一種裝配式鋼結構農村住宅的梁柱節點研究

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，節能環保，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]中研發了工業化裝配式高層鋼結構多種新體系以及新節點和新構造。孫曉陽等在《某預制全裝配式框架結構節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點進行節點抗震性能分析。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化住宅建筑體系研究與應用。

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

2 節點構造及設計

2.1 節點構造

適于農村鋼結構住宅的裝配式節點構造如圖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范的要求。

2.2 節點設計

根據裝配式梁柱節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。框架柱選擇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，逐級進行循環加載，每級循環2次，加載至破壞，試驗結束。

為了獲得節點在試驗過程中的變化，在節點上布置了許多的傳感器。傳感器布置在節點端部梁的上翼緣、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點的屈服位移。經監測發現，當試件柱頂端施加恒定軸向力500KN、700KN、900KN，節點的屈服位移分別為△1=7.26mm、△2=6.51mm、△3=5.66mm。

觀察試驗中節點處應變變化，加載初期節點處于彈性階段，卸載后幾乎沒有殘余變形，節點呈彈性性質。當繼續加載位移計數為約為2倍屈服位移時，節點處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；繼續加大荷載，試件變形繼續加大，最大縫隙寬度達9 mm，繼續加大荷載，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：滯回曲線穩定飽滿，說明該節點耗能能力良好。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??；荷載繼續增加耗能又變大。這說明節點剛進入塑性時，局部發生較大變形，耗能減小，荷載繼續增加，節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。不同軸力作用下節點的延性系數均大于10，說明節點有很好的延性。同時隨著軸壓比的增加，節點的延性降低。

6 結論

（1）通過試驗得出此裝配式鋼節點，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現：加載過程中節點的翼緣與腹板交界處應變最大，該處最先形成裂縫。節點域在破壞前發生了屈服。

參考文獻：

[1]張愛林.工業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）

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作者簡介：楊帆（1969-），男，甘肅人，學士，講師，研究方向：結構工程。