新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點分析

黃瑞婕，李 玲，夏 令，馬雅坤

（云南技師學院(云南工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院)，云南 昆明 650300）

裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點所具備的抗彎承載力普遍保持在較高水平，且變形能力良好，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度偏大。為確保在實際的工程施工中能夠最大程度發(fā)揮出該節(jié)點形式的應用優(yōu)勢，更新裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點形式并針對其力學性能展開分析必要。

1 實驗概況

1.1 實驗目的

針對新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點的力學性能展開實驗研究，包括滯回性能、骨架變化、節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度、強度退化分析、延性。

1.2 試件設計

設計4 組試件。其中，試件1 的類型為邊節(jié)點，拼接短柱高為400 mm，弦桿尺寸為C80 mm×96 mm×3 mm；試件2 的類型為邊節(jié)點，拼接短柱高為300 mm，弦桿尺寸為C80 mm×96 mm×3 mm；試件3 的類型為中節(jié)點，拼接短柱高為400 mm，弦桿尺寸為C80 mm×94 mm×3 mm；試件4 的類型為中節(jié)點，拼接短柱高為300 mm，弦桿尺寸為C80 mm×94 mm×3 mm。各組試件的柱總高均為2 100 mm，柱截面均為Ф200×6，梁高均為300 mm，梁長均為980 mm，腹桿尺寸均為Ф90 mm×30 mm×2 mm。

1.3 實驗裝置

投放水平荷載最大值為500 kN、水平位移行程最大值為250 mm 的電液伺服動作器；在板絞支座的支持下，連接試件與“L”形加載梁；投放4 個側(cè)向支撐避免面外發(fā)生變形；將板絞支座分別加設在試件的鋼柱底部以及頂部位置。

1.4 加載與測量

1.4.1 加載

應用位移控制加載方式組織展開對裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點的實驗，設定十二組荷載組，其中，前三組保持每級（對應加載級別）循環(huán)6 次；第四組保持循環(huán)4 次；第五組至第十二組保持每級循環(huán)2 次。設定第一組至第十二組的加載級別分別為0.375%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。

1.4.2 測量

在本次研究中，選取裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點轉(zhuǎn)角、節(jié)點域的剪切變形、拼接短柱的分離以及內(nèi)外套筒柱、豎/斜腹桿、弦桿關(guān)鍵截面位置的應變展開測量。

1.5 材性試驗結(jié)果

參考相關(guān)現(xiàn)行標準，對裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點的弦桿、腹桿以及方管柱進行取樣，每組取樣個數(shù)為3 個，落實材性試驗，所得到的結(jié)果如下所示：3 mm 弦桿的厚度平均為3.16 mm，屈服強度平均為239.52 MPa，極限強度約為315.69 MPa，彈性模量約為1.62×105MPa，生產(chǎn)率約為26%；2 mm弦桿的厚度平均為2.08 mm，屈服強度平均為245.32 MPa，極限強度約為321.78 MPa，彈性模量約為1.66×105MPa，生產(chǎn)率約為21%；2 mm 腹桿的厚度平均為3.08 mm，屈服強度平均為259.96 MPa，極限強度約為456.03 MPa，彈性模量約為1.93×105MPa，生產(chǎn)率約為29%；6 mm 方管柱的厚度平均為6.16 mm，屈服強度平均為282.18 MPa，極限強度約為467.02 Mpa，彈性模量約為2.12×105MPa，生產(chǎn)率約為18%。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 滯回性能

在加載初期背景下，節(jié)點的轉(zhuǎn)角相對較小，此時試件1 依然保持在彈性狀態(tài)，所顯現(xiàn)出的殘余變形相對較??；此時，能夠提取到的滯回環(huán)主要呈現(xiàn)為狹長形，面積偏低。在節(jié)點轉(zhuǎn)角有所增加時，能夠提取到的滯回環(huán)面積也隨之增大，卸載階段可以得到的殘余變形也有所提升；在加載至第七級后，試件1 的弦桿發(fā)生屈曲，可觀察到不可恢復的塑性變形；在加載至第十二級后，所得到的滯回環(huán)正負峰值均小于第十一級，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因為，試件1 的斜向腹桿與豎向腹桿在加載至第十二級后，上下裂縫均轉(zhuǎn)入撕裂狀態(tài)，且斜向腹桿面內(nèi)屈曲。

在荷載增大的條件下，試件2 所具備的殘余應變也隨之增大，相比于試件1 而言，所顯現(xiàn)出的“捏鎖效應”并不明顯。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因為，試件2 的短柱高度更小，節(jié)點端部箱體會在短柱的法蘭內(nèi)嵌入，所得到的節(jié)點剛度更大；此時，在往復荷載作用下，試件2 實際所承擔著的力高于試件1，吸收的能量也更多，滯回環(huán)面積更大。在加載至后期，試件2 中的弦桿壁板、腹桿所產(chǎn)生的損傷嚴重程度高于試件1，實際所表現(xiàn)出的回復力相較較弱。

與試件1 相比，在彈性階段、彈塑性階段同級加載的條件下，試件3 所顯現(xiàn)出的滯回曲線中，峰值點保持在高于試件1 的水平；滯回環(huán)面積更大。

需要注意的是，由于放置在試件4 上的測試位移計過早脫落，所以在本研究中未能針對試件4 的力學性能展開實驗分析。

2.2 骨架變化

針對節(jié)點試件在水平荷載作用下所產(chǎn)生的破壞荷載、峰值荷載以及屈服荷載展開分析。對于本實驗中所設定的節(jié)點試件而言，其所具備的彎矩轉(zhuǎn)角均經(jīng)過彈性階段、彈塑性階段以及塑形破壞階段。對于試件1 而言，其所具備的正向抗彎承載力約為119.07 kN，所具備的負向抗彎承載力約為-131.4 kN；對于試件2 而言，其所具備的正向抗彎承載力約為138.2 kN，所具備的負向抗彎承載力約為-121.4 kN，兩者之間存在著一定的差異性。在桁架梁弦桿厚度、節(jié)點形式發(fā)生變化時，節(jié)點試件1 與節(jié)點試件2 的抗彎承載力最大值并沒有發(fā)生明顯變化。

在節(jié)點轉(zhuǎn)角達到0.04 rad 后，對于試件1 而言，其所具備的正向彎矩峰值約為107.73 kN·m，所具備的負向彎矩峰值約為-115.77 kN·m，均保持在低于試件2 彎矩峰值的水平。能夠得出，在短柱高度發(fā)生變化的條件下，節(jié)點抗彎承載力也會隨之發(fā)生改變；在短柱高度下降時，由于節(jié)點端部箱體會在短柱的法蘭內(nèi)嵌入，所以節(jié)點抗彎承載力會表現(xiàn)出有所增加的狀態(tài)。

對于試件3 而言，其所具備的正向抗彎承載力約為121.34 kN，所具備的負向抗彎承載力約為-133.38 kN，與試件1 相比并沒有存在較為明顯的差距；與試件1 相比，試件3 更快轉(zhuǎn)入塑性階段；在試件1 與試件3 均轉(zhuǎn)入塑性階段后，試件3 的抗彎承載力所表現(xiàn)出的減小速度保持在高于試件1 的抗彎承載力所表現(xiàn)出的減小速度的狀態(tài)。能夠得出，在桁架梁弦桿厚度、節(jié)點形式發(fā)生變化時，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度退化速度也會隨之產(chǎn)生改變。

2.3 節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度

試件1 的初始節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度約為7 193 kN·m/rad，相比于試件2 保持在偏低水平（低32.2%左右）。由此可以了解到的是，在短柱高度發(fā)生變化的條件下，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度也會隨之發(fā)生改變；在短柱高度下降時，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度會表現(xiàn)出有所增加的狀態(tài)。在水平位移加載至±126 mm 后（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為6%），試件1的轉(zhuǎn)動剛度高于試件2，能夠得出，試件2 轉(zhuǎn)動剛度所表現(xiàn)出的退化速度高于試件1；當節(jié)點轉(zhuǎn)入塑性階段后，相比于試件1，試件2 所產(chǎn)生的損傷嚴重程度更大。

相比于試件3 而言，試件1 的初始節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度比試件3 左側(cè)的轉(zhuǎn)動剛度更低，但是比試件3 右側(cè)的轉(zhuǎn)動剛度更高；在水平位移加載至±105 mm 后（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為5%），試件1 的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度保持在低于試件3 左側(cè)與右側(cè)轉(zhuǎn)動剛度的狀態(tài)下；試件3 轉(zhuǎn)動剛度所表現(xiàn)出的退化速度高于試件1，能夠得出，在桁架梁弦桿厚度、節(jié)點形式發(fā)生變化時，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度也會隨之產(chǎn)生改變。

綜合來看，在加載初期，所有節(jié)點試件的轉(zhuǎn)動剛度均表現(xiàn)出明顯下降的變化趨勢，而在節(jié)點轉(zhuǎn)角逐步提升的條件下，轉(zhuǎn)動剛度的下降速度隨之減小；在整個加載期間，并未觀察到轉(zhuǎn)角剛度突然變化的現(xiàn)象。相比較而言，試件3 所具備的初始轉(zhuǎn)動剛度保持在最大水平，且其右側(cè)所顯現(xiàn)出的初始轉(zhuǎn)動剛度要高于左側(cè)。

2.4 強度退化分析

在水平位移加載至±105 mm 前（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為5%），試件1 的強度并未發(fā)生較為明顯的變化；在水平位移加載至±126 mm 后（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為6%），試件1 所具備的強度退化系數(shù)為0.95；在水平荷載逐步增加的條件下，受到節(jié)點試件腹桿與弦桿塑性損傷程度逐漸提升的影響，試件1 的強度退化系數(shù)隨之表現(xiàn)出下降的發(fā)展趨勢，試件1 的承載能力也有所減小。

在水平位移加載至±21 mm 前（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為1%），試件2 的強度并未發(fā)生較為明顯的變化；在水平位移加載至±84 mm 后（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為4%），試件2 所具備的強度退化系數(shù)為0.9；在水平荷載逐步增加的條件下，受到節(jié)點試件腹桿與弦桿塑性損傷程度逐漸提升的影響（出現(xiàn)裂紋，逐步貫穿整個弦桿），試件2 的強度退化系數(shù)隨之表現(xiàn)出明顯下降的發(fā)展趨勢，試件2 的承載能力也有所減小，且試件2 的強度退化系數(shù)、承載能力下降速度顯著高于試件1；在水平位移加載至后期，試件2 所具備的強度退化系數(shù)降低至0.78。

在水平位移加載前期，試件3 的強度并未發(fā)生較為明顯的變化；在水平位移加載至±84 mm 后（節(jié)點轉(zhuǎn)角約為4%），試件3 所具備的強度退化系數(shù)為0.97；在水平荷載逐步增加的條件下，節(jié)點試件腹桿與弦桿塑性損傷程度逐漸提升，能夠觀察到裂紋，且逐步貫穿整個弦桿，試件3 的強度退化系數(shù)隨之表現(xiàn)出明顯下降的發(fā)展趨勢，試件2 的承載能力也有所減小，且試件3 的強度退化系數(shù)、承載能力下降速度顯著高于試件1，但是小于試件2；在水平位移加載至后期，試件3 所具備的強度退化系數(shù)降低至0.8。

綜合來看，雖然在實際的加載期間，試件1 的腹桿與弦桿均產(chǎn)生屈服，但是實際所具備的強度退化系數(shù)并未隨之產(chǎn)生突變，整個加載過程中承載力的退化速度緩慢且均勻。相比較而言，試件2 與試件3 由于在加載期間發(fā)生嚴重的腹桿塑形損傷、弦桿塑形損傷，所以在加載至后續(xù)幾個循環(huán)的條件下，強度退化系數(shù)產(chǎn)生突變，迅速且大幅下降。

2.5 延性分析

結(jié)合試件的骨架變化情況，落實對極限彎矩、峰值彎矩、節(jié)點屈服彎矩、極限轉(zhuǎn)角、峰值轉(zhuǎn)角、顯著屈服轉(zhuǎn)角這些指標數(shù)據(jù)進行確定，得到的實測結(jié)果（以試件1 為例）如下所示：正向加載條件下，試件1 的顯著屈服轉(zhuǎn)角為0.029 rad，節(jié)點屈服彎矩為106.11 kN·m，峰值轉(zhuǎn)角為0.051 rad，峰值彎矩為119.1 kN·m，極限轉(zhuǎn)角為0.06 rad，極限彎矩為107.6 kN·m；負向加載條件下，試件1 的顯著屈服轉(zhuǎn)角為-0.025 rad，節(jié)點屈服彎矩為-92.73 kN·m，峰值轉(zhuǎn)角為-0.053 rad，峰值彎矩為-131.4 kN·m，極限轉(zhuǎn)角為-0.063 rad，極限彎矩為-111.7 kN·m。

在此基礎(chǔ)上，使用下述計算公式完成對節(jié)點試件延性系數(shù)的計算，即：

其中，節(jié)點的延性系數(shù)使用μcon進行表達；節(jié)點的屈服轉(zhuǎn)角使用θy進行表達；節(jié)點的極限轉(zhuǎn)角使用θu進行表達。所得到的結(jié)果（除試件4）有：正向加載條件下，試件1 的延性系數(shù)為2.06，試件2 的延性系數(shù)為3.25，試件3 左側(cè)的延性系數(shù)為3.56，試件4 右側(cè)的延性系數(shù)為3.23；負向加載條件下，試件1的延性系數(shù)為2.52，試件2 的延性系數(shù)為2.56，試件3左側(cè)的延性系數(shù)為3.47，試件4 右側(cè)的延性系數(shù)為2.94。

綜合來看，節(jié)點試件的顯著屈服轉(zhuǎn)角保持在0.013～0.029 rad 的范圍內(nèi)，0.019 rad 為顯著屈服轉(zhuǎn)角均值，可以明確的是，由于使用短柱裝配的方式，裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點初始轉(zhuǎn)角剛度下降，而屈服轉(zhuǎn)角有所增大；節(jié)點試件的峰值轉(zhuǎn)角保持在0.032～0.065 rad 的范圍內(nèi)，0.047 rad 為峰值轉(zhuǎn)角均值；破壞時，節(jié)點試件的極限轉(zhuǎn)角保持在0.042～0.065 rad 的范圍內(nèi)，0.055 rad 為破壞時節(jié)點的極限轉(zhuǎn)角均值；節(jié)點試件的延性系數(shù)平均值為2.95。由此可以判斷，本研究所選取的新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點所具備的變形能力良好，實際可以展現(xiàn)出的抗震性能相對理想。

3 總結(jié)

綜上所述，結(jié)合對多個裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點試件的力學性能分析，能夠得出，在短柱高度發(fā)生變化的條件下，節(jié)點抗彎承載力也會隨之發(fā)生改變；在桁架梁弦桿厚度、節(jié)點形式發(fā)生變化時，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度退化速度也會隨之產(chǎn)生改變；在加載初期，所有節(jié)點試件的轉(zhuǎn)動剛度均表現(xiàn)出明顯下降的變化趨勢，而在節(jié)點轉(zhuǎn)角逐步提升的條件下，轉(zhuǎn)動剛度的下降速度隨之減?。谎芯克x取的新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點所具備的變形能力良好。相比較而言，試件1 的力學性能更為理想。