隔板贯通节点由于承载力高、抗震性能优良和施工方便等诸多优点, 在钢结构建筑中得到广泛应用, 并引起了大量研究人员的关注。C.Matsui^[1]通过方钢管混凝土柱-宽翼缘钢梁隔板贯通节点试验研究, 提出了节点的容许抗弯承载力计算公式。H.Kanatani等^[2]进行了隔板贯通节点的静动力试验, 考察了混凝土强度、钢管壁厚等对节点力学性能的影响。结果表明:钢管内填混凝土不仅可以阻止钢管壁局部屈曲, 而且能有效提高节点抗剪承载力。Morino等^[3]通过10个隔板贯通节点的反复荷载试验, 发现在节点核心区发生剪切破坏的变形性能和耗能能力优于柱弯曲破坏形态。I.Nishiyama等^[4]通过10个试件的滞回试验, 考察了高强材料对隔板贯通节点承载力的影响, 提出了考虑轴应力影响的计算模型和抗剪承载力计算公式。T.Fukumoto等^[5]完成了5个隔板贯通节点的滞回性能试验, 提出了核心区抗剪承载力的非线性计算模型和计算方法, 计算结果与试验结果吻合较好。Y.Qin等^[6,7,8]完成了5个隔板贯通节点的滞回性能试验, 提出用于预测节点抗剪承载力和抗弯承载力的计算公式, 计算结果与试验结果吻合较好。L.Wu等^[9,10]通过试验研究, 探讨了现有钢管混凝土柱节点抗剪承载力计算方法的适用性和准确性。

本文为探索地震作用下隔板贯通节点核心区的抗剪性能, 依据“强构件, 弱节点”原则, 设计并完成了5个节点核心区剪切破坏模式下的滞回性能试验, 拟通过试验现象和数据, 揭示破坏形态, 探索受力机理。

为保证试验时边界条件、受力情况与实际工程一致, 试件的柱长和梁长均取在反弯点处。本次试验共设计了5个T形试件, 考察是否填充混凝土、混凝土强度、钢管厚度和隔板厚度等因素对抗剪承载力的影响, 试件尺寸如表1所示。

试件柱所用钢管均采用冷成型方钢管, H型钢梁为焊接型钢梁。为了模拟现场施工, 钢管与节点的连接以及混凝土的浇筑与养护均在工厂完成, 钢梁与节点在实验室进行现场焊接。梁腹板与柱连接板采用高强螺栓连接, 梁翼缘与隔板采用焊缝连接, 节点细节如图1所示。

结构或构件的受力及变形特点除受荷载等外界因素影响外, 还取决于结构或构件的组成材料内部抵抗外力的性能。本次试验所用钢材强度等级均为Q235B, 混凝土强度等级为C30和C40 2种, 梁翼缘焊接采用E430等强焊接。

为进一步了解试验所用钢材和混凝土的力学性质, 根据GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》^[11]和GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》^[12]相关规定, 在同批次的隔板贯通节点上, 对不同厚度的钢材取样进行材性试验, 每种规格钢材所需试件数量为3根, 设计选用棒材试件进行材性试验, 主要测量钢材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量等指标;对钢管内填充的混凝土, 在钢结构制作工厂浇筑过程中随机取样并制作边长为100mm的标准混凝土立方体试块各3个, 并随试件一同在加工厂进行养护, 在节点试件开始试验加载前, 测试混凝土试块抗压强度和弹性模量。所用材料性能指标结果如表2, 3所示。

试验加载装置主要包括自平衡反力架、双向液压千斤顶和单向液压千斤顶等。梁端水平反复荷载由双向液压千斤顶施加, 柱端轴向压力则由单向液压千斤顶提供。支座设计为长圆孔铰支座, 使得试件可以滑移, 支座仅提供竖向反力。

本次试验采用的加载制度为力-位移混合控制加载制度, 其是先以力控制进行加载, 当试件达到屈服时改用位移控制, 直至破坏。依据GBJ101—96《建筑抗震试验方法规程》^[13]规定, 试件屈服前, 采用力控制并分级加载, 试件屈服后采用变形控制, 变形值应取屈服时试件的最大位移值, 并以该位移的倍数为级差进行控制加载。屈服前每级荷载反复1次, 屈服后每级荷载反复3次。

柱顶轴向压力由1 000k N液压千斤顶施加, 通过液压油泵自动控制仪控制压力数值。梁端荷载与水平位移则通过连接力传感器和应变位移计1, 通过应力-应变数据高速采集系统进行自动采集, 并绘制P-Δ曲线。梁端塑性铰区的平均曲率和节点核心区剪切变形通过位移计2~4和双轴数显倾角仪来测量, 如图2所示。

为了解隔板贯通节点抗剪受力机理与应力分布规律, 在节点核心区附近的梁翼缘与腹板、钢管壁和隔板上布置电阻应变片, 测点布置如图3所示, 应变片的应变量值也由应力-应变数据高速采集系统进行自动采集。

SJ-1为钢管内无混凝土试件, 当核心区发生剪切变形后, 随着荷载增加, 核心区迅速发生鼓曲或内凹变形;而其余填充了混凝土的4个构件, 在核心区发生剪切变形后, 随着荷载增加, 核心区剪切变形越来越明显, 但仅伴有轻微的鼓曲现象, 而梁端翼缘屈曲现象更明显, 直至最后焊缝撕裂。SJ-1与其余4个试件发生不同破坏模式, 说明在钢管内填充了混凝土不仅能提高承载力, 还可有效抑制节点处钢管的局部屈曲, 增强节点承载力和抗震能力。

为验证现有节点计算公式中混凝土抗剪承载力计算模型, 对试件核心区进行混凝土剖切试验。由试验得出, 地震荷载作用下, 混凝土裂缝沿2条对角线方向开裂并扩展, 且由内至外向边缘扩展, 形成分格的菱形破坏, 与现有计算公式中的斜压杆计算模型吻合。但通过测量发现, 主裂缝开展的宽度约为1/4核心区混凝土高宽, 这说明核心区参与抗剪斜压杆的受压宽度在计算时可近似取为1/4宽。

5个试件在梁端反复荷载作用下的滞回曲线如图4所示, 可以看出, SJ-1, SJ-3, SJ-4 3个试件的滞回曲线饱满, 呈梭形形态, 说明具有良好的抗震能力, 尤其是SJ-1试件的滞回曲线包络面积表明全钢结构具有良好的塑性变形能力, 而SJ-3, SJ-4试件为组合节点, 可以看出在填充混凝土后, 节点的刚度和强度得到有效提高, 且后期刚度、强度退化比SJ-1小。SJ-2和SJ-5试件的滞回曲线开始时表现为S形, 这是由于节点在安装时, 试件长圆孔加工误差较大造成滞回曲线上有一个较为明显的滑移平台。此外, 5个试件的加载曲线斜率随着反复加载次数的增加而明显减小, 但是卸载曲线斜率几乎不变, 说明节点的加载刚度退化现象明显, 卸载刚度退化较小。

各试件的抗剪承载力骨架曲线对比情况如图5所示, 可以看出, 填充混凝土可有效提高节点承载力, 但混凝土强度的增加对承载力的影响并不明显;核心区抗剪承载力随着钢管厚度增加而增加, 但增幅不大, 与理论计算存在较大差异, 分析结果显示材料的强度离散性和测量误差导致这种情况的发生;增加隔板厚度对于节点屈服抗剪强度影响不大, 但极限抗剪承载力随着隔板厚度的增加而减小, 塑性变形能力随着隔板厚度的增加而增加, 原因可能是由于隔板厚度的增加, 形成了“强柱强梁弱节点”试件。

1) 试件破坏均为节点核心区发生屈服, 出现剪切变形, 然后发生梁翼缘屈曲, 最后发生隔板与梁翼缘的焊缝破坏。

2) 钢管内填充混凝土可有效提高节点的抗剪承载力和刚度, 抑制钢管的局部屈曲。

3) 核心区混凝土受力机理符合斜压杆计算模型, 但受压区宽度约为混凝土宽的1/4。

4) 混凝土强度对节点抗剪承载力影响不大;隔板厚度对节点屈服抗剪承载力影响不大, 但对极限抗剪承载力影响较大, 且随着隔板厚度的增加而减小。