竹皮碎屑梁柱節點性能研究

【摘要】為了研究竹皮碎屑和502膠水制作的梁柱節點性能，本文采用了人工砝碼加載和全站儀測量撓度、轉角的實驗方法。探討了竹皮碎屑和502膠水質量的多少對梁柱節點性能的影響，并根據試驗數據判斷節點類型和計算碎屑節點強度，可為選擇性價比最優的碎屑節點提供參考。

【關鍵詞】竹皮碎屑；梁柱節點；節點類型；502膠水

1、引言

建設部于2001年通過了18個包括鋼結構住宅建筑體系及其關鍵試點工程的立項。研究內容中包括研究設計鋼結構連接標準節點，研究開發利于加工、安裝、抗震性能更好的節點連接方式。其中梁柱節點的連接是鋼結構節點設計中的關鍵，其性能直接影響著結構的強度、剛度和穩定。因而研究梁柱節點連接的力學性能和優化梁柱節點的連接有著十分重要的現實意義。本試驗在鋼結構理論的基礎上，選用竹皮材料和502膠水，制作6組梁柱節點模型并對各模型節點性能進行了研究。通過對6組梁柱節點模型進行加載試驗，測得模型撓度和轉角等試驗數據，進一步判斷節點的類型并初步計算碎屑節點強度，從而為選擇最優竹皮碎屑節點及相關結構設計提供參考[1-3]。

2、試驗方案

2.1試件

本試驗材料采用杭州某生產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，節點部分采用竹皮碎屑和502膠水進行粘接。試樣共分6組，即模型1到模型6，每個模型均有A，B，C，D四個測點，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膠水粘接區域。

2.2實驗步驟

（1）利用竹皮紙和502膠水，制作梁柱模型（6組），分別對梁和柱進行稱量，利用竹皮碎屑節點連接梁柱后再次稱量，計算節點質量，并記錄數據；

（2）梁柱模型固定在底板上，對梁的懸臂端（測點A），中間（測點B），節點處（測點C）和柱子中點（測點D）處進行標記，再對梁懸臂端分級加載，每加載一次，用全站儀測量每個標記點的撓度和轉角，并記錄數據；

（3）整理數據，分析判斷節點類型。

3、實驗結果

各組實驗數據整理如下：

經稱量，模型1竹皮碎屑與膠水質量共1.2g，測點A處撓度隨荷載變化如圖2（a）所示。通過試驗發現，模型1破壞特征為，節點處柱子翼緣材料撕裂，出現鼓曲現象。此時節點完整，故無法計算節點強度。

模型2竹皮碎屑與膠水質量共0.6g，測點A處撓度隨荷載變化如圖2（b）所示。通過試驗發現模型2節點的破壞為柱子翼緣材料撕裂，此時節點并未破壞，故無法計算節點強度。

由于模型制造、碎屑節點涂抹時的誤差，模型3在加載時突然破壞，造成數據喪失，故模型3試驗失敗。

模型4竹皮碎屑和膠水質量共0.3g，測點A處撓度隨荷載變化如圖3（a）所示。試驗發現，當荷載加至5.095N時節點的最上面最先出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節點完全被拉開，即節點破壞。計算得模型4碎屑節點強度為88.61N/g。

模型5竹皮碎屑和膠水質量共0.4g，測點A處撓度隨荷載變化如圖3（b）所示。試驗發現，當荷載加至8.285N時節點的最上面最先出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節點完全被拉開，即節點破壞 。計算得模型5碎屑節點強度為132.92 N/g。

模型6竹皮碎屑和膠水質量共0.4g，測點A處撓度隨荷載變化如圖3（c）所示。試驗發現，當荷載加至8.285N時節點的最上面最先出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫自上向下延伸，最終節點完全被拉開，即節點破壞 。計算得模型6碎屑節點強度為132.92 N/g。

4、討論與分析

4.1撓度改變量方面

由撓度計算公式FL3/3EI=V（撓度），計算得本模型節點在剛接條件下，測點A處撓度應為0.006mm。由表1數據可知，荷載每增加1N，測點A撓度改變量大于0.006mm，故各模型碎屑節點不算為剛接。

4.2彎矩的傳遞情況

在傳統的分析理論中，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，梁和柱之間轉動是相互獨立的；完全剛接是指梁柱之間無相對轉動，梁柱之前傳遞彎矩，一般當彎矩傳遞大于百分之九十時，可認為是剛接。

由關于502膠水試驗測得竹皮紙撕裂破壞強度為2至6Mpa（垂直于竹皮紙面的力）[4]，對模型1：

將梁端彎矩考慮為一對平行于梁的力偶，力偶大小為F=148N，碎屑節點的粘接面積約為25mm x 1mm，節點強度：148N/25mm2=5.92Mpa

從表2模型1節點破壞時的最大力中，看出其值與竹皮紙材料撕裂時的最大力相近，從而判定柱子受到的從節點處傳遞過來的彎矩值大于百分之九十，所以通過節點彎矩傳遞情況判斷是滿足剛接條件的。

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點均滿足剛接要求。于是對試驗進一步研究時候發現，是因為在模型制作時，柱子一側竹皮材料粘接不牢導致在加荷時產生變形，從而使梁端（測點A）產生了較大的撓度。

結論：

（1）通過試驗發現，當竹皮碎屑節點質量超過0.6g時，模型的破壞主要是柱子的材料撕裂；當竹皮碎屑節點質量小于0.6g時，模型的破壞主要是節點破壞。

（2）采用碎屑作為節點時候，碎屑使用量不要小于0.3g，否則節點變為鉸接；相反，碎屑使用量也不要大于0.6g，否則會出現加荷時節點不破壞的現象。

（3）模型制作時，502膠水的使用方式和用量直接影響了模型的質量。涂抹時必須均勻涂膠，否則會造成不必要的試驗誤差，嚴重時可導致試驗失敗。

參考文獻：

[1]金生吉.鋼結構梁柱節點連接的優化設計[M].沈陽工業大學，2005.

[2]譚芬香.鋼結構梁柱節點連接的優化設計[J].低碳世界，2016（19）：192-193.

[3]雷鳴宇，蒲萬麗，廖昌林，等.竹皮材料綜合力學性能研究[J].工業技術創新，2016，3（5）.

[4]曾偉益，陳立，胡金成，等.502膠水在竹皮紙上的粘接性能研究[J].科學與財富，2016，8（3）.