黄强，王新武，高鑫，时强

(1.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454150)

0 引 言

钢结构装配式住宅建设是一种新型的建造方式[1]。2019年10月1日起实施的《装配式钢结构住宅建筑技术标准》JGJ/T469—2019使钢结构装配式住宅发展迎来空前机遇[2]。2020年初新型冠状病毒给人民生活带来巨大冲击。在抗击病毒过程中，建设单位仅用10天即建造完成3.4万平方米武汉火神山医院，装配式钢结构建筑的施工效率和中国速度再次令世界惊叹。

梁柱节点是影响结构整体抗震性能最重要的因素之一[3-5]。在装配式钢框架结构体系中，梁柱由连接件和高强螺栓连接，这种节点不仅可以发生相对转动，而且还可以传递一定的弯矩[6-7]，受力特征介于刚接和铰接之间，称之为半刚性节点。

W.F.Chen[8]在半刚性节点研究方面做了大量卓有成效的工作，收集了丰富的半刚性连接节点研究试验数据；石文龙[9]对平齐端板连接节点进行了拟静力试验研究，推导了节点承载力和刚度的计算式；王新武[10]完成了20个足尺钢框架梁柱连接节点的拟静力试验，试验表明半刚性梁柱连接节点的钢框架有较好的抗震性能，其中T型钢半刚性连接方式在提高节点承载力方面有着明显的作用；C.S.Gildon等[11]对2个弱轴平面节点开展了拟静力试验研究，结果表明,这种节点的塑性转角达到了0.03 rad;J.Witteveen等[12]采用试验方法研究了半刚性节点的破坏模式，分析了节点域螺栓、端板、柱腹板和柱翼缘等各组件的承载力。基于大量的试验研究成果，EC3规范提出了组件法，即分析梁柱节点内力的传递路径，进而确定所有组件的承载力和刚度。美国AISC规范以节点经历极限弯矩之后，弯矩承载力降低至极限弯矩的20%所对应的转角达到或大于0.03 rad，即认为该节点延性良好。我国GB50017-2017对梁柱半刚性节点进行了说明，规定极限弯矩承载力应满足的条件，但没有给出具体的弯矩-转角曲线计算方法。

目前，半刚性连接节点的抗震性能试验研究，受试验条件等多种因素影响，多采用梁段加载模式，忽略了框架柱侧向变形引起的P-δ二阶效应对节点受力特性的影响。同时，钢框架不同位置梁柱节点的试验对比分析较少。

本文选取平面框架两个不同位置的剖分T型钢连接梁柱节点，以连接件厚度为参数，采用柱端加载模式进行拟静力试验研究，以期得到剖分T型钢连接的边柱节点和中柱节点的抗震性能和在低周往复荷载作用下的破坏机理。

1 试验概况

1.1 试验目的

对1∶ 1的足尺剖分T型钢半刚性连接平面钢框架中的边柱节点和中柱节点进行拟静力试验，研究节点的抗震性能。

1.2 材性试验

按照国家规范《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》GB/T2975-2018和《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》GB/T228.1-2010规定，在相同批次的钢材中截取标准尺寸试件，并对试件表面进行抛光除锈处理。将试件安装在600 kN电子万能试验机上，进行单轴拉伸试验，测定钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率等，材性试验结果见表1。

表1 钢材材性试验结果

1.3 试件设计

试验节点类型为边柱节点和中柱节点，如图1所示，根据《钢结构设计标准》GB50017-2017和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的设计要求

图1 节点模型图

对试验的梁、柱、T型件进行设计。节点中梁选用钢材为HN350，柱子选用钢材为HW300。T型钢连接框架节点由梁、柱、T型件组成，使用10.9级M22高强螺栓进行连接，各构件截面尺寸见表2。螺栓预紧力通过扭矩扳手施加，螺栓预紧力大小为190 kN。

表2 构件截面尺寸

2 试验加载和测量方案

2.1 加载方式

图2为框架在水平荷载作用下的变形图，试验取反弯点之间的梁柱为加载模型。以柱端加载方式进行试验[12-13]。为更好反映真实结构的受力方式，在梁端采用滑动支座进行约束，柱脚处设置滚排，模拟真实柱脚约束。竖向作动器对柱施加轴向荷载，通过水平方向作动器，在柱脚处施加往复荷载。节点的受力简图见图3，试验现场见图4，试验梁端和柱脚约束见图5。

图2 框架在水平荷载作用下的变形图

图3 柱端加载模型

图4 试验现场图

图5 边界约束

2.2 加载方案

首先通过竖向作动器对柱顶施加200 kN轴压，然后对梁端进行约束，在±20 kN以内进行水平方向预加载，检查试件接触是否良好。正式开始时，根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101-2015),采用力和位移混合控制加载制度，试件屈服以前，采用力控制方法，分级加载,在试件接近屈服时，减小加载级差，直至试件屈服。

试件的屈服位移如表3所示。试件屈服后，加载制度采用位移控制，位移步长为1倍的屈服位移，在柱端施加相应水平位移，进行低周往复荷载试验，每级位移循环加载3次，直到出现较大位移或节点发生破坏，试验停止[9]。试件的加载方案如图6所示。本次试验中，SJ节点加载至18倍屈服位移时试验终止，MJ节点加载至8倍屈服位移时试验结束。

表3 试件屈服位移表

2.3 测量方案

在T型钢连接件和梁翼缘上选取多个关键点黏贴应变片，测量加载过程中节点的应变响应。在柱脚处布置位移计，该位移计的读数作为加载过程中的位移控制依据；在梁、柱连接位置处布置拉线位移计，用于量测梁柱相对转角θ。图7为节点位移计布置图。

图7 节点位移计布置图

梁柱节点相对转角通过拉线位移计测量。按式(1)计算[13]

式中：disp为位移计读数;a、b分别为位移计到柱翼缘处、梁翼缘处之间的距离。

3 结果与分析

3.1 试验现象

图8(a)为SJ-1试件破坏模式图，梁上翼缘与柱连接的T型件发生过大塑性变形。图8(b)为SJ-2试件破坏模式图，梁下翼缘与柱连接的T型件发生断裂破坏。两个边柱节点试件试验现象相似，表4为SJ-1试件的试验现象，加载初期，两个边柱节点试件处于弹性阶段，加载过程中观察不到明显变化。随着荷载增大，T型件翼缘腹板焊接区域开始屈服，发生较明显的变形。

表4 SJ-1试件试验现象

图8 试件边柱节点试件破坏模式

图9(a)为MJ-1试件破坏模式图，梁上翼缘与柱连接的T型件(图示1区)发生断裂破坏。图9(b)为MJ-2试件破坏模式图，梁上翼缘与柱连接的T型件发生较大的塑性变形(图示1区和3区)，且柱发生较大的塑性变形。两个中柱节点试件的试验现象相似，表5为MJ-1试件的试验现象。观察可知，节点破坏时，柱轴线仍基本保持为直线；试件破坏时，柱的轴线不再是一条直线，而是变形为一条曲线，图9(b)变形最为明显，说明连接件厚度对T型钢连接梁柱节点的破坏模式影响较为明显。

表5 试件MJ-1试验现象

图9 试件中柱节点试件破坏模式

3.2 滞回曲线

图10是SJ-1和SJ-2试件的弯矩-转角滞回曲线，弯矩由试验采集到的梁端支座约束反力转化为节点区域的梁端弯矩，转角为梁柱相对转角，由拉线位移计采集到的梁柱相对位移按2.3节式(2)换算得到。

SJ-1试件滞回曲线具有菱形特征[10]，滞回曲线形状饱满；SJ-2试件滞回曲线呈弓形，滞回曲线受到螺栓滑移影响，具有捏缩效应。两个试件的滞回曲线在加载前期形状相似，说明SJ-1试件在试验终止时仍具有一定承载力，连接件厚度小，破坏提前。

图11～12分别是MJ-1试件和MJ-2试件左侧和右侧的弯矩-转角关系滞回曲线，两个试件滞回曲线均呈“菱形”特征，滞回曲线饱满，MJ-2试件滞回曲线较MJ-1试件滞回曲线包括面积更大，说明连接件厚度对中柱节点滞回性能影响明显，厚度越大，破坏延迟，节点耗能越大。

3.3 骨架曲线

图13～14分别是边柱节点试件和中柱节点试件的弯矩-转角骨架曲线，试件变形具有明显的弹性阶段和塑性阶段。表6为各试件的骨架曲线分析表，结合图13～14和表6分析可知，加载初期，边柱节点试件和中柱节点试件均处于弹性阶段；随着加载继续，T型连接件翼缘产生较大屈服变形。连接件厚度对试件极限承载力和初始刚度具有较明显的影响，随连接件厚度增加，节点抗侧刚度增大，极限承载力提高。对于边柱节点，SJ-2试件极限弯矩承载力较SJ-1试件正向提高49.9%，负向提高69.6%；对于中柱节点，MJ-2试件极限弯矩承载力较MJ-1试件正向提高30.9%，负向提高23.4%。边柱节点MJ-2试件的极限弯矩承载力较中柱节点试件正向提高27.1%，负向提高52.1%。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中，多、高层钢结构层间位移角限值为1/50，对应的梁柱转角应为0.02 rad，传统焊接节点，由于焊缝破坏，要达到0.02 rad的转动变形是比较困难的。本文4个试件中，最小极限转角为0.056 5 rad，表现出较好的转动能力，有益于结构耗能。

图13 试件边柱节点弯矩-转角骨架曲线

图14 试件中柱节点弯矩-转角骨架曲线

表6 骨架曲线分析表

3.4 刚度退化曲线

本文采用割线刚度定义试件的转动刚度，根据同一级荷载下正负方向弯矩承载力绝对值之和与对应峰值转角绝对值之和的比值计算。表7为各试件初始转动刚度表。将试件刚度进行归一化，随荷载等级增加，试件转动刚度在初始转动刚度的基础上发生退化。图15～16分别为边柱节点试件和中柱节点试件的刚度退化曲线。分析可知：连接件厚度对节点初始刚度影响较明显，其中边柱节点SJ-2试件较SJ-1试件初始刚度提高了57.3%，中柱节点MJ-2试件较MJ-1试件初始刚度平均提高44.5%。中柱节点的初始刚度较边柱节点高。

图15 试件边柱节点刚度退化曲线

图16 试件中柱节点刚度退化曲线

表7 各试件初始刚度表

3.5 延性系数

结构侧移延性系数μΔ是结构屈服后的后期变形能力的重要衡量指标，采用极限转角Δu与屈服转角Δy的比值描述。

(3)

屈服转角Δy由通用屈服荷载法[18]确定，如图17所示。

图17 通用屈服荷载法

由式(3)计算结构延性系数,结果如表8所示，分析可知，随着连接件厚度增加，节点的侧移延性系数减小。

表8 侧移延性系数表

3.6 耗能分析

表9为边柱节点试件和中柱节点试件的耗能系数和等效黏滞阻尼系数。分析可知：边柱节点SJ-1试件和SJ-2试件的最终耗能系数分别为2.18和2.75，而中柱节点MJ-1试件和MJ-2试件的最终耗能系数分别为1.36和1.69，说明连接件厚度和节点位置对其耗能系数影响较大，即影响节点耗能能力。边柱节点SJ-1试件和SJ-2试件的等效黏滞阻尼系数为0.35，0.42，而中柱节点MJ-1试件和MJ-2试件的等效黏滞阻尼系数分别为0.22和0.26，边柱节点较中柱节点高59.0%，说明连接件厚度和节点位置对其等效黏滞阻尼系数亦有影响。

表9 试件各阶段耗能系数和等效黏滞阻尼比

4 结 论

(1)破坏模式为T型钢连接件断裂或过大的塑性变形，连接件刚度越小，越容易发生断裂破坏，不利于节点延性发展。

(2)边柱节点试件和中柱节点试件滞回曲线饱满，说明采用T型连接的梁柱边柱节点和中柱节点均具有稳定的滞回性能。

(3)连接件厚度和节点位置对试件极限承载力、初始刚度、累计耗能均具有影响明显，连接件厚度越大，试件抗震性能越好，由于受力状态不同，边柱试件的极限承载力高于中柱节点，但初始转动刚度较中柱节点试件低。

(4)4个节点试件极限转角最小为0.056 5 rad，远高于现行抗震规范中0.02 rad的限值，且超过了美国FEMA标准要求的0.03 rad，说明采用T型钢连接的梁柱节点具有较高的延性。