T型钢连接钢框架抗震性能试验研究*

 王新武  孙海粟

 （洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳471023）

摘  要：半刚性连接具有施工方便、受力合理等优点，已逐渐应用在工程中。通过一个两层T型钢连接平面钢框架模型的拟静力试验，研究了此框架中剖分T型钢连接的变形情况、空间钢框架的耗能特性、变形特征、塑性铰出现顺序、钢框架破坏模式等，从而得到半刚性连接平面钢框架的抗震性能。结果表明：T型钢连接钢框架具有较好的变形能力和承载能力，非常适合在地震区中应用。

关键词：T型钢连接；半刚性连接；钢框架；抗震性能；拟静力试验

DOI:10. 13206/j.gjg201606002

 在美国北岭地震和日本阪神地震后，高强螺栓梁柱连接得到广泛研究。此类连接主要通过高强螺栓、连接件（角钢、端板、T型钢等）将梁、柱连接在一起，其性能处于刚性连接和铰接之间，称之为半刚性连接。半刚性连接因为不需要在现场施焊，施工质量容易保证，受力明确，因此在工程中已有应用，但半刚性连接钢框架的各种受力性能还不是十分明确，因此很有必要对其进行深入研究。T型钢半刚性连接被认为是一种连接刚度较大的半刚性连

接之一，因此本文针对T型钢连接钢框架进行试验研究，以期获得T型钢连接钢框架的耗能机制和破坏机理等受力性能。

1试验概况

1.1  试验目的

 通过对T型钢连接钢框架低周反复加载试验，得到T型钢半刚性连接钢框架的抗震性能和钢框架在低周循环荷载作用下的破坏机理。

1.2  钢框架的设计概况

 根据现行JGJ  101-96《建筑抗震试验方法规程》、GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》和GB 50017-2003《钢结构设计规范》以及所具备的试验设备条件和试验模型，并参照常用的民用建筑层高、梁柱断面尺寸和柱网等，本次试验模型设计为缩尺比例1：2的单跨、单榀、两层的型钢半刚性连接钢框架试验模型，一层和二层楼面标高分别为2. 250 m和2.000 m，跨度为3.0 m，试验模型及现场如图1所示。梁柱连接采用T型钢高强螺栓连接，T型钢由Q235B材质的H型钢剖分而成，具体尺寸如图2所示。梁和柱均采用Q235B热轧H型钢，梁截面为HM194 x150 x6 x9;柱截面为HW175 ×175×8×11;T型钢连接件截面为TN250×200×10×16，每段长150 mm。螺栓采用10.9级M16摩擦型连接高强螺栓。

1.3钢材材性试验

 材性试验的试样分别从与框架中柱、梁同一批热轧H型钢的腹板和翼缘上截取的，通过单轴拉伸试验得到各个试样的应力一应变曲线及主要材料参数，具体数值见表1。

1.4  试验加载装置及应变量测

 本试验系统装置由试验试件，反力墙，伺服加载系统，数据采集系统等组成。试验过程中配置了1个1 000 k N水平方向作动器，在顶层梁端施加水平荷载，试验现场框架结构及加载位置如图1所示。试验中通过内置位移计和外置位移计测得框架的位移响应和框架各测点的位移，在梁柱连接处梁翼缘、柱翼缘，剖分T型钢、柱脚等关键部位粘贴应变片，利用静态应变仪来量测各部位的应变，从而来对整个空间钢框架进行受力分析。

1.5  加载方案

 利用电液伺服加载系统对钢框架施加低周反复荷载。首先利用荷载控制的加载方式对T型钢连接钢框架进行预加载，测试试验装备能否正常加载，对试验的量测仪器进行标定，同时观察试件的反应。检查正常后对钢框架模型采用荷载控制的方式进行正式加载，每级加载10 kN，持续15 min，循环2次，观察钢框架的刚度以及荷载一位移曲线变化情况，直至某一节点区域的应变接近屈服应变，进行缓慢加载，测得钢框架某一节点处应变发生屈服时对应的位移值，即为钢框架的屈服位移，然后利用位移控制的加载方式进行分级循环加载。本次试验的屈服

给钢框架的最大位移为143 mm，每级循环2次。加载制度如图3所示。

2  试验结果及分析

2.1试验现象及破坏形态

 在对T型钢连接钢框架进行低周反复加载的过程中，当施加给钢框架的位移达到△y、2△y、3△y时，其荷载-位移曲线形成的环面积较小，基本呈直线形状，表明虽然钢框架某些区域应变已达到屈服应变，但钢框架整体性能仍呈弹性状态。试验进行过程中加载到△y、2△y时钢框架基本无响声，但在加载到3△y 时钢框架开始出现微小响声。随着对钢框架持续加载，节点区域的应变不断增大，其中加载端底层梁上翼缘T型钢处应变最大，在钢框架的顶层位移达到4△y 即位移达到57.2mm时，钢框架发出较大响声，此时最大应变达到11.054×10-3，当位移回到0时，钢框架的节点区域出现残余应变，说明钢框架已屈服，此时1区T型钢连接件被拉开。当施加给钢框架的位移达到5△y 即71.5 mm时，加载端底层梁上翼缘T型钢翼缘与柱拉开分离-定位移，T型钢屈曲，恢复至0即回到平衡位时，钢框架发出的响声最大。当施加给钢框架的位移达到8△y 即114.4 mm时，钢框架节点区域T型钢与柱翼缘之间缝隙较大，T型件翼缘和腹板连接处完全屈曲，钢框架发生平面外失稳。当钢框架顶层位移达到10△y 即143 mm时，由于发生平面外失稳而发生扭转破坏，此时柱脚屈服，柱子表面镀层剥落，试验终止。试验终止时框架的最终破坏形态如图4所示。

2.2应变变化

 表2为钢框架某些关键区域最大应变值。可以看出，整个框架中T型钢腹板及翼缘处应变发展较快，其中，T型钢翼缘处发展最快，当在△y时，非加载端顶层梁下翼缘T型钢翼缘处应变已达到2. 359×10-3，表明T型钢已屈服，到4△y 时，加载端底层梁上翼缘T型钢翼缘处应变已达到11. 054×10-3。在此类连接钢框架中，T型钢首先发生屈服。

 而连接处梁翼缘上的应变到试验终止时，即10△y 时，应变也只有0.596×10-3，远没有屈服，梁柱连接附近柱上、下翼缘外侧当到达10△y 时，最大应变也只有1. 389×10-3，还没有达到屈服应变。从整体来看，在剖分T型钢梁柱连接空间钢框架受到低周反复荷载作用时，T型钢倒角处首先发生屈服，连接附近梁上、下翼缘以及柱上、下翼缘在试验终止时也没有屈服，因此此类连接钢框架并没有达到抗震设计规范中规定的“强节点弱构件”、“强柱弱梁”设计原则。

2.3  荷载-位移滞回曲线

 根据试验中的钢框架的顶层荷载和顶层位移，得到钢框架的顶层荷载-顶层位移滞回曲线，如图5所示。可以看到，加载初期，荷载-位移曲线呈线性，随着加载进行，非线性特征非常明显，整个滞回曲线饱满，呈梭形，曲线中部出现捏缩和抖动现象，这主要是由于连接件比较多，钢框架在加载的过程中连接件之间会产生一定的滑移。从滞回曲线整体形状可以看出钢框架具有较好的塑性变形能力、抗震性能和耗能能力。

2.4  骨架曲线

 将滞回曲线上同向（推或拉）的每级荷载极值点依次相连得到的包络曲线，即是骨架曲线，如图6所示。可以看到，钢框架在低周反复荷载作用下经历了弹性阶段、屈服阶段和强化阶段后进入到下降阶段，结构塑性变形得到了充分发展，且在加载过程中，钢框架的正向承载力（推）大于反向承载力（拉）。钢框架出现屈服前，荷载-位移曲线基本呈线性，此时钢框架的受力性能仍处于弹性阶段。随持续加载，滞回曲线出现拐点，但仍处于上升阶段，

说明T型钢发生塑性变形，进入强化阶段，顶层荷载-位移骨架曲线中最大位移为143 mm，远远超过GB 50017-2003规定的侧向位移的限值，因此T型钢连接钢框架具有良好的变形能力。

2.5  延性与耗能性能

 试验终止时，最终的侧向位移已达到10倍屈服位移，因此可以得出T型钢连接平面钢框架的延性系数为10.0，大于GB 50011-2010规定框架结构延性系数达到4.0的抗震要求，说明T型钢连接钢框架的延性性能很好，具有可靠的变形能力以及较好的抗震性能，适用于抗震设防地区。

 通过计算单个最大滞回环的面积计算结构的耗能系数，得到T型钢连接平面钢框架的耗能系数为0. 764，非常接近1，表明T-型钢连接钢框架的耗能性能较好，具有良好的抗震能力。

3  结  论

 本文通过对T型钢连接平面钢框架的拟静力试验，可以得出以下结论：

 1)在低周反复荷载作用下，钢框架节点处的T型钢连接件首先屈服形成塑性铰，从而使梁、柱内力重分布，梁、柱一般不会发生屈服。

 2)T型钢连接钢框架的滞回曲线形状饱满，耗能系数较大，钢框架的侧向变形能力较好。

 3)对于半刚性连接平面钢框架，在没有任何侧向支撑的情况下，很容易发生平面外失稳，引起柱局部屈曲，从而导致钢框架失去承载力。