钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点破坏形态试验研究

Sep．2014

钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点

破坏形态试验研究

*

郁有升1，王建1，黄伟平2，王燕

1

（1青岛理工大学土木工程学院，青岛266033；2青岛交运集团，青岛266000）

［摘要］为研究钢框架梁柱弱轴栓焊连接翼缘削弱型节点的力学性能，设计了3个翼缘削弱节点试件及1个普通节点试件（对比试件）。对4个试件进行低周往复荷载试验。结果表明，

4个试件的破坏形态相似；焊缝通过孔的大小和加工对试件破坏形态及塑性铰的出现有重要影响，由于焊缝通过孔的影响，削弱试件没有实现塑性铰外移。为有效实现塑性铰外移，建议将焊缝通过孔设置在削弱位置外侧，或者不设焊缝通过孔。［关键词］翼缘削弱型节点；低周往复荷载试验；力学性能中图分类号：TU391

文献标识码：A

文章编号：1002-

848X （2014）17-0030-04Experimental study on the failure mode of reduced beam section connections of the bolted-welded connection of steel frame beam-column about minor axis

Yu Yousheng 1，Wang Jian 1，Huang Weiping 2，Wan Yan 1

（1School of Civil Engineering ，Qingdao Technological University ，Qingdao 266033，China ；

2Qingdao Jiaoyun Group ，Qingdao 266000，China ）

Abstract ：In order to study the mechanical property of the reduced beam section （ＲBS ）connections of the bolted-welded connection of steel frame about minor axis ，three ＲBS connection specimens and a common connection specimen for comparison were designed．The low cyclic loading experiments were applied for all specimens．The results show that the failure mode of four specimens is similar ；the size and processing of weld access hole have important influences on the failure mode of specimens and the emergence of the plastic hinge．The ＲBS specimens can not realize the shift-away of plastic hinge because they are influenced by the weld access hole．In order to achieve it ，the weld access hole should be set on the lateral side of reduced section or be canceled．

Keywords ：reduced beam section connection ；low cyclic loading experiment ；mechanical property

*国家自然科学基金（51278259），山东省优秀中青年科学家奖励基金（BS2009SF004）。

作者简介：郁有升，博士，副教授，

Email ：yuyousheng@126．com 。0引言

钢结构凭借强度高、良好的抗震性能得到了广泛应用，但在1994年美国北岭和1995年日本阪神

地震中发生了大量的梁柱节点脆性破坏［1，2］

，梁没

有出现塑性铰来耗散地震能量，不符合“强柱弱梁、

强节点弱构件”的设计原则。震后，学者提出了基

于塑性铰外移思想的新型梁柱节点：加强型节点和削弱型节点，

并做了大量的研究［3-6］

。翼缘削弱型节点是削弱型节点（ＲBS 节点）的一种，目前对弱轴连接翼缘削弱型节点的研究比较少

［7，8］，为此，本文以

钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点为研

究对象，研究其在低周往复荷载作用下的破坏形态。1

试验模型

1.1试件设计

ＲBS 节点的削弱参数根据美国FEMA 提供的推荐值选取，翼缘削弱起点至柱面距离a =（0.50 0.75）b f ，翼缘削弱长度b =（0.65 0.85）h b ，削弱深

度c =（0.20 0.25）b f ，其中b f ，h b 分别为梁翼缘宽度与梁截面高度。根据推荐值设计了3个ＲBS 节点试

件ＲBS-1，ＲBS-2，ＲBS-3及1个普通节点试件PT ，试

验中所有试件的梁、柱均选用Q235热轧H 型钢，梁截面均为HN300ˑ150ˑ6．5ˑ9，柱截面均为HW250ˑ250ˑ9ˑ14，梁削弱参数取值见表1。1.2材性试验

根据钢材力学性能取样［9］

分别从梁柱腹板、翼缘及连接板切取试样，每种板厚制作一组试样，共6组，

每组3个尺寸相同的标准短板件，并按

《金属材料室温拉伸试验方法》

（GB /T 228—2002）有关规定进行单向拉伸试验。所有试样与试验试件为同一批钢材

并同期制作，用拉力试验机进行钢材的拉伸试验，每组试样的力学性能平均试验结果如表2所示。1.3节点细部构造

梁翼缘削弱部分经火焰切割后再打磨，使削弱区的切割面光滑。梁上下翼缘与焊接在柱腹板上的翼缘连接板通过全熔透坡口焊缝连接，剖口角度为

第44卷第17期郁有升，等．钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点破坏形态试验研究

梁削弱参数/mm

表1

试件翼缘削弱起点距柱面距离a

翼缘削弱长度b

翼缘削弱深度c

ＲBS-10.6b f

0.7h b

0.23b f

ＲBS-20.6b f 0.7h b 0.27b f ＲBS-30.7b f 0.7h b 0.23b f PT

钢材力学性能

表2

板厚/mm 屈服强度

f y /MPa 极限抗拉强度

f u /MPa

平均伸长率εy /%B-6.5296.9430.333.7B-9288.2424.632.5C-9286.1430．032.5C-14310.5469．035.7P-6313．0430．035．0P-10298.2430.235．0

平均值299.2

435.7

34.1

注：B-6.5表示梁上取样，厚度为6.5mm ；同理C ，

P 分别表示柱、板上取样。

45ʎ，焊根开口宽度为6mm 。为保证焊缝全长有效，设置了引弧板。为方便梁翼缘施焊，根据《建筑抗

震设计规范》

（GB 50011—2010）［10］（简称抗规）将梁腹板和剪切板端头上下切弧形孔。翼缘连接板与

柱采用全熔透坡口焊缝连接。梁腹板与焊接在柱腹板上的剪切板通过6个M16的10.9级高强螺栓和两块腹板连接板连接而成。剪切板与柱腹板通过5mm 双面角焊缝连接。翼缘连接板与剪切板伸出柱端100cm 。焊条采用E43型，梁柱节点具体构造见图1。

图1梁柱节点细部构造

1.4试验装置及加载制度

根据《建筑抗震

试验方法规程》（JGJ 101—96）［11］选用低周往复加载试验方案，采用25t 的

MTS 液压伺服系统对试件施加低周竖向往复荷载。构件屈服前采用荷载控制加载，往复竖向荷载采取

分级施加方式，

初始荷载约为屈服荷载的20%，每级荷载增量约为20%的屈服荷载，当接近屈服荷载时，每级荷载增量约为10%的屈服荷载，每级循环1次。试件屈服后采用位移控制加载，测得梁加载

点的屈服位移为Δy ，按Δy ，2Δy ，3Δy ，…逐级加载，每级循环2次，直到试件破坏。试验加载装置见图2。

图2试验加载装置

2

试验现象

在加载初期，梁端位移与荷载成正比例增加。

加载后期，各试件破坏形态相似：首先焊缝通过孔处的梁翼缘屈曲，进而出现裂缝并扩展，导致试件承载力下降并在梁端处破坏。各试件破坏模式如图3所示，各试件加载后期试验现象的描述如下。

试件PT 试验现象：梁端位移为24mm 时，梁上翼缘靠近焊缝40mm 处出现轻微的翘曲，梁端出现扭转；梁端位移为36mm 时，梁下翼缘靠近焊缝2cm 处出现翘曲，梁腹板下端焊缝通过孔处出现裂缝，裂缝宽度约为3mm ，并逐渐沿着梁腹板向内扩展，梁达到极限承载力85.1kN ；梁端位移为48mm 时，梁

腹板下端裂缝扩展到梁下翼缘，

裂缝宽度越来越宽，梁下翼缘靠近焊缝连接处出现裂纹并扩展，梁上翼

缘距焊缝10mm 处出现裂纹并扩展，梁腹板上部焊缝通过孔处出现裂缝并逐渐向内扩展；梁端位移为60mm 时，随着一声巨响，梁下翼缘靠近焊缝连接处的裂纹被完全撕裂，梁上翼缘靠近焊缝连接处裂纹宽度变宽，承载力急剧下降，试件破坏，停止加载。试件ＲBS-1：梁端位移为37.5mm 时，梁腹板下端焊缝通过孔处开裂，裂缝逐渐向内部扩展，梁下翼缘出现翘曲，梁腹板顶部焊缝通过孔处出现裂缝，梁上翼缘出现翘曲，梁达到极限承载力82.2kN ；梁端位移为50mm 时，梁上翼缘翘曲严重，梁腹板的裂缝宽度越来越宽、长度越来越长；梁端位移为62.5mm 时，梁严重扭曲，梁腹板底部的裂缝向内扩展了约60mm ，梁腹板上部裂缝向内扩展了约70mm ，梁上

翼缘产生极大翘曲，

承载力急剧下降，停止加载。1

3

年

图3各试件破坏模式

试件ＲBS-2：梁端位移为30mm时，梁端出现扭转并伴有响声，梁下翼缘靠近焊缝处出现翘曲，梁腹板下端焊缝通过孔处出现裂缝并逐渐向内部扩展；梁端位移为40mm时，梁腹板下端裂缝宽度增大，梁下翼缘翘曲更严重，梁达到极限承载力81.4kN；梁端位移为50mm时，梁腹板下端裂缝扩展至梁的下翼缘，梁下翼缘靠近焊缝连接处开裂，突然梁下翼缘靠近焊缝连接处的裂缝被完全撕裂开，承载力急剧下降，停止加载。

试件ＲBS-3：梁端位移为30mm时，梁腹板下端焊缝通过孔处出现微裂缝并逐渐向内扩展，梁上翼缘出现翘曲；梁端位移为40mm时，梁腹板上端焊缝通过孔处出现微裂缝并逐渐向内部扩展，腹板下端裂缝宽度越来越宽，梁达到极限承载力82.6kN；梁端位移为50mm时梁腹板中裂缝宽度变宽，梁上翼缘翘曲严重，梁下翼缘出现轻微翘曲；梁端位移为60mm时梁腹板下端裂缝扩展至梁下翼缘，在梁下翼缘靠近焊缝连接处出现裂纹并逐渐扩展，梁腹板顶部裂缝向内扩展大约60mm，梁上翼缘翘曲严重，承载力急剧下降，停止加载。

综合分析4个试件的破坏现象可知，试件破坏的主要原因是焊缝通过孔加工时切割过大、表面粗糙，致使焊缝通过孔处应力集中，容易产生裂缝。对削弱试件而言，没有实现塑性铰外移。为实现塑性铰外移，更好地发挥翼缘削弱型节点的耗能性能，建议提高焊缝通过孔的加工质量，将其设置在削弱位置外侧，或者不设焊缝通过孔。

3试验结果与数据分析

3.1梁端P-Δ滞回曲线

各试件P-Δ滞回曲线见图4。试验中试件ＲBS-1，ＲBS-2，ＲBS-3没有实现塑性铰外移，削弱试件与普通试件相比，其滞回曲线稍显丰满、滞回环面积稍大些，说明试验中翼缘削弱型节点比普通节点的耗能能力稍强，但未充分发挥削弱部位的耗能作用。

3.2骨架曲线

各试件骨架曲线如图5所示。试件的骨架曲线形状大体一致：屈服前骨架曲线呈线性，

屈服后呈明

图4各试件P-Δ

滞回曲线

图5各试件骨架曲线

23第44卷第17期郁有升，等．钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点破坏形态试验研究

显的非线性。试验中试件PT在位移为36mm时达到极限荷载85.1kN；试件ＲBS-1在位移为37.5mm 时达到极限荷载82.2kN；试件ＲBS-2，ＲBS-3在位移为40mm时达到极限荷载，分别为81.4，82.6kN。削弱试件与普通试件相比，承载力有所下降，但是达到极限荷载的位移有所增大。

3.3延性系数

构件延性大小用延性系数μ来表示，μ=δu/δy，其中δu为骨架曲线中荷载下降到85%的极限承载力时对应的位移，δy为试件的屈服位移。各试件的延性系数见表3。由表3可以看出，削弱试件的延性大于普通试件的延性，但提高的幅度不够理想。

延性系数μ表3

试件PTＲBS-1ＲBS-2ＲBS-3

μ 2.78 3.32 3.19 3.24

4结论

（1）焊缝通过孔是按照抗规设计的，但由于加工原因，4个试件的焊缝通过孔切割过大、表面粗糙，致使焊缝通过孔处应力集中，产生裂缝并扩展，导致梁的承载力下降，试件首先在焊缝通过孔处破坏，削弱试件没有实现塑性铰外移。说明焊缝通过孔的设计和加工对钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点的破坏及塑性铰的出现影响很大。

（2）钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点与普通节点相比，滞回曲线稍显丰满，滞回环面积稍大些，延性系数略大，说明各削弱参数如设置不当，未必能很好提高塑性耗能能力。

（3）为有效实现钢框架梁柱弱轴栓焊混合连接翼缘削弱型节点塑性铰外移，更好地发挥耗能性能，建议焊缝通过孔设置在削弱位置外侧，或者不设焊缝通过孔。

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（上接第19页）

的双支撑失稳模型；如果双支撑杆中被支撑杆的横向位移稍大（不满足式（4）），将可能出现图5或图6所示的两种失稳模式，采用式（25）和式（26）确定了失稳模式Ⅰ与失稳模式Ⅱ之间的转换临界值a cr，a cr 表达式（式（25），（26））计算结果的正确性得到了试验的验证。还给出了失稳模式Ⅰ与失稳模式Ⅱ的失稳临界力表达式（式（28）），可为双支撑杆的尺寸设计及双支撑杆抗失稳能力的提高提供理论基础。

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