新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節點分析

黃瑞婕，李 玲，夏 令，馬雅坤

（云南技師學院(云南工貿職業技術學院)，云南 昆明 650300）

裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節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，節點轉動剛度偏大。為確保在實際的工程施工中能夠最大程度發揮出該節點形式的應用優勢，更新裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節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點的力學性能展開實驗研究，包括滯回性能、骨架變化、節點轉動剛度、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 個側向支撐避免面外發生變形；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6 次；第四組保持循環4 次；第五組至第十二組保持每級循環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點轉角、節點域的剪切變形、拼接短柱的分離以及內外套筒柱、豎/斜腹桿、弦桿關鍵截面位置的應變展開測量。

1.5 材性試驗結果

參考相關現行標準，對裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節點的弦桿、腹桿以及方管柱進行取樣，每組取樣個數為3 個，落實材性試驗，所得到的結果如下所示：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，生產率約為18%。

2 實驗結果分析

2.1 滯回性能

在加載初期背景下，節點的轉角相對較小，此時試件1 依然保持在彈性狀態，所顯現出的殘余變形相對較小；此時，能夠提取到的滯回環主要呈現為狹長形，面積偏低。在節點轉角有所增加時，能夠提取到的滯回環面積也隨之增大，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，所得到的滯回環正負峰值均小于第十一級，產生這一結果的原因為，試件1 的斜向腹桿與豎向腹桿在加載至第十二級后，上下裂縫均轉入撕裂狀態，且斜向腹桿面內屈曲。

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，所顯現出的“捏鎖效應”并不明顯。產生這一結果的原因為，試件2 的短柱高度更小，節點端部箱體會在短柱的法蘭內嵌入，所得到的節點剛度更大；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，滯回環面積更大。在加載至后期，試件2 中的弦桿壁板、腹桿所產生的損傷嚴重程度高于試件1，實際所表現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 所顯現出的滯回曲線中，峰值點保持在高于試件1 的水平；滯回環面積更大。

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

針對節點試件在水平荷載作用下所產生的破壞荷載、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點試件而言，其所具備的彎矩轉角均經過彈性階段、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、節點形式發生變化時，節點試件1 與節點試件2 的抗彎承載力最大值并沒有發生明顯變化。

在節點轉角達到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，在短柱高度發生變化的條件下，節點抗彎承載力也會隨之發生改變；在短柱高度下降時，由于節點端部箱體會在短柱的法蘭內嵌入，所以節點抗彎承載力會表現出有所增加的狀態。

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 更快轉入塑性階段；在試件1 與試件3 均轉入塑性階段后，試件3 的抗彎承載力所表現出的減小速度保持在高于試件1 的抗彎承載力所表現出的減小速度的狀態。能夠得出，在桁架梁弦桿厚度、節點形式發生變化時，節點轉動剛度退化速度也會隨之產生改變。

2.3 節點轉動剛度

試件1 的初始節點轉動剛度約為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，在短柱高度發生變化的條件下，節點轉動剛度也會隨之發生改變；在短柱高度下降時，節點轉動剛度會表現出有所增加的狀態。在水平位移加載至±126 mm 后（節點轉角約為6%），試件1的轉動剛度高于試件2，能夠得出，試件2 轉動剛度所表現出的退化速度高于試件1；當節點轉入塑性階段后，相比于試件1，試件2 所產生的損傷嚴重程度更大。

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

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

2.4 強度退化分析

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

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

在水平位移加載前期，試件3 的強度并未發生較為明顯的變化；在水平位移加載至±84 mm 后（節點轉角約為4%），試件3 所具備的強度退化系數為0.97；在水平荷載逐步增加的條件下，節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 的強度退化系數隨之表現出明顯下降的發展趨勢，試件2 的承載能力也有所減小，且試件3 的強度退化系數、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 的腹桿與弦桿均產生屈服，但是實際所具備的強度退化系數并未隨之產生突變，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 由于在加載期間發生嚴重的腹桿塑形損傷、弦桿塑形損傷，所以在加載至后續幾個循環的條件下，強度退化系數產生突變，迅速且大幅下降。

2.5 延性分析

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

在此基礎上，使用下述計算公式完成對節點試件延性系數的計算，即：

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

綜合來看，節點試件的顯著屈服轉角保持在0.013～0.029 rad 的范圍內，0.019 rad 為顯著屈服轉角均值，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點初始轉角剛度下降，而屈服轉角有所增大；節點試件的峰值轉角保持在0.032～0.065 rad 的范圍內，0.047 rad 為峰值轉角均值；破壞時，節點試件的極限轉角保持在0.042～0.065 rad 的范圍內，0.055 rad 為破壞時節點的極限轉角均值；節點試件的延性系數平均值為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點所具備的變形能力良好，實際可以展現出的抗震性能相對理想。

3 總結

綜上所述，結合對多個裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節點試件的力學性能分析，能夠得出，在短柱高度發生變化的條件下，節點抗彎承載力也會隨之發生改變；在桁架梁弦桿厚度、節點形式發生變化時，節點轉動剛度退化速度也會隨之產生改變；在加載初期，所有節點試件的轉動剛度均表現出明顯下降的變化趨勢，而在節點轉角逐步提升的條件下，轉動剛度的下降速度隨之減小；研究所選取的新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節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。