钢框架梁柱焊接节点超低周疲劳试验
简述：
为研究不同的梁柱连接构造细节、加载制度对节点超低周疲劳性能的影响，开展了三类梁柱焊接节点试件的超低周循环加载试验，分析了焊接节点的裂纹起始位置和扩展特性，进而揭示断裂破坏机理。
试验方案：
（1）试件设计
对于钢框架梁柱焊接节点试件，选用“强柱弱梁”设计，粱截面：H350mm×150mm×8mm×12mm，柱截面：H450mm×250mm×12mm×16mm，如图1所示。梁柱母材均选用Q345B钢材，梁的翼缘腹板与柱翼缘的连接均采用全熔透破口焊（CJP），ER50-6焊丝，焊缝等级为一级。在梁翼缘与柱翼缘焊接完成后，切除垫板，清除焊根并用角焊缝补焊。
图1 梁柱焊接节点示意图
设计了3种不同构造措施的节点试样，其几何尺寸如图2－图4所示。第一种节点试样（GJ）设有焊接孔，并且焊接孔的形状选用《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》8.3.4条的推荐形式；第二种节点试样（LJ）焊接孔的孔形采用两种长圆孔形式；第三种节点试样（LJR）仍采用长圆孔形状的焊接孔形，但在梁翼缘处采用加肋板的形式。
图2 规范推荐焊接孔形的梁柱节点（GJ） |
图3 长圆孔焊接孔形的梁柱节点（LJ） |
图4 翼缘肋板加强型梁柱焊接节点（LJR） |
（2）加载方案
本次试验在同济大学建筑结构试验室多功能加载试验台座上进行，试验加载的三维示意图和实景图如图5、图6所示。试件沿着东西方向水平放置，用压梁将柱的两端固定在自平衡反力架上，柱一端支撑于反力架，另一端通过1000kN的千斤顶施加柱轴力，预加柱轴力450kN，柱子轴压比为0.1。梁端通过伺服作动器施加循环载荷，伺服作动器加载中心距柱翼缘的高度为1300mm。为防止节点试件在加载过程中出现平面外失稳或其他意外，试件的南北两侧均布置了侧向支撑。
图5 梁柱焊接节点超低周疲劳试验加载三维示意图 图6 梁柱焊接节点超低周疲劳试验加载装置实景图
试件编号及加载制度如表1所示，图7分别给出了滞回加载制度、等幅加载制度和随机加载制度，其中dy为屈服位移，dy=16.5mm，另外，表2给出了随机加载制度具体的位移控制参数。
表1 梁柱焊接节点的加载制度
梁柱焊接节点编号 |
加载制度 |
GJ-H |
滞回循环加载 |
GJ-C |
等幅循环加载 |
LJ-H |
滞回循环加载 |
LJ-R |
随机循环加载 |
LJR-H |
滞回循环加载 |
（a） 滞回循环加载制度 |
（b） 等幅循环加载制度 |
（c） 随机循环加载制度 |
|
图7 梁柱焊接节点的加载制度
表2 随机循环加载制度的位移控制参数
循环 次数 |
位移/mm |
循环 次数 |
位移 /mm |
循环 次数 |
位移 /mm |
循环 次数 |
位移 /mm |
|||
0 |
0.00 |
5.25 |
1.54 dy |
10.75 |
-0.75dy |
16.25 |
1.05dy |
|||
0.25 |
0.79dy |
5.75 |
-1.34dy |
11.25 |
0.56 |
16.75 |
-1.50dy |
|||
0.75 |
-1.19dy |
6.25 |
-0.21dy |
|
-2.85dy |
|
|
|||
|
1.42dy |
6.75 |
-0.63dy |
12.25 |
-0.78dy |
17.75 |
-2.32dy |
|||
1.75 |
-1.59dy |
7.25 |
0.72dy |
12.75 |
-3.61dy |
18.25 |
0.74dy |
|||
2.25 |
1.69dy |
7.75 |
-1.98dy |
13.25 |
1.62 dy |
18.75 |
-2.98dy |
|||
2.75 |
0.89dy |
8.25 |
1.78dy |
13.75 |
-2.73dy |
19.25 |
0.60dy |
|||
3.25 |
1.27dy |
8.75 |
-2.19dy |
14.25 |
0.45dy |
19.75 |
-3.10dy |
|||
3.75 |
-1.88dy |
9.25 |
1.22 dy |
14.75 |
-3.04dy |
|||||
4.25 |
0.37dy |
9.75 |
-2.57dy |
15.25 |
1.76dy |
|||||
4.75 |
-1.65 |
10.25 |
1.30 dy |
15.75 |
-1.37dy |
试验现象：
试验观察和破坏现象
图8给出了GJ类节点裂纹易起裂的位置，LJ类节点易起裂的位置与GJ类节点类似，LJR节点裂纹易起裂的位置如图9所示。表3总结了焊接节点破坏过程中的裂纹起裂位置、相应的循环周次以及节点最终破坏时的循环周次。
对于GJ类节点和LJ类节点，随着往复加载的增加，在一侧焊接孔梁翼缘焊趾处先产生裂纹。裂纹随着循环加载的进行沿着翼缘的厚度方向逐步扩展，当裂纹穿透翼缘壁厚后，裂纹沿着翼缘的厚度方向迅速扩展，最终贯穿整个翼缘截面。每个节点最终的破坏特征以及断面处的裂纹扩展特征如图10－图13所示。
对于LJR类节点，节点进入塑性循环后，两侧翼缘和加肋板上的油漆产生开裂脱落现象。随着加载幅值的增加，两侧加肋板梁翼缘处产生裂纹，两侧的翼缘和腹板相继进入屈曲状态，裂纹扩展缓慢，但屈曲程度越来越严重。当梁端水平荷载最大值降至整个加载过程峰值的85%以下时结束试验。节点的最终破坏特征如图14所示。
表3 焊接节点试件的破坏位置和特征循环周次
节点编号 |
裂纹起裂位置 Ni/cycle |
裂纹起裂时循环周次 Ni/cycle |
节点最终破坏时的循环周次 Nf/cycle |
GJ-H |
焊接孔B梁翼缘焊趾 |
8 |
11 |
LJ-H |
焊接孔C梁翼缘焊趾 |
9 |
12 |
GJ-C |
焊接孔B梁翼缘焊趾 |
5 |
9 |
LJ-R |
焊接孔C梁翼缘焊趾 |
9 |
13 |
LJR-H |
两侧加肋板梁翼缘焊趾 |
12 |
19 |
（a）焊接孔A （b）焊接孔B
图8 GJ类梁柱焊接节点裂纹可能起始的位置
（a） 焊接孔C （b）焊接孔D
图9 LJR类梁柱焊接节点裂纹可能起始的位置
（a）整体破坏图 （b）焊接孔B侧翼缘断面图
图10 GJ-H节点试件最终破坏图
（a）整体破坏图 （b）焊接孔C侧翼缘断面图
图11 LJ-H节点试件最终破坏图
（a）整体破坏图 （b）焊接孔B侧翼缘断面图
图12 GJ-C节点试件最终破坏图
（a）整体破坏图 （b）焊接孔C侧翼缘断面图
图13 LJ-R节点试件最终破坏图
（a）整体破坏图 （b）D侧加肋板梁翼缘焊趾处的裂纹
图14 LJR-H节点试件最终破坏图
试验数据：
| 主要数据 | |
每个梁柱焊接节点粱端的荷载－位移曲线如图15－图19所示。 |
|
图15 GJ-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 |
图16 LJ-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 |
图17 GJ-C梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 |
图18 LJ-R梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 |
图19 LJR-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 参考文献： 关联文献及联系作者 ： 以下文献公布了此项试验的部分关联数据。(The papers/literatures following have published the relating data of this research.) 黄学伟. 地震作用下梁柱焊接节点超低周疲劳断裂试验研究与损伤预测分析. 同济大学. 博士论文. 2015. Lewei Tong, Xuewei Huang, Feng Zhou, Yiyi Chen. Experimental and numerical investigations on extremely low cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints. Journal of Constructional Steel Research. (审稿中) 联系作者： 童乐为（Lewei Tong） Tel.: +86 21 65986551; fax: +86 21 6598 6345. tonglw@tongji.edu.cn |
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图19 LJR-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 参考文献： 关联文献及联系作者 ： 以下文献公布了此项试验的部分关联数据。(The papers/literatures following have published the relating data of this research.) 黄学伟. 地震作用下梁柱焊接节点超低周疲劳断裂试验研究与损伤预测分析. 同济大学. 博士论文. 2015. Lewei Tong, Xuewei Huang, Feng Zhou, Yiyi Chen. Experimental and numerical investigations on extremely low cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints. Journal of Constructional Steel Research. (审稿中) 联系作者： 童乐为（Lewei Tong） Tel.: +86 21 65986551; fax: +86 21 6598 6345. tonglw@tongji.edu.cn |
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图19 LJR-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 参考文献： 关联文献及联系作者 ： 以下文献公布了此项试验的部分关联数据。(The papers/literatures following have published the relating data of this research.) 黄学伟. 地震作用下梁柱焊接节点超低周疲劳断裂试验研究与损伤预测分析. 同济大学. 博士论文. 2015. Lewei Tong, Xuewei Huang, Feng Zhou, Yiyi Chen. Experimental and numerical investigations on extremely low cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints. Journal of Constructional Steel Research. (审稿中) 联系作者： 童乐为（Lewei Tong） Tel.: +86 21 65986551; fax: +86 21 6598 6345. tonglw@tongji.edu.cn |
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图19 LJR-H梁柱焊接节点超低周循环加载下的荷载-位移曲线 |
参考文献：
关联文献及联系作者 ：
以下文献公布了此项试验的部分关联数据。(The papers/literatures following have published the relating data of this research.)
黄学伟. 地震作用下梁柱焊接节点超低周疲劳断裂试验研究与损伤预测分析. 同济大学. 博士论文. 2015.
Lewei Tong, Xuewei Huang, Feng Zhou, Yiyi Chen. Experimental and numerical investigations on extremely low cycle fatigue fracture behavior of steel welded joints. Journal of Constructional Steel Research. (审稿中)
联系作者：
童乐为（Lewei Tong）
Tel.: +86 21 65986551; fax: +86 21 6598 6345. tonglw@tongji.edu.cn
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