预制钢梁柱连接的抗震性能外文翻译资料

建筑钢结构进展

预制钢梁柱连接的抗震性能

樊兴虎, 于白碧

清华大学土木工程系，中国教育部土木工程安全与耐久重点实验室，北京100084，中国

澳大利亚维多利亚州墨尔本市莫纳什大学土木工程系

文章历史：
2014年4月12日收到

2014年7月12日过审

2014年8月1日可于网上查找
关键词：
梁柱连接 螺栓端板连接 新型盖板连接 准静态实验 抗震性能

本文研究了三种类型的预制钢梁柱连接方式，这些连接方式与普通焊接无钢筋螺栓连接（WUF-B）连接方式不同。准备了具有特定接头配置的全尺寸试样，以确定联合细节对失效模式，极限承载力和延展性的影响。它们在循环载荷下进行测试以进一步研究其抗震性能。实验结果表明，这些连接点在柱子端面上测得的力矩容量达到了梁全塑矩的120％至140％。所有连接类型的最大塑性转动均大于0.025 rad，累计塑性转动为最大塑性转动的20至30倍。通过这种方式，连接类型I和III能够适应0.04弧度的故事偏移角。这些结果证明了极好的接头强度，并且显示了AISC地震规定中用于特殊矩框架（SMF）的I型和III型连接的潜在机会，以及用于中间瞬间框架（IMF）的连接II型的潜在机会。进行有限元分析并与实验结果表现出良好的一致性。发现刚性端板假设对于连接类型I是不合适的，并且在盖板中检测到较高的连接类型II和III的梁裂缝的可能性。
copy;2014 Elsevier Ltd.保留所有权利。

1. 引言

由于其优越的延展性和能量耗散能力，钢框架目前在多层建筑中被广泛用作侧向抗力系统。钢结构框架在抗震设计中的应用可以追溯到20世纪60年代到70年代，当时开始采用焊接。当时的一些建筑物采用非强化的焊接网（WUF-W）连接。然而，由于经济性较高，并且由于循环载荷下WUF-B连接的满意的能量耗散能力，该实践很快演变为无增强的网格式（WUF-B）连接，研究证明[1 ，2]。一般来说，抗震设备要求能量耗散主要发生在梁端，最终发生在柱的基础部分。因此，这些连接应具有足够的强度和旋转刚度，以便在能量耗散区域（如柱的梁端，面板区和基座部分）发生屈服和应变硬化之前最终的骨折。然而，在1994年的北岭和1995年的神户地震中，在钢矩架内的焊缝通孔的脚趾处观察到焊缝金属和基体金属之间意外的脆性破坏[3-5]。在这些地震之后，进行了实验和分析研究以调查这些失败的原因并提供可靠经济能够避免它们的解决方案。这些努力导致了ANSI / AISC 341 [6]的改进，以及开发了用于梁 - 柱连接的新型抗震设计标准，如FEMA-355D [7]。

传统WUF-B连接的改进主要通过两种方式实现。一种是通过改进的焊接技术或修改局部连接细节来减少焊接缺陷和焊缝通孔附近的相关应力集中[8-10]。另一种是通过允许相应的梁产生屈服，将塑料铰链的位置从柱与梁的槽焊缝移开。这个概念是通过加强梁弯曲，如覆盖板，盖板和平板连接[11]，或通过削弱梁截面（RBS）连接[12]中的梁弯曲来实现的。研究结果表明，这些方法在提供令人满意的钢框架连接性能方面是有效的，并且可以避免连接的脆性失效。

之前开发的连接通常是现场制作的。本文研究的三种类型的连接从原型框架中提取，如图1（a）所示。包含这些连接的子装配在工厂预制，然后在现场整合到框架中。如图1（b）所示，I型连接与传统的WUF-W连接相似之处在于，横梁（BFX）通过完整的接头穿透焊接连接到立柱（CF）。不同之处在于：1）梁式腹板（BWX）在连接类型I的每侧上用剪切板（SP）和角度（AG）加强，而WUF-W的仅一侧是连接到剪切板;和2）螺栓连接的端板（EP，BOLT，RIB）位于立柱连接面的附近类型I.此端板连接用于组装。连接类型II如图1（c）所示。强轴（x轴）配置是与I型相同，但没有端板连接，弱轴（y轴）光束闪光（BFY）连接到新颖盖板（CP）沿着长槽，鼻子和内部使用熔接焊接盖板的两侧（见图1（c）。梁网的连接（BWY）在柱网（CW）上的角度（AG）加强两侧。这与传统的弱轴时刻截然不同梁的凸起连接到连续板上的连接具有完整的接头穿透焊接和梁腹板连接到带有接焊缝的剪切板[12]。与连接类型II不同，conIII型是十字形的，如图1（d）所示。它由两部分组成横梁以相同的弱轴配置连接到立柱上如关联类型II。这些类型的联合配置不同于
在ANSI / AISC 358 [13]中预先定义的常用连接，以及允许预制和现场安装。他们的机械性能以前没有很好的研究过。

图1.建议连接的配置和组件：（a）原型框架; （b）连接类型I; （c）连接类型II; 和（d）连接类型III

为了调查他们的抗震性能和失效机理，使用相应的连接类型制作了三个全尺寸束柱样品，并在循环载荷下检查。载重汽车的行驶能力和旋转能力，以及延展性和能量详细讨论了耗散能力。此外，有限元进行分析以与实验结果进行比较并研究连接中几个关键部件的局部应力分布和断裂可能性。 这项工作旨在提供有价值的实验证据并开发可靠的建模方法
用于评估和设计这些特定类型的预制件工程应用的梁与柱连接。

1. 实验计划

2.1物料

热轧部分和几块Q235B低碳钢板用来制造标本。进行拉伸测试使用三种相同的试样用于每种截面或厚板的厚度以获得平均结果。总结结果在表1中，其中εy是屈服应变，εst是屈服平台结束时的应变，fu和εu分别是极限强度和应变。 请注意，测得的屈服强（fy）超过标称值，屈服强度为235MPa。

2.2标本

使用相应的连接准备三个样本上面介绍的类型如图2所示。样本I中的光束是使用10个M30螺栓连接到预制柱树接头10.9级（见图2（a）），而试样II和III都是预制梁和柱作为一个整体（见图2（b）和（C））。 所有标本中使用的梁组件都是热轧的H400times;400times;13times;21截面，柱子组件为a样品I的H500times;500times;16times;25的焊接部分和其他两个标本H700times;500times;20times;35。 所有试样的柱高都为2430mm，两者之间的距离为：顶部和底部的边界约束是2210毫米。 长度在梁末端的加载点和列轴之间被选为样本I为2650毫米，强轴为2750毫米样品II连接，2450mm连接弱轴连接，样品II和III如图2所示。柱高和光束选择长度来表示在两端的加载点，梁作为原型中梁和柱的拐点，如图1（a）所示。

表格1拉伸试验结果

注：H400times;400times;13times;21代表法兰宽度和截面高度等于400mm的H形截面，腹板和法兰厚度分别等于13mm和21mm; L100times;10代表腿长和厚度相等的等腿角部分分别为100毫米和10毫米。

图2.试样：（a）试样I; （b）样本二; 和（c）标本三。

2.3实验装置

加载设置如图3所示，其中一个5000 kN插孔（LC1）用于在柱顶部施加轴向力，并且使用两个750kN交流调谐器（LC2和LC3）在两端施加循环载荷梁。标本I和III为平面关节，并进行了测试加载框颜色浅灰色（见图3）。将样品加载到样品上II作为3D关节，另一个装载框架着色为深灰色（见图3）设置和两个额外的钢梁安装连接两个加载框架（见图3（a）），以确保整体刚度和稳定性。为了模拟引脚支撑，每个柱子的顶端试样通过两根短梁（图3中的红色）固定至限制柱顶端的位移;这些简短梁通过螺栓连接到装载框架下端，该柱被螺栓连接到厚钢板上（见图3）固定在坚固的地板上。同样，在靠近致动器（LC2和LC3）处竖立四个柱以限制梁的横向扭转屈曲，图3（a）和（b）中为绿色。

2.4 加载协议

柱顶部的轴向载荷在此期间保持不变试样I在1000kN，样品II在1500kN，试样II为1500 kN为样本III，由有效地震确定图1（a）所示原型框架中的重量。对于每个标本，通过位移将载荷施加在梁的端部上按照所示的基本加载顺序[14]进行控制在图4中，它可以用屈服位移（Delta;y）。这对应于每个特定人群中显着产量的发生。加载始于Delta;y/ 3和2Delta;y/ 3的一个循环，随后是屈服位移倍数（即Delta;y，2Delta;y，3Delta;y等）的三个周期直到故障或致动器的限制或装载框架估算屈服位移（Delta;y）通过25毫米，20毫米和20毫米的初步有限元分析样品I，II和III分别为20 mm。加载模式从所有规格的柱顶部施加的轴向载荷（LC1）开始（见图2）。轴向负载稳定后，执行器（LC2和LC3，或者仅用于样品I的LC2）用于在梁端上施加不对称位移（即，一个向上，另一个向上向下）。根据图4中的加载程序，向下位移（图2中z方向的负向）在本研究中被定义为位置。

2.5 仪表

标本的仪器由位移组成。换能器如图5所示，单轴和玫瑰花应变计放置在关键位置，如下面的讨论中介绍的那样。应变分布：应该注意的是标本I，两个位移换能器（图5中的delta;8和delta;9）安装在顶部和底部，法兰中心线的光束来推导出由此产生的旋转。螺栓连接的端板。

图3.测试设置：（a）平面图和（b）剖视图（A-A）。

图4.加载阶段

在梁端delta;1测得的垂直位移如图5所示，由连接的刚体运动引起（如测量由delta;2，delta;5），梁本身的变形（由delta;表示），柱面（由delta;3，delta;4测量），面板区域（由delta;6，delta;7测量）和另外，仅用于试件I，螺栓连接的端板连接（如测量由delta;8，delta;9）。 因此，实际的梁端位移delta;应用于执行器从公式（1）：

delta;

其中H是柱的销到销的距离（即2210毫米）所有的样本），L是从装载点到距离的距离列的中心线，如图5所示。根据SA钢铁项目[15]，计算总旋转或层间角theta;由等式（2）：

theta;

参考文献报道的结果。 [16]建议面板的旋转区域theta;pz可以通过

图5.位移传感器的布局

其中bpz和hpz是矩形面板区域面积的尺寸，delta;6和delta;7是面板区变形，如图5所示。旋转theta;col由于柱变形而成:

其中d是连续性板之间的距离，如图5所示。因此,光束旋转theta;beam可以推导为:

此外，由螺栓端板连接产生的旋转样本I中的theta;bep由公式（1）计算（6）：

梁柱连接的塑性旋转theta;p适用于所有可以计算代表非弹性材料位移的样本
由等式 （7）[8,9]：

其中F是施加的载荷，是测量的弹性刚度由F对delta;曲线确定的测试样本（对于delta;，见公式（1））。

1. 实验结果

3.1 实验观察和失败模式

在所有的弹性阶段没有显着的观察标本。 在梁法兰附近的端板（见图1（b）中的EP）（见图1（b）中的BFX）样品I显示出轻微的弯曲变形在3Delta;y位移的第一个周期内。 在这个循环中，螺栓（见图1（b）中的螺栓）在

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