波纹腹板H型钢主次梁铰接节点受力性能

范 昕，李国强，周学军，孙飞飞

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300；

3.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；4.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101）

近年来，波纹腹板H型钢以其较高的抗剪屈曲能力和较好的经济性在钢结构领域得到了广泛的应用［1－2］.国内外对波纹腹板H型钢构件的力学性能已进行了较为深入的研究［3－4］，但对波纹腹板H型钢梁连接节点的受力性能的研究还鲜见报道.连接节点的力学性能对于钢结构非常重要，直接影响钢结构整体的安全性、可靠性与经济性［5］.因此针对波纹腹板H型钢这种新型构件的连接节点进行受力性能研究十分必要.

本文对波纹腹板H型钢主次梁铰接节点进行了试验研究，并将各截面的内力分布试验值与理论公式的计算结果进行对比，验证了理论公式在计算各截面内力分布时的可靠性.提出波纹腹板H型钢主次梁铰接节点各部件的实用设计公式，通过将节点各部件的设计承载力与试验承载力的结果进行对比，验证了波纹腹板H型钢主次梁铰接节点设计公式的安全性.

1 试验概况

1.1 试件设计

根据次梁的抗剪承载力进行节点的设计［6］，设计相同的2个节点相互对照，主梁采用的波纹腹板H型钢的型号为CWA800-300×10，即梁翼缘宽300 mm、厚10mm，梁腹板高800mm、厚2mm，次梁采用的波纹腹板H型钢的型号为CWA400-200×10，即梁翼缘宽200mm、厚10mm，梁腹板高400mm、厚2mm.主次梁腹板均采用如图1所示的波形.

图1 波纹腹板H型钢波形几何参数 （单位：mm）Fig.1 Geometric parameters of the H-shape web corrugation（unit：mm）

由于波纹腹板H型钢腹板较薄且为波折形状，故不能直接采用传统的主次梁铰接节点的构造方法.本文参照传统的H型钢主次梁连接节点构造，在波纹腹板H型钢次梁端焊接端板，端板上焊接次梁连接板，借助高强螺栓和贴板将次梁连接板与主梁加劲肋连接，主次梁翼缘之间未作连接，从而实现主次梁的铰接.节点的几何尺寸如图2所示.次梁翼缘与梁端板通过全熔透对接焊缝焊接，波纹腹板与次梁端板通过双面角焊缝焊接，次梁连接板通过双面角焊缝与梁端板焊接，主梁加劲肋和柱翼缘间也通过双面角焊缝焊接，使用2片贴板将主梁加劲肋与次梁连接板通过10.9级M16高强螺栓连接.除高强螺栓外，所有钢材均采用Q235B钢.

图2 节点几何尺寸示意图 （单位：mm）Fig.2 Dimension of the specimens（unit：mm）

1.2 材性试验

拉伸试件为矩形试样，按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》（GB／T2975—1998）［7］从同批钢材中切取，然后根据《金属拉伸试验试样》（GB6397—86）［8］的规定加工成材性试件，加载按照《金属材料室温拉伸试验方法》（GB／T228—2002）［9］的规定进行，测量了钢材的材料性质，包括屈服强度σy、抗拉强度σu和伸长率.材性试验结果如表1所示.

表1 材性试验结果Tab.1 Material test results

1.3 加载方案

试验在同济大学结构试验室的试验台座上进行.试验装置主要包括龙门架、液压千斤顶、压力传感器、应变及位移测量系统等.

试验的加载装置如图3所示，通过两端有锚杆的压梁将主梁固定在试验台座上，以限制主梁梁端的竖向位移和扭转.通过固定在龙门架上的液压千斤顶对次梁施加竖向荷载，从而在次梁中产生剪力.试验现场布置如图4所示.

图3 试验加载装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the test setup

试验前根据《波纹腹板钢结构技术规程》（CECS 291：2011）［10］对次梁按H型钢梁的剪切屈曲承载力进行计算，将计算结果作为预估荷载.根据预估荷载制定加载制度为：预加载阶段以10%预估荷载为一级，共加载三级；正式加载阶段每10kN为一级，两级之间连续加载；进入塑性后，连续加载至破坏.实际控制时根据测点反馈，对分级加载上限进行调整.

图4 试验安装现场照片Fig.4 Site of test setup

1.4 测点布置及测量内容

测量装置主要包括位移计和应变片，用来测量节点的位移及构件各截面的应力分布状况.试验中监测了加载点和支座处的位移，其中，位移计a，b，c分别测量加载点和支座的竖向位移，位移计d测量支座的水平位移.位移计的测点布置见图5a；试验中使用直角应变花测量了试件各截面的应变分布，应变测点布置见图5b.

图5 测点布置图（单位：mm）Fig.5 Arrangement of measuring points（unit：mm）

2 试验结果及与设计公式的对比

2.1 试验现象

2个节点的破坏模式均为波纹腹板H型钢次梁腹板剪切屈曲.节点1的外加荷载达到270kN左右时，波纹腹板屈服；荷载达到326kN时，次梁的波纹腹板发生剪切屈曲，翼缘也有明显变形，承载力下降至290kN左右；继续缓慢加载，位移增长速度加快，当位移达到65mm左右时，试件不能继续承载，破坏状态如图6所示.节点2的外加荷载达到265kN左右时，波纹腹板屈服；荷载达到334kN时，次梁的波纹腹板发生剪切屈曲，翼缘也有明显变形，承载力下降至300kN左右；继续缓慢加载，位移增长速度加快，当位移达到42mm左右时，试件不能继续承载，破坏状态如图7所示.加载过程中除波纹腹板外2个节点均无肉眼可见的破坏，端板未观察到肉眼可见的变形，梁连接板和2片贴板无肉眼可见的破坏，次梁的波纹腹板与端板间的双面角焊缝无破坏.

图6 节点1试验照片Fig.6 Joint 1after loading test

图7 节点2试验照片Fig.7 Joint 2after loading test

2.2 荷载位移曲线与承载力

2个节点的荷载位移曲线如图8所示，试件的屈服荷载、极限荷载和破坏位移如表2所示.由图8可见，相对于节点2，节点1的延性较差，其原因可能是节点2次梁的波纹腹板加工时存在一定的初始缺陷.

表2 试验结果Tab.2 Test results

2.3 各截面剪应力分布

试验中应变测点均使用直角应变花，每个测点得到ε0°，ε45°和ε90°3个应变值，根据平面应变状态［11］分析，有

故剪应变可通过测得的3个应变值求得，进而得到各点的剪应力实测值.

2.3.1 波纹腹板与端板间角焊缝邻近截面剪应力分布

图9，10所示曲线为波纹腹板与端板间角焊缝邻近截面的1，2，3号点的剪应力在线性阶段的分布情况.

图9 节点1梁腹板剪应力分布Fig.9 Shear stress contribution of the web of Joint 1

由图9，10可见，2个节点的位于波纹腹板与端板间角焊缝邻近截面的1号点、2号点、3号点剪应变基本一致，这证明波纹腹板与端板间角焊缝邻近截面的剪力沿截面均匀分布.

图10 节点2梁腹板剪应力分布Fig.10 Shear stress contribution of the web of Joint 2

计算3个测点的剪应变平均值，可得截面的平均剪应力.

波纹腹板H型钢梁的截面剪力主要由波纹腹板承担，且剪力沿波纹腹板近似均匀分布.则梁截面的剪应力设计值为［2］

式中：V为次梁截面设计剪力；hw，tw分别为腹板的高度和厚度.

图11，12分别为节点1，2的次梁腹板平均剪应力的理论值与试验值曲线.由图11，12可见，在弹性阶段，焊缝邻近截面腹板的平均剪应力试验值与理论值很接近，最大相差约10%，因此可以认为在波纹腹板钢梁与端板的连接中，波纹腹板与端板连接的单面角焊缝承受全部剪力，剪力沿截面均匀分布.

图11 节点1角焊缝附近腹板平均剪应力Fig.11 Average shear stress near the fillet weld of Joint 1

2.3.2 次梁连接板与端板焊缝邻近截面剪应力分布

试验中，在2个节点次梁连接板与端板连接角焊缝附近布置了3个测点来测量梁连接板的剪力分布，将剪应力随剪力变化的曲线进行对比，如图13，14所示.

图12 节点2角焊缝附近腹板平均剪应力Fig.12 Average shear stress near the fillet weld of Joint 2

图13 节点1次梁连接板剪应力分布Fig.13 Shear stress contribution of secondary-beamplate of Joint 1

图14 节点2次梁连接板剪应力分布Fig.14 Shear stress contribution of secondary-beamplate of Joint 2

由图13，14可见，5号点剪应力约为4，6号点剪应力的2倍，取5号点作为计算参考点，剪应力理论值计算公式为

式中：V为次梁连接板截面设计剪力；Il，tl，Sl分别为次梁连接板的截面主轴惯性矩、厚度和截面中点面积矩.

图15，16分别为节点1，2的5号点剪应力的理论值与试验值曲线.由图15，16可知，当截面剪力小于250kN时，连接板的应变基本处于线弹性阶段，试验值均与理论值符合较好，说明用理论公式计算可以准确预测这种节点焊缝处的剪应力.

图15 节点1梁连接板5号点剪应力Fig.15 Shear stress of Point 5of Joint 1

图16 节点2梁连接板5号点剪应力Fig.16 Shear stress of Point 5of Joint 2

2.3.3 贴板截面剪应力分布

在贴板上布置3个应变测点，以考察贴片截面的剪应力分布.节点1和节点2的7，8与9号点的剪应力分布曲线如图17，18所示.

图17 节点1贴板剪应力分布Fig.17 Shear stress contribution of connecting plate of Joint 1

图18 节点2贴板剪应力分布Fig.18 Shear stress contribution of connecting plate of Joint 2

由图17，18可见，8号点剪应力约为7，9号点剪应力的2倍，取8号点作为计算参考点，剪应力理论值计算公式为

式中：V为贴板截面设计剪力；It，tt，St分别为贴 板的惯性矩、厚度和面积矩.

图19，20分别为节点1，2的8号点剪应力的理论值与试验值曲线.由图19，20可见，当截面剪力小于250kN时，贴板的应变基本处于线弹性阶段，试验值均与理论值符合较好.

图19 节点1贴板8号点剪应力Fig.19 Shear stress of Point 8of Joint 1

图20 节点2贴板8号点剪应力Fig.20 Shear stress of Point 8of Joint 2

2.3.4 主梁加劲肋剪应力分布

在节点1的主梁加劲肋靠近螺栓孔区域布置3个应变测点，以考察加劲肋靠近螺栓孔附近的应力分布.节点1的10，11与12号点的剪应力曲线如图21所示.可以看出，此区域的剪应力较小，并无应力集中现象，这主要是由于主梁加劲肋较高较厚，因此按照构造设置主梁加劲肋即可满足次梁的传力需求，无需计算.

图21 节点1主梁加劲肋剪应力分布Fig.21 Shear stress contribution of primary beam stiffener of Joint 1

2.3.5 主梁截面剪应力分布

2个节点的主梁加劲肋两侧的波纹腹板上均匀布置3个应变测点，以考察次梁剪力传递到主梁之后主梁波纹腹板的应力分布.2个节点的13，14，15，16，17与18号点的剪应变曲线分别如图22，图23所示.可以看出，沿主梁腹板高度方向剪应变基本上均匀分布.

图22 节点1主梁腹板剪应力分布Fig.22 Shear stress contribution of primary beam web of Joint 1

取15号点作为计算参考点，剪应力理论值计算公式为

式中：V为主梁截面设计剪力；S为主梁腹板的截面积.

图23 节点2主梁腹板剪应力分布Fig.23 Shear stress contribution of primary beam web of Joint 2

图24，25分别为节点1，2的8号点剪应力的理论值与试验值曲线.由图24，25可知，当截面剪力小于250kN时，加劲肋附近的主梁波纹腹板的应变基本处于线弹性阶段，试验值均与理论值符合较好.

图24 节点1主梁腹板15号点剪应力Fig.24 Shear stress of Point 15of Joint 1

图25 节点2主梁腹板15号点剪应力Fig.25 Shear stress of Point 15of Joint 2

3 承载力设计公式

基于试验结果和理论公式，提出波纹腹板H型钢主次梁铰接节点各部件的承载力设计公式.

3.1 次梁连接板承载力

次梁连接板承担次梁传递的剪力，并通过贴板和高强螺栓将剪力传递给主梁加劲肋，次梁连接板的抗剪承载力应按下式验算：

式中：V为次梁连接板截面设计剪力；fv为次梁连接板的抗剪强度；Il，tl，Sl分别为次梁连接板的截面主轴惯性矩、厚度和截面中点面积矩.

根据式（6），计算可得试件的次梁连接板抗剪承载力为449kN，折算为外加荷载为746kN.

3.2 贴板承载力

贴板与高强螺栓将次梁连接板传递的剪力传递给主梁加劲肋，贴板的抗剪承载力应按下式验算：

式中：V为贴板截面设计剪力；fv为贴板钢材的抗剪强度设计值；It，tt，St分别为贴板的惯性矩、厚度和面积矩.

根据式（7），计算可得试件的贴板抗剪承载力为202kN，折算为外加荷载为672kN.

3.3 高强螺栓群承载力

高强螺栓群与贴板将次梁连接板传递的剪力传递给主梁加劲肋，高强螺栓群的抗剪承载力应按下式验算［12］：

式中：V为高强螺栓群截面设计剪力；n为高强螺栓的个数；为一个高强螺栓的抗剪承载力.

根据式（8），计算可得试件的高强螺栓群抗剪承载力为324kN，折算为外加荷载为538kN.

3.4 次梁承载力

在钢框架中，次梁主要承担并传递压型钢板或檩条传递的屋面或楼面荷载，根据《波纹腹板钢结构技术规程》，次梁的抗剪承载力应按下式验算：

式中：V为次梁截面设计剪力；fv为腹板钢材的抗剪强度；hw，tw为分别为腹板的高度和厚度.

根据式（9），计算可得试件的次梁抗剪承载力为112kN，折算为外加荷载为245kN.

由3.1～3.4可知，节点1，2的主次梁铰接节点的承载力由次梁的抗剪承载力控制.实际试验中，试件发生次梁波纹腹板剪切屈曲破坏，主次梁铰接节点的次梁连接板、贴板和高强螺栓完好，与理论相符.试件1，2的屈服荷载分别为270kN与265kN，略大于次梁抗剪承载力计算的折算外加荷载.

4 结论

本文对波纹腹板H型钢主次梁铰接节点进行了试验研究，得到节点的荷载－位移曲线和各截面的内力分布.试验结果表明，在波纹腹板次梁与端板的连接中，波纹腹板与端板连接的双面角焊缝承受全部剪力，剪力沿截面均匀分布；波纹腹板的波折不影响连接板与贴板截面的剪力分布.通过对次梁波纹腹板与端板角焊缝附近截面、次梁连接板截面、贴板截面及主梁截面的内力分布试验值与理论公式的计算结果进行对比，验证了理论公式在计算各截面内力分布时的可靠性.

提出波纹腹板H型钢主次梁铰接节点的次梁连接板、贴板、高强螺栓群及次梁的承载力设计公式，通过对承载力设计公式的计算承载力与试验结果进行对比，验证了波纹腹板H型钢主次梁铰接节点承载力设计公式的有效性.

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