高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究
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资助。 基金项目：国家自然科学基金项目 （ _=<C<8!9 ） 作者简介：石永久 （ ， 男（ 汉族 ） ， 黑龙江鸡东人， 教授。 :=9! ; ） 收稿日期： !88! 年 : 月
美国在
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荷载和位移数据通过传感器获得，应变由应变片测
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试验概况
节点试件设计 本文针对四种型式节点 （ 图 "）进行了试验研究，
第 !3 卷第 3 期 !88! 年 9 月 文章编号： :888 ; 9<9= > !88! ? 83 ; 888! ; 89
建 筑 结 构 学 报 "#$%&’( #) *$+(,+&- ./%$0/$%12
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高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究
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前言
在多高层钢框ห้องสมุดไป่ตู้中典型的刚接梁柱节点型式是梁
翼缘与柱对接焊、梁腹板与柱用高强度螺栓连接。过 去一直认为这种节点具有良好的抗震性能，然而，在 :==@ 年的 7#%/K%+,-1 地震和 :==_ 年的 ‘#\1 地震中， 采用这种节点的钢结构建筑虽然没有倒塌， 却有很 多在节点部位出现了严重的脆性破坏 a : b a ! b 。
得。全部数据采用电测方法获得。
即标准型节点和三种不同构造型式的焊接孔扩大型节 点。 每种节点两个试件， 共完成了 ( 个试件试验。 试件 所用材料为 I#!% 钢，材性试验得到材料的屈服强度 为 #&*JK1， 弹性模量为 #9 * L "*% JK1。 每种型式节点两个试件，区别在于一个试件的连接 板上侧与梁腹板之间附加了一道角焊缝，另一个则没 有。试件的梁柱尺寸都相同。工形梁截面高 $**55， 腹板 翼缘宽 "%*55， 厚 "#55。梁腹板采用 $ 个 "*9 ) 厚 (55； 级 J#* 高强度螺栓通过剪切板与柱翼缘连接。 12 3
图# 6789 # 试验装置布置图 （ 单位： 55） .C= =DE=F75=<?1A B=?GHE , 55 -
加载制度 根据有限元分析，试件的弹性极限荷载约为
"#*34。 加 载 分 两 个 阶 段 ， 弹 性 阶 段 最 大 荷 载 为 采用荷载增量控制， 出现塑性屈服后采用位移 "#*34， 增量控制。为了研究加载次序对试件承载性能的影 响， 试验过程中采用了 $ 种不同加载序列（ 。 其中 表 "） 加载序列 M 为直接在 $#55 位移幅度下加载至试件破 坏。 试件 ./! 和 ./$1 采用加载序列 M， ./" 采用加载序 列 MM， ./#1 采用加载序列 MMM， ./"1、 ./#、 ./!1 和 ./$ 采用加载序列 MN。实际上在试验中， 当梁端水平荷载 加至 "#*34 时已经观察到局部漆皮起皱，即已发生局 部的材料屈服。
石永久， 李兆凡， 陈 宏， 王元清
（ 清华大学土木工程系， 北京 :888<@）
摘要： 本文提出了三种焊接孔扩大型梁柱节点， 完成了 < 个足尺试件在四种反复荷载历程下的破坏试验。对节点破坏模式 和滞回曲线的比较分析表明， 焊接质量是防止节点脆性破坏的首要保证， 明显的焊接缺陷容易导致裂缝过早开始扩展， 从 而降低节点延性和耗能能力。节点局部构造尤其是焊接孔形状尺寸对于节点应力集中情况和节点破坏模式有很大影响。 本文提出的焊接孔扩大型节点可以不同程度地缓解局部应力集中，同时通过采用较长的焊接孔，使节点破坏模式转变为 梁翼缘的局部屈曲， 降低了对接焊缝发生脆性破坏的可能， 对节点延性有较大的改善作用。焊接孔扩大型节点构造也便于 加工制作， 是一种值得推荐的新型节点形式。 关键词：梁柱节点；试验研究；脆性破坏 中图分类号：AB3:C D 5 : AB3=: 文献标识码：E
注： 括号内数字代表荷载 （ 位移 ） 循环次数， 标有试件编号处为该试 件在该阶段破坏。
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试验现象 试验时，首先沿使梁的上翼缘受拉的方向施加水
栓出现滑移， 梁翼缘、 梁腹板、 节点区局部屈服。此后焊接 孔末端梁腹板把上翼缘抵压开裂， 荷载下降， 同时梁下翼 缘被压屈， 对接焊缝开裂。 #$-’ 弹性阶段受压翼缘扭转较 为严重， 梁腹板在靠近剪切板角部出现起皮。 随后翼缘、 腹 板、 剪切板、 节点板域出现局部屈服， 剪切板附加焊缝开 裂， 下翼缘焊缝裂缝突然扩至全翼缘宽， 构件破坏。 #$! 塑性阶段出现明显的节点刚度下降。第一次循 环时就在剪切板两端产生相对转动。 下翼缘开口段平面 外出现扭曲， 此后上翼缘首先压屈， 出现一个半波， 平面 外位移和剪切板滑移增大。 此后两翼缘反复被压屈和拉 直， 最后下翼缘焊缝开裂中止试验。#$!’ 也用位移控制 加载。 剪切板和梁上下翼缘、 梁腹板、 节点域都有起皮。 此后平面外位移不断增大， 两翼缘交替压屈与拉直。梁 腹板在剪切板两角部出现平面外屈曲，剪切板出现滑 移。 最后受拉翼缘全截面拉开， 受压翼缘局部屈曲， 与腹 板交接处开裂， 上下翼缘焊缝都为疲劳破坏。 图 - 为节点破坏的照片，可以看到梁翼缘出现的 局部屈曲现象。 !" $ 破坏模式及影响因素 试验结果分析表明， 影响破坏模式的因素， 主要包括 焊接缺陷、 应力分布状态和应力集中情况。明显的焊接缺
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图 % 节点试件破坏状态 +,(- % +’,./0" 123"4 2& 5*" 46"7,1"84
陷往往是裂缝开始扩展的位置。试件 #$>’ 在上翼缘焊缝 端部焊趾有可见的焊接缺陷，在试验中于此处首先出现 焊缝开裂， 并且随加载过程裂缝不断扩展。最后上翼缘由 于裂缝扩展较快而首先裂开， 使试件失去承载力。 不同的焊接孔形状对节点区附近梁翼缘的应力分布 状况有很大影响， 进而影响试件的破坏模式。 #$) 和 #$)’ 具有较长的焊接孔，梁翼缘在开孔处近似为承受轴向力 的板件， 在往复拉压荷载作用下， 发生了明显的局部屈曲 （ 图 %(、 。 这两个试件在试验中梁翼缘都反复被压曲和 %*） 拉直多次， 最后为翼缘焊缝的疲劳破坏。 滞回曲线均匀饱 满， 没有发生应力集中导致的突然破坏。 在焊接孔根部梁腹板与翼缘相交处普遍出现了应 力集中现象。除 #$) 和 #$)’， 应力集中对其它试件的 破坏都起到了重要的作用。试验中发现，这里较早发 生焊缝开裂，有的试件明显是因为焊接孔末端的裂纹 过大而失效。我国以前普遍采用的梁柱节点形式 （ 以 在焊接孔末端采用四分之一圆形过渡， 使 #$9 为代表） 梁腹板与梁翼缘垂直相交，容易造成焊接孔末端明显 的应力集中。 改进焊接孔的局部形状与尺寸是提高节点延性的 重要措施。美国 $BC 节点研究项目在其报告 +DEB F
平荷载， 然后反复加载。 试件 #$( 由于平面外约束不足，在弹性加载阶段 就出现了扭转， 节点板域有轻微屈服发生。塑性阶段， 焊接孔末端梁腹板与翼缘相接处上翼缘被腹板抵压开 裂。剪切板出现滑移， 破坏时下翼缘几乎全部裂开， 加 载点平面外位移约 *"+。#$(’ 在塑性阶段，腹板受压 侧观察到局部屈曲，梁端加载点平面外位移最大达 剪切板附加焊缝受拉侧明显开裂。最后受拉侧翼 ,"+， 缘焊缝突然破坏， 荷载迅速下降， 梁下翼缘部分拉断， 同时上翼缘被压屈。 #$% 剪切板滑移出现较早，下翼缘焊缝开裂并不 断扩展， 剪切板滑移随之加大。 破坏时裂纹突然扩展至 梁中轴线，同时平面外位移突然增大，#$%’ 弹性阶段 残余变形和平面外位移都很小。 塑性阶段， 最外侧螺栓 首先出现滑移， 不久螺栓滑移加大， 构件突然破坏， 梁 上翼缘焊缝裂开几乎到全翼缘宽，剪切板附加焊缝开 裂几乎至全长， 并有剪切板滑移。 上翼缘下端被压屈。 #$- 采用位移控制加载，第一次循环加载点位移达 约 ( . */ 梁长） ， 荷载为 (!/01 时屈服， 剪切板与螺 !!++（
12 1
试验装置 试验装置和测点布置如图 # 所示。 试件柱平放， 梁
弹性阶段 梁端荷载 2 34 塑性阶段 加载点位移 2 55
# ! $ %
与地面垂直。梁端由水平放置的伺服控制双向千斤顶 施加水平拉、压作用力。试验中在梁端施加循环往复 荷载， 直至构件完全破坏。限于加载条件， 没有施加梁 的轴向荷载。所有试件有相同的梁柱截面尺寸、加载 位置和约束条件。 量测项目包括所施加的荷载、 加载点水平位移、 梁 柱相对转动、 节点域变形、 剪切板相对梁腹板的转动和 平动、沿梁翼缘中线应力分布及梁腹板上应力分布。
!
图" 四种型式节点示意图 （ 单位： 55） 6789 " :;<<=>?7;< @=?17AB , 55 -
试验现象及破坏形态
表 ! 试验加载制度 "#$%& ! ’(#)*+, -./&0&加载序列 " ! —— — —— — —— — —— — + $# , ! ./!0 ./$1 & ’ ( ) "* —— — —— — —— — —— — —— — + !# , # + $# , # + !# , # + ## , # - ./" —— — " + $* , " + (* , " + "** , " + "#* , " + ## , # # + "#* , # + "** , # —— — —— — + !# , # ./#1 + "# , # + !# , # + $# , # + %# , # + &# , # + !# , # - ./!10 ./$ + $# , # - ./"10 ./# + %# , # + &# , # + ’# , # $ + $* , " + (* , " + "** , " + "#* , " + ## , # -
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美国在
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荷载和位移数据通过传感器获得，应变由应变片测
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试验概况
节点试件设计 本文针对四种型式节点 （ 图 "）进行了试验研究，
第 !3 卷第 3 期 !88! 年 9 月 文章编号： :888 ; 9<9= > !88! ? 83 ; 888! ; 89
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高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究
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前言
在多高层钢框ห้องสมุดไป่ตู้中典型的刚接梁柱节点型式是梁
翼缘与柱对接焊、梁腹板与柱用高强度螺栓连接。过 去一直认为这种节点具有良好的抗震性能，然而，在 :==@ 年的 7#%/K%+,-1 地震和 :==_ 年的 ‘#\1 地震中， 采用这种节点的钢结构建筑虽然没有倒塌， 却有很 多在节点部位出现了严重的脆性破坏 a : b a ! b 。
得。全部数据采用电测方法获得。
即标准型节点和三种不同构造型式的焊接孔扩大型节 点。 每种节点两个试件， 共完成了 ( 个试件试验。 试件 所用材料为 I#!% 钢，材性试验得到材料的屈服强度 为 #&*JK1， 弹性模量为 #9 * L "*% JK1。 每种型式节点两个试件，区别在于一个试件的连接 板上侧与梁腹板之间附加了一道角焊缝，另一个则没 有。试件的梁柱尺寸都相同。工形梁截面高 $**55， 腹板 翼缘宽 "%*55， 厚 "#55。梁腹板采用 $ 个 "*9 ) 厚 (55； 级 J#* 高强度螺栓通过剪切板与柱翼缘连接。 12 3
图# 6789 # 试验装置布置图 （ 单位： 55） .C= =DE=F75=<?1A B=?GHE , 55 -
加载制度 根据有限元分析，试件的弹性极限荷载约为
"#*34。 加 载 分 两 个 阶 段 ， 弹 性 阶 段 最 大 荷 载 为 采用荷载增量控制， 出现塑性屈服后采用位移 "#*34， 增量控制。为了研究加载次序对试件承载性能的影 响， 试验过程中采用了 $ 种不同加载序列（ 。 其中 表 "） 加载序列 M 为直接在 $#55 位移幅度下加载至试件破 坏。 试件 ./! 和 ./$1 采用加载序列 M， ./" 采用加载序 列 MM， ./#1 采用加载序列 MMM， ./"1、 ./#、 ./!1 和 ./$ 采用加载序列 MN。实际上在试验中， 当梁端水平荷载 加至 "#*34 时已经观察到局部漆皮起皱，即已发生局 部的材料屈服。
石永久， 李兆凡， 陈 宏， 王元清
（ 清华大学土木工程系， 北京 :888<@）
摘要： 本文提出了三种焊接孔扩大型梁柱节点， 完成了 < 个足尺试件在四种反复荷载历程下的破坏试验。对节点破坏模式 和滞回曲线的比较分析表明， 焊接质量是防止节点脆性破坏的首要保证， 明显的焊接缺陷容易导致裂缝过早开始扩展， 从 而降低节点延性和耗能能力。节点局部构造尤其是焊接孔形状尺寸对于节点应力集中情况和节点破坏模式有很大影响。 本文提出的焊接孔扩大型节点可以不同程度地缓解局部应力集中，同时通过采用较长的焊接孔，使节点破坏模式转变为 梁翼缘的局部屈曲， 降低了对接焊缝发生脆性破坏的可能， 对节点延性有较大的改善作用。焊接孔扩大型节点构造也便于 加工制作， 是一种值得推荐的新型节点形式。 关键词：梁柱节点；试验研究；脆性破坏 中图分类号：AB3:C D 5 : AB3=: 文献标识码：E
注： 括号内数字代表荷载 （ 位移 ） 循环次数， 标有试件编号处为该试 件在该阶段破坏。
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试验现象 试验时，首先沿使梁的上翼缘受拉的方向施加水
栓出现滑移， 梁翼缘、 梁腹板、 节点区局部屈服。此后焊接 孔末端梁腹板把上翼缘抵压开裂， 荷载下降， 同时梁下翼 缘被压屈， 对接焊缝开裂。 #$-’ 弹性阶段受压翼缘扭转较 为严重， 梁腹板在靠近剪切板角部出现起皮。 随后翼缘、 腹 板、 剪切板、 节点板域出现局部屈服， 剪切板附加焊缝开 裂， 下翼缘焊缝裂缝突然扩至全翼缘宽， 构件破坏。 #$! 塑性阶段出现明显的节点刚度下降。第一次循 环时就在剪切板两端产生相对转动。 下翼缘开口段平面 外出现扭曲， 此后上翼缘首先压屈， 出现一个半波， 平面 外位移和剪切板滑移增大。 此后两翼缘反复被压屈和拉 直， 最后下翼缘焊缝开裂中止试验。#$!’ 也用位移控制 加载。 剪切板和梁上下翼缘、 梁腹板、 节点域都有起皮。 此后平面外位移不断增大， 两翼缘交替压屈与拉直。梁 腹板在剪切板两角部出现平面外屈曲，剪切板出现滑 移。 最后受拉翼缘全截面拉开， 受压翼缘局部屈曲， 与腹 板交接处开裂， 上下翼缘焊缝都为疲劳破坏。 图 - 为节点破坏的照片，可以看到梁翼缘出现的 局部屈曲现象。 !" $ 破坏模式及影响因素 试验结果分析表明， 影响破坏模式的因素， 主要包括 焊接缺陷、 应力分布状态和应力集中情况。明显的焊接缺
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图 % 节点试件破坏状态 +,(- % +’,./0" 123"4 2& 5*" 46"7,1"84
陷往往是裂缝开始扩展的位置。试件 #$>’ 在上翼缘焊缝 端部焊趾有可见的焊接缺陷，在试验中于此处首先出现 焊缝开裂， 并且随加载过程裂缝不断扩展。最后上翼缘由 于裂缝扩展较快而首先裂开， 使试件失去承载力。 不同的焊接孔形状对节点区附近梁翼缘的应力分布 状况有很大影响， 进而影响试件的破坏模式。 #$) 和 #$)’ 具有较长的焊接孔，梁翼缘在开孔处近似为承受轴向力 的板件， 在往复拉压荷载作用下， 发生了明显的局部屈曲 （ 图 %(、 。 这两个试件在试验中梁翼缘都反复被压曲和 %*） 拉直多次， 最后为翼缘焊缝的疲劳破坏。 滞回曲线均匀饱 满， 没有发生应力集中导致的突然破坏。 在焊接孔根部梁腹板与翼缘相交处普遍出现了应 力集中现象。除 #$) 和 #$)’， 应力集中对其它试件的 破坏都起到了重要的作用。试验中发现，这里较早发 生焊缝开裂，有的试件明显是因为焊接孔末端的裂纹 过大而失效。我国以前普遍采用的梁柱节点形式 （ 以 在焊接孔末端采用四分之一圆形过渡， 使 #$9 为代表） 梁腹板与梁翼缘垂直相交，容易造成焊接孔末端明显 的应力集中。 改进焊接孔的局部形状与尺寸是提高节点延性的 重要措施。美国 $BC 节点研究项目在其报告 +DEB F
平荷载， 然后反复加载。 试件 #$( 由于平面外约束不足，在弹性加载阶段 就出现了扭转， 节点板域有轻微屈服发生。塑性阶段， 焊接孔末端梁腹板与翼缘相接处上翼缘被腹板抵压开 裂。剪切板出现滑移， 破坏时下翼缘几乎全部裂开， 加 载点平面外位移约 *"+。#$(’ 在塑性阶段，腹板受压 侧观察到局部屈曲，梁端加载点平面外位移最大达 剪切板附加焊缝受拉侧明显开裂。最后受拉侧翼 ,"+， 缘焊缝突然破坏， 荷载迅速下降， 梁下翼缘部分拉断， 同时上翼缘被压屈。 #$% 剪切板滑移出现较早，下翼缘焊缝开裂并不 断扩展， 剪切板滑移随之加大。 破坏时裂纹突然扩展至 梁中轴线，同时平面外位移突然增大，#$%’ 弹性阶段 残余变形和平面外位移都很小。 塑性阶段， 最外侧螺栓 首先出现滑移， 不久螺栓滑移加大， 构件突然破坏， 梁 上翼缘焊缝裂开几乎到全翼缘宽，剪切板附加焊缝开 裂几乎至全长， 并有剪切板滑移。 上翼缘下端被压屈。 #$- 采用位移控制加载，第一次循环加载点位移达 约 ( . */ 梁长） ， 荷载为 (!/01 时屈服， 剪切板与螺 !!++（
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试验装置 试验装置和测点布置如图 # 所示。 试件柱平放， 梁
弹性阶段 梁端荷载 2 34 塑性阶段 加载点位移 2 55
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与地面垂直。梁端由水平放置的伺服控制双向千斤顶 施加水平拉、压作用力。试验中在梁端施加循环往复 荷载， 直至构件完全破坏。限于加载条件， 没有施加梁 的轴向荷载。所有试件有相同的梁柱截面尺寸、加载 位置和约束条件。 量测项目包括所施加的荷载、 加载点水平位移、 梁 柱相对转动、 节点域变形、 剪切板相对梁腹板的转动和 平动、沿梁翼缘中线应力分布及梁腹板上应力分布。
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图" 四种型式节点示意图 （ 单位： 55） 6789 " :;<<=>?7;< @=?17AB , 55 -
试验现象及破坏形态
表 ! 试验加载制度 "#$%& ! ’(#)*+, -./&0&加载序列 " ! —— — —— — —— — —— — + $# , ! ./!0 ./$1 & ’ ( ) "* —— — —— — —— — —— — —— — + !# , # + $# , # + !# , # + ## , # - ./" —— — " + $* , " + (* , " + "** , " + "#* , " + ## , # # + "#* , # + "** , # —— — —— — + !# , # ./#1 + "# , # + !# , # + $# , # + %# , # + &# , # + !# , # - ./!10 ./$ + $# , # - ./"10 ./# + %# , # + &# , # + ’# , # $ + $* , " + (* , " + "** , " + "#* , " + ## , # -
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