魏科丰 韩 丁
（长江大学工程技术学院，湖北荆州 434020）
摘 要：制作了3个T型钢结构节点试件，在实验室通过拟静力试验，对这3个试件进行了低周反复加载，根据其受力及破坏形态分析了此类节点在地震作用下的承载能力、受力机理、强度与刚度退化特征及耗能能力，同时通过人为在腹板处制造裂缝，研究其受力特征及对节点损伤性能的影响。试验结果显示：应力集中主要出现在连接柱翼缘角焊缝和梁腹板的两个焊接端，该处为钢结构试件焊接过程中熄弧或起弧的位置，也是容易出现焊接缺陷和脆性断裂的危险部位．通过T型钢结构节点的试验研究，对钢结构节点的抗震性能、破坏特征、探伤及识别进行了有益的探索，同时得到了一些试验数据，可为钢结构施工过程中对节点进行优化和改进提供理论依据。
关键词：钢结构T型节点；抗震性能；焊缝损伤；试验
随着高层钢结构中焊接连接节点的普遍采用，焊接节点的抗震及受力性能受到越来越多的关注，焊接缺陷直接导致了工程事故的增加。目前普遍采用的梁和柱刚性连接大致可以分为全焊连接、栓焊连接和螺栓连接3类。所谓全焊连接就是将钢结构梁柱全部采用焊缝连接；栓焊连接即梁的翼缘与柱采用焊缝连接，但在梁的腹板与柱之间则采用摩擦型高强螺栓连接；螺栓连接即梁柱全部采用高强螺栓连接。这3种连接方式各有优缺点，其中采用全焊连接可靠度高，一般不会出现滑移问题，只要焊缝处理得当，可保证钢结构有足够的延性，但在实际施工过程中比较困难，由于焊缝较多，焊缝缺陷问题也就容易出现，另外在焊接过程中产生的残余应力和残余变形也会给结构带来不利影响；在施工中最为方便的应该是高强螺栓连接，技术上也比较成熟，但存在预留的钢结构接头尺寸过大，钢材消耗较多，同时价格也比较昂贵等问题；栓焊混合连接因其具有两方面的优点，即先用螺栓进行定位，然后对钢结构翼缘进行焊接，施工方便，应用最为普遍。
1 焊接缺陷原因
1.1 地震对焊接节点的影响
1994年美国洛杉矶北岭地震（里氏6.8级），属于中等强度的地震，但部分钢结构节点发生了脆性断裂，出现这种情况的原因是洛杉矶北岭地震其能量的释放基本上是突发式的，在一个很短的时间内就完成了全部能量的释放，并且地震作用的时间非常短，地面作用的最大加速度脉冲持续时间只有6~8s，这样使得北岭地区在很短的时间内承受了巨大的能量，从现场测得的数据来看，地面水平加速度高达1. 8g，竖向加速度达1.2g，在这样较高的竖
向加速度作用下，钢结构焊接节点出现了焊缝脱落，甚至有些悬臂梁的下翼缘也出现了破坏，可见地震的破坏力巨大。
1.2 焊接质量的影响
钢结构在焊接过程中因为各种因素的影响，焊缝往往会出现一些小的缺陷，如接头部位的裂纹、焊接过程中未焊透，甚至出现夹渣和气孔等问题，这些缺陷都会导致节点的断裂。试验证明钢结构在受拉时最大应力出现在切口部位，过大的应力往往导致结构发生脆性破坏，没有明显的屈服过程。通过对钢结构节点进行有限元模拟分析，得出在梁翼缘和焊接垫板连接处的中部往往出现最大的应力集中，而钢结构的破坏就是从这个地方开始的，随后通过试验也证实了这一结论。由于钢结构在焊接过程中焊缝收缩时受到与之相连的梁柱等约束，会在结构中产生残余应力，同时这些残余应力加大了接头和钢结构整体的应力水平，因此焊接接头的质量决定了节点的抗震性能，具有较高强度和较好延性的焊接接头在抗震中起着重要作用，但是目前对钢结构的检测难以发现所有可能出现的焊接缺陷，所以质量控制存在着许多困难，再加上焊接质量离散度较大，焊接缺陷出现的可能性也增大，结构在地震中发生脆性断裂的可能性亦越大。
1.3材料质量的影响
在地震作用时，钢结构的梁翼缘处发生塑性应变，随后能够形成塑性铰消耗地震输入的能量，这是节点抗震设计的基本目的，但实际施工中有些翼缘材料的延性不是很好，这样就直接导致了柱翼缘在地震作用下撕裂破坏，而钢材的质量主要与冶金及其受力状态有关。试验研究表明厚钢板由于存在缺陷的可能性更大，因此其延性和韧度均较差，而薄钢板因为轧制温度较低，组织更加细密，但目前很多高层钢结构均采用厚钢板，这也增加了高层钢结构脆性断裂的可能性。
1.4设计对焊接节点的影响
在设计和计算过程中为了计算的方便通常采用平截面假定，但这与实际工程的情况不完全相符，主要原因是因为焊缝的存在，钢结构承受的剪切变形使得梁翼缘承受了较大的剪力，使得梁上、下翼缘过早屈服，这样一来在计算过程中假定的梁翼缘主要传递梁截面的全部弯矩，而梁的全部剪力主要由梁腹板来传递就不成立了。同时试验和理论研究表明：钢材在多轴应力状态下，材料的延性变差，韧度也有一定程度的降低，而抗震设计原则中的“强柱弱梁”使得梁柱节点与实际情况有很大的区别，这是设计因素对焊接节点受力的影响。
2试验方案
2.1试件制作及试验模型的选取
试件为3跨、4层钢框架结构，见图1，计算时选取边界节点进行分析和试验，假定反弯点在梁柱中点，计算简图见图2。
图2中Ⅳ为节点承受的轴力；V为节点承受的剪力；p为由中间柱传递过来的荷载。
2.2试件制作相关参数
为研究钢结构节点的焊缝损伤对结构抗震性能的影响，按照“强构件、弱节点”的设计原则，使得在地震荷载作用下节点能形成塑性铰，先于梁柱破坏。钢结构各截面参数如表1所示。
由于M1> 2M2，满足GB 50017-2003《钢结构设计规范》规定的强柱弱梁的要求。
2.3 钢结构试件的设计
制作的试件所用钢材为Q235B钢，柱截面采用H150× 150×7×10型钢，梁截面采用I140×80×5.5×9.1型钢，节点采用全焊接方式，在梁的翼缘开半径为30 mm的坡口，腹板采用双角焊缝，焊角宽度为6 mm，柱腹板采用加劲肋，厚度为8 mm，具体设计参数见表2。
2.4材料强度
在试验过程中测试了试件主要部位的材料性能，得到了其相关力学参数。根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定，按不同钢材厚度制定标准试样，选择了5组试样，每组3个，厚度为：4，6，8，10，15 mm。试样钢材的力学性能指标如表3所示。
3加载方案设计及试验所用装置
3.1 试验装置
根据实验室现有的条件，钢柱两端通过高强螺栓固定在底座上，将水平助推器连接在梁的两端，试验加载装置如图3所示。
3.2 加载方案设计
本试验加载方案分为单循环加载和周期循环加载，单循环加载主要在弹性阶段，当试件进入塑性阶段后按照每个周期循环3次的方案进行加载直到节点破坏，破坏的标准是水平作用力达到极限荷载的85%。加载分为两个阶段：第一阶段循环1次，当位移分别为2，4，6 mm时对应的荷载分别为7.4，14.8，22.2 k N，周期为100 s。第二阶段以位移进行控制，共循环5次，位移分别为6，12，18，24，30 mm，周期为250 s。加载至极限荷载p u下降到峰值荷载P max的85%，即P u=0. 85P max=28. 46 k N时加载结束。
3.3数据采集
节点核心区处梁、柱塑性铰的曲率或者转角主要是采用量程为30 mm的位移计来测量，柱顶水平加载截面处的位移采用量程为100 mm的位移计来进行测量。位移计布置在柱顶水平荷载加载截面、柱脚截面、梁端支撑处。本试验共布置了6个位移计，这些位移计与静态电阻应变箱相连，其值由计算机在试验过程中自动采集。节点核心区钢管壁的应变主要由沿对角线方向布置应变片来测量，在靠近节点区梁端、柱端钢管上布置应变片来测量其应力分布情况，为了了解加强环板的受力情况和传力特征，主要测定外隔板的应变情况，通过统计本试验每个节点模型共贴单向应变片45片，应变花3个，与静态电阻应变箱相连，其值由计算机在试验过程中自动采集。
4试验结果及分析
本次试验对象为3个T型钢节点试件，梁翼缘采用V形坡口焊，腹板采用双角焊缝，焊缝宽度为6 mm，整个试验在土木工程实验室完成。为了区别不同的焊缝情况，在试件二的腹板焊缝处开了一条2 mm的裂缝，试件三的腹板焊缝处开了一条4 mm的裂缝，试件一腹板焊缝完好，通过拟静力试验，对3个试件的破坏过程、试验参数进行对比分析。
4.1试验现象
4.1.1 试件一加载
根据加载方案，在弹性阶段采用单循环加载，具体表现为位移达到10 mm之前，每2 mm为一个加载等级，进入塑性阶段以后，每10 mm为一个等级，这与实际情况是相符合的，在位移达到10 mm之前，荷载一位移曲线基本为一条直线。在弹性阶段，位移变化非常小，梁翼缘未出现断裂和屈服情况，焊缝也比较完整，但当位移继续增加，进入30 mm的第一个循环加载阶段时，梁翼缘两侧开始屈服，腹板处无变化，当进入30 mm的第二个循环时，一侧的翼缘焊缝出现了裂纹，腹板处焊缝无变化，当位移进入30 mm第3个循环时，梁翼缘两侧焊缝均已拉断，丧失承载能力，但腹板焊缝依旧未出现裂缝。引。
梁翼缘焊缝处断裂最后导致节点的破坏，最大破坏荷载为33 k N，这与预估值33.5 k N是相吻合的，卸载后，节点有残余变形。试件一节点破坏形式如图4所示。
4.1.2 试件二加载
试件二在腹板处有一条2 mm的裂缝，在弹性阶段，位移变化非常小，梁翼缘未出现断裂和屈服情况，焊缝也比较完整，但当位移继续增加，进入30 mm的第一个循环加载阶段时，梁翼缘一侧开始屈服，另一侧焊缝开始出现裂缝，腹板处无变化，当进入30 mm的第二个循环时，一侧的翼缘焊缝出现了裂纹，腹板处焊缝有轻微裂纹，当位移进入第3个循环时，梁翼缘裂缝继续扩大，从一端延伸到了另外一端，腹板也出现了裂缝，此时构件已经失去承载能力。节点最后破坏时梁翼缘和腹板焊缝均断裂，最大破坏荷载达到了33.3 k N，与预估值33.5 k N是相吻合的，卸载后，节点有残余变形，且向平面外倾斜。试件二破坏过程如图5所示。
4.1.3 试件三加载
试件三在腹板处有一条4 mm的裂缝，在弹性阶段，位移变化非常小，梁翼缘未出现断裂和屈服情况，焊缝也比较完整，但当位移继续增加，进入30 mm的第一个循环加载阶段时，梁翼缘一侧开始屈服，另一侧焊缝开始出现裂缝，腹板处无变化，当进入30 mm的第二个循环时，一侧的翼缘焊缝出现了裂纹，腹板处焊缝出现裂纹，当位移进入第3个循环时，裂缝迅速扩展，腹板焊缝也出现裂缝，此时构件已经失去承载能力，节点最后破坏时梁翼缘和腹板焊缝均断裂，最大破坏荷载达到了33.7 k N，与预估值33.5 k N是相吻合的，卸载后，节点有残余变形。试件三破坏过程如图6所示。
4.2试验结果分析
3个试件都经历了弹性、塑性及破坏3个阶段：试件一腹板焊缝未出现裂缝；试件二因为梁腹板有2 mm的裂缝，在加载过程中容易在裂缝处形成应力集中，因此腹板出现了裂缝并很快扩展开来；试件三梁腹板有4 mm的裂缝，梁腹板出现裂缝更早，并且承载力更差，节点很快失去了承载能力。试验结果表明：3个节点破坏都是梁翼缘焊缝出现脆性断裂，同时3个试件的极限承载力很接近，但是试件一塑性变形更大一些，试件三塑性最差，出现破坏的时间也较试件一和试件二提前，说明腹板裂缝是影响结构承载能力的一个重要因素。
5 结论及展望
在试验的基础上对3个试件脆性断裂机理、承载能力、破坏形态以及刚度等特征进行了分析。因为钢结构节点的脆性断裂，大大降低了其承载力，严重影响了钢结构的延性和抗震性能，在低周往复模拟荷载作用下，“强构件，弱节点”的设计原则更容易发生脆性破坏，这在试验中已经得到了检验，因此在今后的设计过程中要遵循“强节点，弱构件”的设计原则，甚至“强节点，强构件”的设计原则，只有这样才能提高结构的抗震性能。节点屈服之前，刚度退化较慢，但一旦屈服，刚度迅速退化，刚度与腹板焊缝裂纹基本成正比例变化。因此加强节点焊缝强度以及焊缝损伤的探测，能有效增大钢结构节点的延性和塑性，提高其抗震性能。
本次试验钢结构节点形式选择比较单一，结论难免存在片面性，本文没有对改进型节点进行研究，但随着现代大跨度及超高层建筑的发展，对此类节点的要求会越来越高，因此对改进型节点的研究将是今后的研究方向。
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