较大这主要是由于试验中柱脚位置的滑移抵消了相当一部分作动器施加的能量导致试验试件的粘滞阻尼系数有所降低图 + 有限元及试验破坏形式对比 +0 '#$% & & '&#%&&# & 滞回性能由图 * 所示有限元计算得到的滞回曲线可以看出底层和

6 第期扩翼式连接钢框架抗震性能试验研究图 * 有限元计算模型 *0 '&#%&% # ' $$ 有限元计算结果有限元模型的应力状态可以通过 # 7 应力云图进行分析由图所示最后一个加载步的 # 7 应力云图可以看出底层框架最大应力出现在梁下翼缘扩翼段末端有明显的塑性变形和翘曲表现出典型的塑性铰外移现象与试验结果取得了较好的一致性有限元分析模型具有一定的可靠性层框架梁的下翼缘没有出现明显的塑性变形底层框架节点达到极限承载力后层和底层框架的柱腹板节点域均出现屈服应力说明对梁端翼缘截面扩翼后梁的承载力虽然有所提高但柱腹板节点域刚度则相对降低应采取对柱腹板节点域进行补强的构造措施提高节点承载能力避免出现强梁弱柱现象由图图试验与有限元计算结果对比可以看出底层框架梁端翼缘均出现明显的局部屈服现象塑性铰均自梁端扩翼段移出二者吻合较好分析结果进一步证明钢框架采用扩翼式节点的构造措施可以达到使钢框架梁端塑性铰外移避免梁柱连接焊缝发生脆性破坏的延性设计目的图, 底层框架节点破坏对比,0 '#$% & ' % &'&#%&&# & 回环在达到极限承载力以后滞回曲线出现了下降段其中底层结构的滞回曲线比层更加饱满说明底层结构耗能更大由图 *' 可以看出底层结构塑性变形发展得更为充分滞回曲线更加饱满说明底层结构的耗能能力更强图所示为试验与有限元分析模型得到的骨架曲线与试验结果相比有限元分析中框架柱的柱脚始终处于固接柱脚没有产生滑移这是有限元与试验骨架曲线存在一定差别的主要原因图所示为有限元等效粘滞阻尼系数与荷载历程关系曲线可以看出底层和层结构均表现出了良好的耗能能力其中层结构的最大等效粘滞阻尼系数为 $ 底层结构的最大等效粘滞阻尼系数为 $ 说明框架底层结构受到的水平剪力较大结构塑性发展较为充分耗能更强与试验结果相比有限元模型的等效粘滞阻尼系数提高较大这主要是由于试验中柱脚位置的滑移抵消了相当一部分作动器施加的能量导致试验试件的粘滞阻尼系数有所降低图 + 有限元及试验破坏形式对比 +0 '#$% & & '&#%&&# & 滞回性能由图 * 所示有限元计算得到的滞回曲线可以看出底层和层结构的滞回曲线均非常饱满且无捏缩现象滞回曲线有明显的下降段及刚度退化现象在加载初期弹性阶段呈现直线状态进入弹塑性阶段开始出现滞结论本文通过对扩翼式连接钢框架循坏加载试验和有限元分析可以得出以下结论扩翼式连接钢框架在低周往复水平荷载作用下塑性铰自梁柱连接焊缝位置移出塑性铰中心在扩翼段变截面以外位置形成达到保护梁端连接焊缝防止发生脆性断裂的设计目标扩翼式连接钢框架表现出较好的耗能能力钢框架底层结构粘滞阻尼系数为 $ 层结构粘滞阻尼系数为 $ 与层结构相比底层结构的塑性变形和耗能能力较强扩翼式连接钢框架结构进入屈服后随荷载增加受二阶效应影响结构的强度退化呈加快趋势 : 扩翼型连接钢框架梁端翼缘截面扩大后梁承载力虽然有所提高但柱腹板节点域刚度则相对降低设计中应满足节点域抗震设计要求并对节点域采取补强等构

" ( (( /)( $ ) / 0 " ) 6 )". * * 0. 7.. < )$?2 ( )! (( ) /)( " " 3. 3!! /) 2) $ )/! " * 0. 刘占科苏明周申林等 $ 钢结构梁端翼缘腋形扩大式刚性梁柱连接实验研究 $ 建筑结构学报 ** : < D.

7 ( 建筑钢结构进展第卷造措施避免出现强梁弱柱现象扩翼型节点钢框架的动力特性和抗震性能的试验需要进一步深入研究图 / 有限元计算得到的底层和层滞回曲线 /0 $ ' %& & '&#%&&# 图底层和层骨架曲线对比 0 & ' # &$ & % & & 陈杰苏明周申林等 $ 钢结构焊接翼缘板加强式梁柱刚性连接滞回性能试验研究 $ 建筑结构学报 * 图等效粘滞阻尼系数与荷载历程关系曲线 0 '&#%&$ ' $ #& $ %"& '&& # " 参考文献 < 0.. ) < $ " (( " "! " ( (( /)( $ ) / 0 " ) 6 )". * * < )$?2 ( )! (( ) /)( " " 3. 3!! /) 2) $ )/! " * 0. 刘占科苏明周申林等 $ 钢结构梁端翼缘腋形扩大式刚性梁柱连接实验研究 $ 建筑结构学报 ** : < D.) < )$?2 ( )! (( ) /)( " " 3. )! ' )( /) 3!! " ( $ ) /! " ** : 0. : 陈诚直李智民 $ 钢构造梁扩翼接头之耐震行为 $ 建筑钢结构进展 : < D. ( $+. ( "'.)1 /3!! ' )(/) " " / " " $! " : 0. 下转第 +( 页

.7 建筑钢结构进展要有削弱型和加强型两种类型削弱型是以降低梁的承第 " 卷载力和刚度为代价达到塑性铰外移的设计目的"工程应点钢框架 ( A 1 RA3.B ' 1 A 8 1 " 以下简称空间有限元

.7 建筑钢结构进展要有削弱型和加强型两种类型削弱型是以降低梁的承第卷载力和刚度为代价达到塑性铰外移的设计目的工程应点钢框架 ( A 1 RA3.B ' 1 A 8 1 以下简称空间有限元第卷第期年月建筑钢结构进展 " ' 腋板加强型节点空间钢框架在低周反复荷载作用下的抗震性能研究董立婷王燕青岛理工大学土木工程学院山东青岛摘要为对比分析普通节点和腋板加强型节点钢框架的抗震性能采用? 有限元分析软件对两种不同节点形式的钢框架建立三维空间计算模型进行了低周反复荷载作用下的有限元模拟对比分析了两种节点钢框架模型的破坏形态滞回性能承载力耗能能力