一種裝配式鋼結構農村住宅的梁柱節(jié)點研究

楊帆 王鑫 杜長虹

摘 要：通過擬靜力試驗，驗證了設計的裝配式鋼結構農村住宅的梁柱節(jié)點具有一定的承載能力、較好的延性以及很好的耗能性能。

關鍵詞：裝配式鋼結構梁柱節(jié)點；抗震性能；耗能性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.091

1 引言

在我國近幾年的地震中，農村住宅破壞比較嚴重，給人民的生命財產帶來了巨大的損失。鋼結構抗震性能好，節(jié)能環(huán)保，易于模塊化，受到了人們的推崇。裝配式鋼結構易于拆裝，工業(yè)化生產，裝配化施工，是現階段我國重點推行的綠色建筑。張愛林等在《工業(yè)化裝配式高層鋼結構新體系關鍵問題研究和展望》[1]中研發(fā)了工業(yè)化裝配式高層鋼結構多種新體系以及新節(jié)點和新構造。孫曉陽等在《某預制全裝配式框架結構節(jié)點抗震性能有限元分析》[2]中結合國內首個預制全裝配式公建項目，選取典型框架處3種具有代表性的關鍵空間節(jié)點進行節(jié)點抗震性能分析。郝際平等在《綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用》[3]中總結了傳統(tǒng)鋼結構形式為基礎的改進型建筑體系，模塊化新型建筑體系和工業(yè)化住宅建筑體系研究與應用。

本文根據設計規(guī)范設計出適于西北農村鋼結構住宅的裝配式節(jié)點，并設計試驗驗證此節(jié)點滿足承載能力和抗震性能。

2 節(jié)點構造及設計

2.1 節(jié)點構造

適于農村鋼結構住宅的裝配式節(jié)點構造如圖1所示?？蚣苤鶠镠型鋼，框架梁為寬翼緣H型鋼，采用角鋼連接柱和梁，其中角鋼與柱連接部分采用焊接，與梁連接部分采用普通螺栓接。柱與角鋼連接在工廠預制好，與梁連接部分在現場安裝，實現施工方便。其中焊縫尺寸和螺栓間距、布置均符合鋼結構規(guī)范的要求。

2.2 節(jié)點設計

根據裝配式梁柱節(jié)點的設計和構造要求，梁和柱選擇Q345鋼，焊縫采用E43型，螺栓采用直徑為20mm的普通螺栓?？蚣苤x擇H300×300×10×15，梁選擇H250×250×9×14，角鋼選擇200×125×12，焊腳尺寸8mm，螺栓邊距40mm，螺栓中心間距，60mm。

3 試驗設計

本次試驗首先在試件柱頂端施加恒定軸向力500KN、700KN、900KN，柱底端放置球鉸。然后在兩側懸臂梁端施加豎向反對稱荷載，來模擬地震荷載，加載示意圖圖2。加載荷載，試件處于彈性階段，設計荷載之前分兩級，達到設計荷載之后，荷載加載步數變小，每次加載10KN，每級循環(huán)兩次。試件進入塑性屈服階段后，改為位移控制加載，以屈服位移的倍數為位移增量步長，逐級進行循環(huán)加載，每級循環(huán)2次，加載至破壞，試驗結束。

為了獲得節(jié)點在試驗過程中的變化，在節(jié)點上布置了許多的傳感器。傳感器布置在節(jié)點端部梁的上翼緣、下翼緣和腹板，柱與梁連接上、下翼緣處。在梁、柱翼緣之間設置斜向位移計，來測量梁柱的相對轉角。

4 試驗現象

觀察試驗中節(jié)點處應變的變化，當多個測量點的應變達到屈服應變1.5×10-3時，認為對應時刻位移計的讀數即為節(jié)點的屈服位移。經監(jiān)測發(fā)現，當試件柱頂端施加恒定軸向力500KN、700KN、900KN，節(jié)點的屈服位移分別為△1=7.26mm、△2=6.51mm、△3=5.66mm。

觀察試驗中節(jié)點處應變變化，加載初期節(jié)點處于彈性階段，卸載后幾乎沒有殘余變形，節(jié)點呈彈性性質。當繼續(xù)加載位移計數為約為2倍屈服位移時，節(jié)點處I字型梁上翼緣出現細微縫隙；當加載至位移計數約4倍屈服位移時，試件翼緣與柱翼緣相交處的間隙增加，間隙寬度約為 1.7 mm，可以明顯看到空隙；當加載至位移計數約5倍屈服位移時，梁上翼緣被拉離柱翼緣達4.1 mm；繼續(xù)加大荷載，試件變形繼續(xù)加大，最大縫隙寬度達9 mm，繼續(xù)加大荷載，變形過大，試驗停止。

5 結果分析

5.1 荷載-位移曲線

依據位移計數器數據，繪制了節(jié)點在反復荷載作用下力與位移計讀數關系的荷載-位移曲線，即滯回曲線，如圖3。由圖可知：滯回曲線穩(wěn)定飽滿，說明該節(jié)點耗能能力良好。加載初期耗能大；隨著荷載的增加，位移達到屈服位移，耗能變??；荷載繼續(xù)增加耗能又變大。這說明節(jié)點剛進入塑性時，局部發(fā)生較大變形，耗能減小，荷載繼續(xù)增加，節(jié)點各部分均進入塑性，耗能增強。

5.2 延性

結構、構件或截面的延性是指從屈服到破壞的變形能力。延性是反映結構、構件或截面抗震能力的一個重要指標。延性越好，抗震能力越強。延性通常用延性系數來表達的。取位移延性系數為屈服位移值，為極限位移值。由試驗數據得到，柱頂軸向力分別為500KN、700KN、900KN時，位移延性系數分別為15.3、13.2、11.5。不同軸力作用下節(jié)點的延性系數均大于10，說明節(jié)點有很好的延性。同時隨著軸壓比的增加，節(jié)點的延性降低。

6 結論

（1）通過試驗得出此裝配式鋼節(jié)點，在梁端反復荷載作用下具有較高的承載力和良好的延性，耗能能力較好。

（2）隨著軸壓比增加，節(jié)點的延性降低，耗能能力降低。

（3）通過對試驗測得應變值分析發(fā)現：加載過程中節(jié)點的翼緣與腹板交界處應變最大，該處最先形成裂縫。節(jié)點域在破壞前發(fā)生了屈服。

參考文獻：

[1]張愛林.工業(yè)化裝配式高層鋼結構新體系關鍵研究和展望[J].北京建筑大學學報，2016，32（03）：21-28.

[2]孫曉陽.某預制裝配式框架結構節(jié)點抗震性能有限元分析[J].施工技術，2012，41（376）：11-15.

[3]郝際平.綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用[J].工程力學，2017，34（01）：1-13.

甘肅省高等學校科研項目自籌經費項目（2017B-70）

天水師范學院科研項目（YB-2018-02）

作者簡介：楊帆（1969-），男，甘肅人，學士，講師，研究方向：結構工程。