竹皮碎屑梁柱節(jié)點(diǎn)性能研究

【摘要】為了研究竹皮碎屑和502膠水制作的梁柱節(jié)點(diǎn)性能，本文采用了人工砝碼加載和全站儀測(cè)量撓度、轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)方法。探討了竹皮碎屑和502膠水質(zhì)量的多少對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和計(jì)算碎屑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，可為選擇性?xún)r(jià)比最優(yōu)的碎屑節(jié)點(diǎn)提供參考。

【關(guān)鍵詞】竹皮碎屑；梁柱節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)類(lèi)型；502膠水

1、引言

建設(shè)部于2001年通過(guò)了18個(gè)包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及其關(guān)鍵試點(diǎn)工程的立項(xiàng)。研究?jī)?nèi)容中包括研究設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)連接標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)利于加工、安裝、抗震性能更好的節(jié)點(diǎn)連接方式。其中梁柱節(jié)點(diǎn)的連接是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，其性能直接影響著結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定。因而研究梁柱節(jié)點(diǎn)連接的力學(xué)性能和優(yōu)化梁柱節(jié)點(diǎn)的連接有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本試驗(yàn)在鋼結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上，選用竹皮材料和502膠水，制作6組梁柱節(jié)點(diǎn)模型并對(duì)各模型節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)6組梁柱節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)得模型撓度和轉(zhuǎn)角等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步判斷節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型并初步計(jì)算碎屑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，從而為選擇最優(yōu)竹皮碎屑節(jié)點(diǎn)及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考[1-3]。

2、試驗(yàn)方案

2.1試件

本試驗(yàn)材料采用杭州某生產(chǎn)廠家提供的三年生毛竹竹皮和某品牌的502膠水。試件由0.5mm厚竹皮紙和502膠水粘接而成，節(jié)點(diǎn)部分采用竹皮碎屑和502膠水進(jìn)行粘接。試樣共分6組，即模型1到模型6，每個(gè)模型均有A，B，C，D四個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中梁柱模型均采用箱形截面，具體尺寸如圖1所示。其中陰影部分為竹皮碎屑和502膠水粘接區(qū)域。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）利用竹皮紙和502膠水，制作梁柱模型（6組），分別對(duì)梁和柱進(jìn)行稱(chēng)量，利用竹皮碎屑節(jié)點(diǎn)連接梁柱后再次稱(chēng)量，計(jì)算節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)；

（2）梁柱模型固定在底板上，對(duì)梁的懸臂端（測(cè)點(diǎn)A），中間（測(cè)點(diǎn)B），節(jié)點(diǎn)處（測(cè)點(diǎn)C）和柱子中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)D）處進(jìn)行標(biāo)記，再對(duì)梁懸臂端分級(jí)加載，每加載一次，用全站儀測(cè)量每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的撓度和轉(zhuǎn)角，并記錄數(shù)據(jù)；

（3）整理數(shù)據(jù)，分析判斷節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如下：

經(jīng)稱(chēng)量，模型1竹皮碎屑與膠水質(zhì)量共1.2g，測(cè)點(diǎn)A處撓度隨荷載變化如圖2（a）所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型1破壞特征為，節(jié)點(diǎn)處柱子翼緣材料撕裂，出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象。此時(shí)節(jié)點(diǎn)完整，故無(wú)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

模型2竹皮碎屑與膠水質(zhì)量共0.6g，測(cè)點(diǎn)A處撓度隨荷載變化如圖2（b）所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型2節(jié)點(diǎn)的破壞為柱子翼緣材料撕裂，此時(shí)節(jié)點(diǎn)并未破壞，故無(wú)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

由于模型制造、碎屑節(jié)點(diǎn)涂抹時(shí)的誤差，模型3在加載時(shí)突然破壞，造成數(shù)據(jù)喪失，故模型3試驗(yàn)失敗。

模型4竹皮碎屑和膠水質(zhì)量共0.3g，測(cè)點(diǎn)A處撓度隨荷載變化如圖3（a）所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載加至5.095N時(shí)節(jié)點(diǎn)的最上面最先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節(jié)點(diǎn)完全被拉開(kāi)，即節(jié)點(diǎn)破壞。計(jì)算得模型4碎屑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為88.61N/g。

模型5竹皮碎屑和膠水質(zhì)量共0.4g，測(cè)點(diǎn)A處撓度隨荷載變化如圖3（b）所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載加至8.285N時(shí)節(jié)點(diǎn)的最上面最先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節(jié)點(diǎn)完全被拉開(kāi)，即節(jié)點(diǎn)破壞 。計(jì)算得模型5碎屑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為132.92 N/g。

模型6竹皮碎屑和膠水質(zhì)量共0.4g，測(cè)點(diǎn)A處撓度隨荷載變化如圖3（c）所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載加至8.285N時(shí)節(jié)點(diǎn)的最上面最先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節(jié)點(diǎn)完全被拉開(kāi)，即節(jié)點(diǎn)破壞 。計(jì)算得模型6碎屑節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為132.92 N/g。

4、討論與分析

4.1撓度改變量方面

由撓度計(jì)算公式FL3/3EI=V（撓度），計(jì)算得本模型節(jié)點(diǎn)在剛接條件下，測(cè)點(diǎn)A處撓度應(yīng)為0.006mm。由表1數(shù)據(jù)可知，荷載每增加1N，測(cè)點(diǎn)A撓度改變量大于0.006mm，故各模型碎屑節(jié)點(diǎn)不算為剛接。

4.2彎矩的傳遞情況

在傳統(tǒng)的分析理論中，將梁柱連接假定為理想鉸接或完全剛接。理想鉸接意味著梁柱之間不傳遞彎矩，梁和柱之間轉(zhuǎn)動(dòng)是相互獨(dú)立的；完全剛接是指梁柱之間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，梁柱之前傳遞彎矩，一般當(dāng)彎矩傳遞大于百分之九十時(shí)，可認(rèn)為是剛接。

由關(guān)于502膠水試驗(yàn)測(cè)得竹皮紙撕裂破壞強(qiáng)度為2至6Mpa（垂直于竹皮紙面的力）[4]，對(duì)模型1：

將梁端彎矩考慮為一對(duì)平行于梁的力偶，力偶大小為F=148N，碎屑節(jié)點(diǎn)的粘接面積約為25mm x 1mm，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度：148N/25mm2=5.92Mpa

從表2模型1節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的最大力中，看出其值與竹皮紙材料撕裂時(shí)的最大力相近，從而判定柱子受到的從節(jié)點(diǎn)處傳遞過(guò)來(lái)的彎矩值大于百分之九十，所以通過(guò)節(jié)點(diǎn)彎矩傳遞情況判斷是滿(mǎn)足剛接條件的。

4.3 分析

綜上所述，除去“撓度改變量方面”以外，其余情況竹皮碎屑節(jié)點(diǎn)均滿(mǎn)足剛接要求。于是對(duì)試驗(yàn)進(jìn)一步研究時(shí)候發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)樵谀Ｐ椭谱鲿r(shí)，柱子一側(cè)竹皮材料粘接不牢導(dǎo)致在加荷時(shí)產(chǎn)生變形，從而使梁端（測(cè)點(diǎn)A）產(chǎn)生了較大的撓度。

結(jié)論：

（1）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)竹皮碎屑節(jié)點(diǎn)質(zhì)量超過(guò)0.6g時(shí)，模型的破壞主要是柱子的材料撕裂；當(dāng)竹皮碎屑節(jié)點(diǎn)質(zhì)量小于0.6g時(shí)，模型的破壞主要是節(jié)點(diǎn)破壞。

（2）采用碎屑作為節(jié)點(diǎn)時(shí)候，碎屑使用量不要小于0.3g，否則節(jié)點(diǎn)變?yōu)殂q接；相反，碎屑使用量也不要大于0.6g，否則會(huì)出現(xiàn)加荷時(shí)節(jié)點(diǎn)不破壞的現(xiàn)象。

（3）模型制作時(shí)，502膠水的使用方式和用量直接影響了模型的質(zhì)量。涂抹時(shí)必須均勻涂膠，否則會(huì)造成不必要的試驗(yàn)誤差，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

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