竹皮碎屑梁柱節(jié)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(jié)點性能，本文采用了人工砝碼加載和全站儀測量撓度、轉(zhuǎn)角的實驗方法。探討了竹皮碎屑和502膠水質(zhì)量的多少對梁柱節(jié)點性能的影響，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)判斷節(jié)點類型和計算碎屑節(jié)點強(qiáng)度，可為選擇性價比最優(yōu)的碎屑節(jié)點提供參考。

【關(guān)鍵詞】竹皮碎屑；梁柱節(jié)點；節(jié)點類型；502膠水

1、引言

建設(shè)部于2001年通過了18個包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及其關(guān)鍵試點工程的立項。研究內(nèi)容中包括研究設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)連接標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點，研究開發(fā)利于加工、安裝、抗震性能更好的節(jié)點連接方式。其中梁柱節(jié)點的連接是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計中的關(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)點連接的力學(xué)性能和優(yōu)化梁柱節(jié)點的連接有著十分重要的現(xiàn)實意義。本試驗在鋼結(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)點模型并對各模型節(jié)點性能進(jìn)行了研究。通過對6組梁柱節(jié)點模型進(jìn)行加載試驗，測得模型撓度和轉(zhuǎn)角等試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步判斷節(jié)點的類型并初步計算碎屑節(jié)點強(qiáng)度，從而為選擇最優(yōu)竹皮碎屑節(jié)點及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)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(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(qū)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(jìn)行稱量，利用竹皮碎屑節(jié)點連接梁柱后再次稱量，計算節(jié)點質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)；

（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(jié)點處（測點C）和柱子中點（測點D）處進(jìn)行標(biāo)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(biāo)記點的撓度和轉(zhuǎn)角，并記錄數(shù)據(jù)；

（3）整理數(shù)據(jù)，分析判斷節(jié)點類型。

3、實驗結(jié)果

各組實驗數(shù)據(jù)整理如下：

經(jīng)稱量，模型1竹皮碎屑與膠水質(zhì)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(fā)現(xiàn)，模型1破壞特征為，節(jié)點處柱子翼緣材料撕裂，出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象。此時節(jié)點完整，故無法計算節(jié)點強(qiáng)度。

模型2竹皮碎屑與膠水質(zhì)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(fā)現(xiàn)模型2節(jié)點的破壞為柱子翼緣材料撕裂，此時節(jié)點并未破壞，故無法計算節(jié)點強(qiáng)度。

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

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

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

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

4、討論與分析

4.1撓度改變量方面

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

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)動是相互獨(dú)立的；完全剛接是指梁柱之間無相對轉(zhuǎn)動，梁柱之前傳遞彎矩，一般當(dāng)彎矩傳遞大于百分之九十時，可認(rèn)為是剛接。

由關(guān)于502膠水試驗測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(jié)點的粘接面積約為25mm x 1mm，節(jié)點強(qiáng)度：148N/25mm2=5.92Mpa

從表2模型1節(jié)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(jié)點處傳遞過來的彎矩值大于百分之九十，所以通過節(jié)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(jié)點均滿足剛接要求。于是對試驗進(jìn)一步研究時候發(fā)現(xiàn)，是因為在模型制作時，柱子一側(cè)竹皮材料粘接不牢導(dǎo)致在加荷時產(chǎn)生變形，從而使梁端（測點A）產(chǎn)生了較大的撓度。

結(jié)論：

（1）通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)竹皮碎屑節(jié)點質(zhì)量超過0.6g時，模型的破壞主要是柱子的材料撕裂；當(dāng)竹皮碎屑節(jié)點質(zhì)量小于0.6g時，模型的破壞主要是節(jié)點破壞。

（2）采用碎屑作為節(jié)點時候，碎屑使用量不要小于0.3g，否則節(jié)點變?yōu)殂q接；相反，碎屑使用量也不要大于0.6g，否則會出現(xiàn)加荷時節(jié)點不破壞的現(xiàn)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(zhì)量。涂抹時必須均勻涂膠，否則會造成不必要的試驗誤差，嚴(yán)重時可導(dǎo)致試驗失敗。

參考文獻(xiàn)：

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[2]譚芬香.鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接的優(yōu)化設(shè)計[J].低碳世界，2016（19）：192-193.

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