在编制建筑工程装配式轻钢结构活动板房地方性技术规范的过程中了解到, 由于冷弯薄壁构件截面的厚度较薄, 常会出现一些不同于普通钢结构构件的破坏形式, 引起了广大科研、设计人员的重视^[1]。并且《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》 (JG/T 182—2005) ^[2]和《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》 (JGJ 227—2011) ^[3]的颁布也促进了轻钢结构的发展。但设计、施工规程和规范仍跟不上轻钢结构实际发展的需要^[4]。《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GB 50018—2002) ^[5]虽然给出了设计方法, 然而对于具体详细的结构体系的设计特别是抗震性能的相关规定缺少详细条文, 这对于冷弯薄壁型钢房屋的推广十分不利, 尤其是在云南等地震多发地带。为了更好地了解既有冷弯薄壁C型钢房屋的受力性能, 同时为技术规范编制提供相应的支撑, 推动低层冷弯薄壁型钢结构房屋体系的发展和应用, 本文对冷弯薄壁C型钢桁架梁柱节点的受力性能进行了研究。

　　 根据云南某厂现有工程以及前期研究的结果, 选定四种试件作为本次试验对象。参考框架在承受水平荷载时所产生的弯矩反弯点的位置, 试件的端柱长度取实际柱高的1/4, 为1 600mm。桁架梁长度约取实际跨长的1/4, 为1 507mm。柱由两个冷弯薄壁C型钢通过“背对背”焊接组成双肢C型钢。桁架构件均通过焊接连接而成。桁架梁斜向为角钢焊接, 角钢为L30×3。桁架梁、柱上所有冷弯C型钢为C75×35×7.5×1.5。其中, 试件一和试件二梁柱节点通过两个L75×5角钢进行连接, 柱与角钢通过焊接的方式连接, 角钢再与梁通过4个直径为14mm、螺距为12mm的螺栓连接。试件一中角钢与柱采用两侧焊接, 试件二中角钢与柱采用四面围焊, 见图1。

　　 试件三在试件一的基础上将角钢替换为两个尺寸为400mm×160mm、厚度为5mm的矩形节点板, 每个节点板分别与柱和梁焊接, 并用6个螺栓将两个节点板进行连接, 节点板与柱仅在竖向进行焊接。试件四与试件三的不同之处在于节点板与柱的焊接方式, 试件四中节点板与柱采用四面围焊, 具体如图2所示。

　　 以上四种试件中, 所有C型钢的材质均为Q235, 材性试验结果见表1。试件的加工制作过程均在云南某厂中进行, 完成后运至昆明理工大学工程抗震研究中心进行试验。试件二、四比试件一、三多出的焊缝是后期在实验室中进行焊接加工完成的。

　　 试验加载装置如图3所示。试验采用位移控制加载。试验开始至屈服前, 位移控制的步长取2mm, 每级循环三次。屈服后, 步长取4mm, 每级循环三次。试件停止加载的条件为:试件所呈现出的滞回曲线开始下降, 其斜率为负, 或在控制位移加载时, 荷载值降到极限荷载的85%^[6,7]。本次节点试验所用的加载设备及试验装置为50t推拉作动器、X-Y函数记录仪、数据采集仪和位移计。

　　 本节点试验中一共布置了三个位移计, 在节点上、下两处各设置一个位移计 (1号、2号) , 同时为测量桁架梁端头竖向位移设置了位移计 (3号) , 如图4所示。

　　 试件一在加载初期无明显响声和变形。随着位移的逐步增加, 达到14mm (力为0.873 4k N) 时, 试件开始发出“吱吱”的声音。当位移达到20mm (力为1.091 7k N) 时, 观察到节点区域柱发生较小的可恢复变形。当位移加载到30mm (力为1.361 5k N) 时, 下角钢与柱之间的焊缝开裂, 随着位移继续增大, 焊缝开裂严重, 柱变形明显 (图5 (a) ) 。当位移达到60mm (力为1.989 3k N) 时, 柱在上角钢连接处发生破裂, 柱的两个C型钢的翼缘发生局部的屈曲且较为严重, 与角钢接触处柱卷边向外凸出且被撕裂, 导致承载力开始下降 (图5 (b) ) 。

　　 试件二试验现象大致与试件一相似, 但各种试验现象出现时所对应的位移和荷载均比试件一大, 试件二比试件一多出的四条焊缝使其承载力有所提高。另外, 最终破坏时试件二梁端位移达到了70mm, 相对于试件一有了一定的提高。

　　 试件三在试验加载初期没有观察到变化, 逐步加大位移至8mm时, 能够听见“噼啪”声, 位移加大到20mm (力为1.106 0k N) 时, 肉眼可观察到试件发生微小变形。当位移达到24mm (力为1.161 5k N) 时, 两节点板发生鼓起。如图6 (a) 所示, 当位移达到近30mm (力为1.528 4k N) 时, 两节点板发生明显错动。当位移增大至34mm (力为1.611 2k N) 时, 节点处柱开始发生局部屈曲, 与节点板连接处的柱边发生可见变形。位移增大到38mm (力为1.631 1k N) 时, 节点板与柱上下焊接处开裂, 试件发生声响, 如图6 (b) 所示。随着位移的增加, 焊缝开裂明显, 然后裂缝逐步延长, 最终节点板脱离柱, 导致试件破坏, 图6 (c) 为最终破坏图, 此时位移为60mm (力为1.810k N) , 此后随着位移继续增大, 力逐步减小。

　　 试件四位移加载至8mm (力为0.849 1k N) 时, 发出很小的声音。位移达到24mm (力为1.576 8k N) 时, 节点板与柱的上下焊缝开始开裂, 节点板与柱也有较小变形。随着位移继续加载至32mm (力为2.086 4k N) 时, 两个节点板中部出现明显鼓起, 如图6 (d) 所示。位移加载至50mm (力为2.243 4k N) 时, 上下焊缝完全脱落, 节点处柱面已经屈服, 见图6 (e) 。位移继续增加少许时, 发现两个节点板错动较为严重。当位移达到76mm (力为2.621 0k N) 时, 桁架梁上的斜支撑角钢与梁发生脱裂, 如图6 (f) 所示。此后, 位移继续增加的同时, 力却在逐步地减小。

　　 四种试件的荷载-位移滞回曲线如图7所示。试件的滞回曲线图形均从“梭形”发展为“弓形”, “捏缩”现象不太显著, 表现出一定剪力影响的弯剪破坏特征^[8], 具有稳定的地震力吸收能力^[9,10]。加载初期, 节点的刚度变化并不大, 曲线线性上升, 卸载时其残余应变较小, 正反向加载未能形成明显的滞回环, 刚度退化不明显, 节点仍处于弹性阶段, 而且从图中看出, 由于焊缝的增加, 节点的承载力也随之有所增加。随着荷载的增大, 试件进入弹塑性阶段, 滞回环的面积也相应增大。结果表明, 焊缝的增加不仅能够提高试件的承载能力, 还能够提高其极限位移。

　　 各类试件的骨架曲线如图8所示。从四条骨架曲线可以看出, 四周围焊的试件二和试件四的各项指标均大于两侧焊接的试件一和试件三。而对于两侧焊接的角钢连接的试件一和节点板连接的试件三在指标上并没有太大差异。对于四周焊接的试件, 在正向加载时节点板连接的试件指标优于角钢连接的试件, 负向加载时角钢连接的试件优于节点板连接的试件。

　　 所谓承载力退化, 即在位移的幅值不变的情况下, 试件的承载能力随着加载次数的增加而降低的特点。根据《建筑抗震试验方法规程》 (JBJ 101—96) ^[6]中的定义, 用承载力降低系数λ_i来表示本文中试件的承载力退化情况以及趋势, 即:

　　 式中:F_jⁱ为第j次加载位移时第i次加载循环峰值点荷载值;F_j^i-1为第j次加载位移时第i-1次加载循环峰值点荷载值。

　　 图9为试件一至试件四承载力降低系数示意图, 其中加载等级正负代表正反加载方向。由图9可知, 各试件正反向的承载力退化的趋势基本相同, 同级荷载下节点的强度退化不明显。承载力降低系数集中在0.94~0.99之间, 平均值为0.969 3, 表明试件在低周往复循环加载下承载力退化较为稳定, 承载力下降与循环次数之间的关系不大。

　　 图9 承载力降低系数示意

　　 刚度退化是指试件在加载位移幅值不变的情况下, 其刚度随着反复加载次数的增加而降低。本文中试件刚度K_i采用的是割线刚度来表示^[6], 即:

　　 式中:F_i为第i次峰值点荷载值;X_i为第i次峰值点位移值。

　　 试件的刚度退化曲线如图10所示。由图10可知, 试件一至试件四刚度基本呈现线性退化, 且退化明显。随着加载等级增加, 试件刚度从80~110N/mm²之间最终降低到24~40N/mm²。焊接的方式对刚度的影响较为明显, 四面围焊的试件相较于两侧焊接的试件刚度有较大的提高。试件一与试件二、试件三与试件四初始刚度差距较大, 第二加载等级时相差分别达到31%和26%, 随着加载等级的增加, 刚度曲线的差距逐渐缩小, 直至相交。比较角钢和节点板连接发现试件一、试件二分别比试件三、试件四的初始刚度略低, 表明柱用节点板与桁架梁相连接, 较使用角钢连接方式的初始刚度略大。

　　 延性, 即结构或者构件在承载力未明显下降的情况下, 承受塑性变形的能力, 可作为评估以及衡量结构或者构件抗震性能的指标。塑性变形对抗震性能有着重要的影响, 这里的延性就是表示结构塑性变形能力的一个因素^[6,10]。各类试件的延性系数如表2所示。

　　 从表2可以看出, 四种试件正向加载的延性系数在1.62~2.63之间, 反向加载的延性系数在1.50~1.96之间。除试件三外, 其他试件正向加载的延性均比反向加载高, 高出1.15~1.71倍。另外, 焊缝多的试件较焊缝少的试件延性高, 尤其是在试件一、试件二中由焊缝的不同带来的延性差别更为明显。

　　 耗能能力是指结构构件在反复荷载的作用下, 在加载、卸载的时候进行吸收和释放能量, 两者的能量之差就是结构在一次加载、卸载过程中所消耗的能量。而《建筑抗震试验方法规程》 (JBJ 101—96) ^[6]规定试验试件的能量耗散能力是根据荷载-变形的滞回曲线包围的面积来计算, 四种试件的能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数h_e见表3。

　　 由表3可知, 四种试件的等效黏滞阻尼系数在0.150 8~0.186 3之间。四种试件均具有一定的耗能能力, 在地震中能够起到一定的吸收和耗散能量的作用。试件二较试件一的等效黏滞阻尼系数高出8.2%, 试件四比试件三高出11.3%, 这说明焊缝增加对试件的耗能能力有提高作用^[10]。另外, 比较试件一、试件二和试件三、试件四两种不同构造形式的试件发现, 前者的耗能能力较后者的好。

　　 (1) 角钢或节点板与柱采用四面围焊方式的节点的承载能力较高, 焊缝的增加还能够提高节点的极限位移。

　　 (2) 四种试件的承载力退化趋势基本相同, 承载力降低系数均集中于0.94~0.99之间, 承载能力退化较稳定。

　　 (3) 柱四面围焊相较于两侧焊接的刚度有较大的提高, 表明焊接的方式对刚度的影响较为明显, 同时柱用节点板与桁架梁相连接, 较使用角钢连接方式的初始刚度略大。

　　 (4) 试件正向加载的延性系数基本在1.62~2.63之间, 反向加载的延性系数在1.50~1.96之间, 焊缝的不同带来的延性差别更为明显, 焊缝多的试件延性高。

　　 (5) 对于耗能能力, 四周围焊的节点优于两侧焊的节点, 角钢连接的节点优于节点板连接的节点。

　　 (6) 根据试验结果, 建议连接件与梁柱之间采用四周围焊。