H型钢梁与RHS柱半冈Ⅱ性连接节点的性能

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[摘要]H型钢梁与RHS柱的端板栓接节点是一种新型的半刚性连接节点，本文通过足尺试验与有限元软件分析，研究其受力性能。结果表明，端板栓接节点的承载能力可达焊接节点的85％，但转动能力明显大于焊接节点，抗震性能也明显优于焊接节点，具有良好的运用前景。
[关键词]H型钢梁；RHS柱；半刚性节点；端板；螺栓
l引言
虽然将钢结构框架梁柱连接节点假定为完全刚性节点或理想铰接节点均可以使分析和设计的过程大大简化，但在实际结构中的连接节点并非是单纯的刚接节点或铰接节点，而是存在于两种状态之间具有一定刚度的半刚性节点。将梁柱节点有意设计成半刚性节点，还可以减小现场焊接数量，提高施工进度，克服刚性节点容易发生焊缝断裂破坏、钢材延性不能得到充分发挥的弊端。H型钢梁与H型钢柱的端板栓接节点就是已被深入研究、正在走向应用的一种半刚性连接节点。
钢框架半刚性连接节点的变形可以用梁的平面内作用弯矩引起的梁柱轴线间的相对转角来表示。梁柱之间的相对转角不仅会改变梁与柱之间的弯矩分布，还会增加结构侧向位移、加剧p-A效应并进而影响整个结构的稳定性，所以应给予充分的估计。
研究钢结构框架梁柱半刚性连接节点的工作性能，提出适合切实可行的半刚性节点设计方法，有助于建筑结构分析与设计的发展。
2H型钢梁与RHS柱的端板栓接节点研究现状
在框架结构中，钢梁一般都采用H型钢，钢柱大多也采用H型钢，很少采用钢管，主要原因是后者梁柱节点连接比较困难。但是钢管柱框架的经济性比采用H型钢柱的好得多，尤其在住宅建筑中，采用矩形钢管柱(简称“RHS柱”)不仅可以减少用钢量，而且便于构建美观的室内环境。研究H型钢梁与RHS柱的连接节点，有很强的实用意义。
20世纪90年代开始，随着Huck的“超扭暗螺栓…”和Lindapter的“快速管心】，’等单边螺栓系统的出现(如图1a所示)，H型钢梁与矩形钢管柱的端板连接形式成为可能(如图1b所示)；将JanClaudedeValliere的热塑钻嵋1(Flowdrill)方法(图lc)应用于H型钢梁与RHS柱的端板栓接，又使这种连接形式变得简单而快捷。然而，到目前为止，H型钢梁与RHS柱的端板栓接节点还是一种新型的半刚性连接节点，其工作性能如何还有待仔细研究。

3H型梁与RHS柱端板栓接节点试验研究
本文结合我国目前的施工工艺，提出了一种端板连接形式，并对这种连接形式的节点进行了单调静力加载和低周反复加载试验，将其与焊接节点进行对比分析，得到其弯矩～转角关系，进而对其抗震性能进行初步的研究。与国外的端板连接不同之处在于，这种连接所用螺栓为常用的高强度螺栓，螺栓通过柱壁上丝扣的咬合力和摩擦力将力传递到柱壁，而不采用快速管或热塑钻等方法。
3．1试件的设计
试件采用取自多层框架结构在水平荷载作用下梁柱反弯点之间的典型节点(边柱节点和中柱节点)的足尺模型，其名称及主要参数详见表l。
试件均采用常用材质和规格，钢材等级为Q345B，梁、柱钢材规格分别为I-1250×150X6X8和口250X150X8。梁长1700mm，柱长1800mm。试件示意图详见图2。
经有限元分析发现，端板厚度和柱壁厚度以及螺栓抗拉刚度是影响节点刚度的主要因素。当端板厚度和柱壁厚度(采用衬管对节点域进行加强的则为柱壁厚度与衬管厚度之和)增加到梁翼缘厚度的2倍以上之后，节点承载力的增幅已趋于微小，故试件中的端板厚度和带衬管的柱壁厚度都取为梁翼缘厚度的2．5倍，即为20rnm。为确保单个螺栓的抗拉刚度，螺栓仍像H型钢梁与H型钢柱端板栓接节点一样采用高强度螺栓，不过只是适量施加预拉力。
梁柱连接处梁截面所能承受的最大弯矩为肘=114．7kNm，可由此计算出梁悬臂端的屈服荷载，．=71．7kN，极限荷载F，。=1．2F=86．02kN。在屈服荷载作用下梁悬臂端的挠度为34．3mm，在塑性状态下为67mm，考虑到材料的强化及试验误差，将该值扩大为2．5倍，得到破坏时梁悬臂端的挠度约为167ram，据此选择千斤顶和位移计的量程。
由于节点取自结构的反弯点处，故柱的两端可用铰接支座。为模拟节点的实际受力情况，在柱上端采用量程为100t的千斤顶对其施加轴力。反复加载试验时，采用一台油泵同时控制两台量程为50t的千斤顶，每台千斤顶上放置一个量程为20t的压力传感器以控制施加的荷载的大小。试验加载装置如图3所示。
3．2试验加载方式
(1)单调静力加载试验加载时，柱子上保持800kN的轴力不变。屈服前荷载等级为15kN，屈服后改为5kN直到破坏；
(2)低周反复加栽试验加载时，先在柱子施加轴向荷载800kN。梁两端同时施加等值反向荷载，开始预加反复荷载二次。其目的在于检验各试验设备是否正常工作以及节点连接情况。试验开始时采用荷载控制，分级荷载差值为20kN，接近屈服时为每级10kN，每级荷载循环三次，屈服后采用位移控制，位移差值为屈服位移，每级位移循环三次。
3．3试验结果与分析
通过上述试验得到梁悬臂端的极限荷载P。梁中点处的极限挠度△。梁柱连接处梁截面的极限弯矩膨。、极限转角口。以及节点的初始转动刚度尺。和节点的破坏形式，各试件的试验结果汇总于表2。各试件的弯矩。转角(骨架)曲线图如图4所示。
4试验结果分析与结论
(1)H型钢梁与RHS柱的端板栓接节点制作时端板、柱壁和衬管上的螺孔必须同时精确定位；安装时螺栓的预紧力尚宜结合试验确定(预紧力过大可能导致丝扣发生塑性变形或被磨平)。本文在试验过程中没有发现有螺栓被拔出的现象，说明H型钢梁与RHS柱的端板栓接是可行的。
(2)采用外衬管与采用内衬管对节点域进行加强的效果(承载能力、初始转动刚度等)基本相当。在实际加工中，采用内衬钢管不仅施工复杂而且不宜对其的焊接质量进行检查，若采用外衬钢管，则施工比较方便可靠，有时柱子也不必断开。
(3)H型钢梁与RHS柱端板栓接节点试件5(DHR．D18一BPl2一D20)由于发生整体失稳较早破坏，故其承载能力较小。其它两个端板栓接节点(试件1SHR—EBPl2．D20和试件4DHR．BPl2．D20)的承载能力大致相等，约为焊接连接节点的85％。
(4)H型钢梁与RHS柱端板栓接节点的初始转动刚度约为1．0×104kN•m／tad，比焊接连接节点的小得多，比H型钢梁与H型钢柱端板栓接节点的初
始转动刚度略小(如西安科技大学郭兵得到的试验结果为(1．13～1．75)×104kN•m／tadDl)。节点破坏时焊接连接节点的塑性转角均未达到美国FEMA．971171(FederalEmergenceManagementAgency)要求的O．03rad，而端板栓接节点的塑性转角都超过0．03rad，说明端板栓接节点的转动能力大于焊接连接节点。
(5)对比试件4(DHR．BPl2．D20)和试件6(DHR．DI．VP)的滞回曲线(图5)，发现端板栓接的节点的滞回曲线比焊接连接的饱满，说明前者的耗能能力比后者的强；从两者的骨架曲线(图6)可以看出，试件4的刚度比试件6的要小，但前者的延性比后者的好，说明端板栓接节点的抗震性能优于焊接连接节点(6)在焊接连接节点中，设置内衬管的节点(试件3SHR．DI．BHP)的初始刚度是没有设置内衬管的节点(试件2SHR．EBPl2一WELD)的2倍，是端板栓接节点的5倍左右。对比已做过的H型钢柱与H型钢梁的焊接连接节点，H型钢梁与RHS柱的焊接节点初始刚度也明显偏小。说明RHS柱柱壁的局部变形对节点的初始刚度影响很大。

(7)在焊接连接节点中，发生的破坏主要是焊缝破坏，致使这类节点不能充分发挥作用，由此说明焊接工艺及施工水平对焊接节点性能影响较大。
5H型钢梁与RHS柱端板栓接节点的有限元分析
采用非线性有限元对各种参数进行了分析，以了解影响端板栓接节点性能的主要因素，为进行节点性能的理论分析提供依据，并找到提高节点性能的方法。这些参数为端板厚度t。、外衬管(内衬管)厚度t”螺栓相对梁翼缘间距g、螺栓相对梁腹板间距P以及梁截面尺寸、柱截面尺寸、柱长细比及柱轴压比等。计算中，柱、梁、端板及加劲板的材料特性定为相同，螺栓直径为20mm。端板厚度、内衬管厚度对刚度和承载力的影响程度分别如表3、4所示；梁柱截面尺寸对节点初始刚度的影响程度如表5所示；螺栓横向、竖向间距对刚度和承载力的影响程度分别如表6、7所示；柱轴压比、梁柱刚度比对初始刚度的影响程度分别如图7、8所示。
从所列表格和图形可以看出，影响节点刚度的
主要因素为端板厚度、内衬管厚度：梁柱截面尺寸及螺栓间距，它们的影响情况归纳如下：
(1)随着端板厚度的增加，节点的初始刚度增大，增加的趋势由快到慢，但节点的延性减小；
(2)随着内衬管厚度的增加，节点的初始刚度增大，但节点延性变化不是很明显；
(3)随着梁柱刚度比的增加，节点的刚度增大；
(4)适当增大螺栓横向间距，减小螺栓竖向间距可以提高节点的初始刚度。
6结论
H型钢梁与RHS柱端板栓接节点是一种新型而可行的半刚性连接节点。本文采用内衬管和外衬管对节点域进行加强的端板栓接节点，承载能力都在焊接节点的85％左右，它们的转动能力都明显大于焊接节点，抗震性能也明显优于焊接节点。H型钢梁与RHs柱端板栓接节点特别适宜在有抗震设防要求的住宅钢结构中推广使用。但这种节点制作时加工的技术要求较高，且安装时螺栓的预紧力尚宜结合试验确定
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