新型装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点分析

黄瑞婕，李 玲，夏 令，马雅坤

（云南技师学院(云南工贸职业技术学院)，云南 昆明 650300）

装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点所具备的抗弯承载力普遍保持在较高水平，且变形能力良好，节点转动刚度偏大。为确保在实际的工程施工中能够最大程度发挥出该节点形式的应用优势，更新装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点形式并针对其力学性能展开分析必要。

1 实验概况

1.1 实验目的

针对新型装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点的力学性能展开实验研究，包括滞回性能、骨架变化、节点转动刚度、强度退化分析、延性。

1.2 试件设计

设计4 组试件。其中，试件1 的类型为边节点，拼接短柱高为400 mm，弦杆尺寸为C80 mm×96 mm×3 mm；试件2 的类型为边节点，拼接短柱高为300 mm，弦杆尺寸为C80 mm×96 mm×3 mm；试件3 的类型为中节点，拼接短柱高为400 mm，弦杆尺寸为C80 mm×94 mm×3 mm；试件4 的类型为中节点，拼接短柱高为300 mm，弦杆尺寸为C80 mm×94 mm×3 mm。各组试件的柱总高均为2 100 mm，柱截面均为Ф200×6，梁高均为300 mm，梁长均为980 mm，腹杆尺寸均为Ф90 mm×30 mm×2 mm。

1.3 实验装置

投放水平荷载最大值为500 kN、水平位移行程最大值为250 mm 的电液伺服动作器；在板绞支座的支持下，连接试件与“L”形加载梁；投放4 个侧向支撑避免面外发生变形；将板绞支座分别加设在试件的钢柱底部以及顶部位置。

1.4 加载与测量

1.4.1 加载

应用位移控制加载方式组织展开对装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点的实验，设定十二组荷载组，其中，前三组保持每级（对应加载级别）循环6 次；第四组保持循环4 次；第五组至第十二组保持每级循环2 次。设定第一组至第十二组的加载级别分别为0.375%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%。

1.4.2 测量

在本次研究中，选取装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点转角、节点域的剪切变形、拼接短柱的分离以及内外套筒柱、竖/斜腹杆、弦杆关键截面位置的应变展开测量。

1.5 材性试验结果

参考相关现行标准，对装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点的弦杆、腹杆以及方管柱进行取样，每组取样个数为3 个，落实材性试验，所得到的结果如下所示：3 mm 弦杆的厚度平均为3.16 mm，屈服强度平均为239.52 MPa，极限强度约为315.69 MPa，弹性模量约为1.62×105MPa，生产率约为26%；2 mm弦杆的厚度平均为2.08 mm，屈服强度平均为245.32 MPa，极限强度约为321.78 MPa，弹性模量约为1.66×105MPa，生产率约为21%；2 mm 腹杆的厚度平均为3.08 mm，屈服强度平均为259.96 MPa，极限强度约为456.03 MPa，弹性模量约为1.93×105MPa，生产率约为29%；6 mm 方管柱的厚度平均为6.16 mm，屈服强度平均为282.18 MPa，极限强度约为467.02 Mpa，弹性模量约为2.12×105MPa，生产率约为18%。

2 实验结果分析

2.1 滞回性能

在加载初期背景下，节点的转角相对较小，此时试件1 依然保持在弹性状态，所显现出的残余变形相对较小；此时，能够提取到的滞回环主要呈现为狭长形，面积偏低。在节点转角有所增加时，能够提取到的滞回环面积也随之增大，卸载阶段可以得到的残余变形也有所提升；在加载至第七级后，试件1 的弦杆发生屈曲，可观察到不可恢复的塑性变形；在加载至第十二级后，所得到的滞回环正负峰值均小于第十一级，产生这一结果的原因为，试件1 的斜向腹杆与竖向腹杆在加载至第十二级后，上下裂缝均转入撕裂状态，且斜向腹杆面内屈曲。

在荷载增大的条件下，试件2 所具备的残余应变也随之增大，相比于试件1 而言，所显现出的“捏锁效应”并不明显。产生这一结果的原因为，试件2 的短柱高度更小，节点端部箱体会在短柱的法兰内嵌入，所得到的节点刚度更大；此时，在往复荷载作用下，试件2 实际所承担着的力高于试件1，吸收的能量也更多，滞回环面积更大。在加载至后期，试件2 中的弦杆壁板、腹杆所产生的损伤严重程度高于试件1，实际所表现出的回复力相较较弱。

与试件1 相比，在弹性阶段、弹塑性阶段同级加载的条件下，试件3 所显现出的滞回曲线中，峰值点保持在高于试件1 的水平；滞回环面积更大。

需要注意的是，由于放置在试件4 上的测试位移计过早脱落，所以在本研究中未能针对试件4 的力学性能展开实验分析。

2.2 骨架变化

针对节点试件在水平荷载作用下所产生的破坏荷载、峰值荷载以及屈服荷载展开分析。对于本实验中所设定的节点试件而言，其所具备的弯矩转角均经过弹性阶段、弹塑性阶段以及塑形破坏阶段。对于试件1 而言，其所具备的正向抗弯承载力约为119.07 kN，所具备的负向抗弯承载力约为-131.4 kN；对于试件2 而言，其所具备的正向抗弯承载力约为138.2 kN，所具备的负向抗弯承载力约为-121.4 kN，两者之间存在着一定的差异性。在桁架梁弦杆厚度、节点形式发生变化时，节点试件1 与节点试件2 的抗弯承载力最大值并没有发生明显变化。

在节点转角达到0.04 rad 后，对于试件1 而言，其所具备的正向弯矩峰值约为107.73 kN·m，所具备的负向弯矩峰值约为-115.77 kN·m，均保持在低于试件2 弯矩峰值的水平。能够得出，在短柱高度发生变化的条件下，节点抗弯承载力也会随之发生改变；在短柱高度下降时，由于节点端部箱体会在短柱的法兰内嵌入，所以节点抗弯承载力会表现出有所增加的状态。

对于试件3 而言，其所具备的正向抗弯承载力约为121.34 kN，所具备的负向抗弯承载力约为-133.38 kN，与试件1 相比并没有存在较为明显的差距；与试件1 相比，试件3 更快转入塑性阶段；在试件1 与试件3 均转入塑性阶段后，试件3 的抗弯承载力所表现出的减小速度保持在高于试件1 的抗弯承载力所表现出的减小速度的状态。能够得出，在桁架梁弦杆厚度、节点形式发生变化时，节点转动刚度退化速度也会随之产生改变。

2.3 节点转动刚度

试件1 的初始节点转动刚度约为7 193 kN·m/rad，相比于试件2 保持在偏低水平（低32.2%左右）。由此可以了解到的是，在短柱高度发生变化的条件下，节点转动刚度也会随之发生改变；在短柱高度下降时，节点转动刚度会表现出有所增加的状态。在水平位移加载至±126 mm 后（节点转角约为6%），试件1的转动刚度高于试件2，能够得出，试件2 转动刚度所表现出的退化速度高于试件1；当节点转入塑性阶段后，相比于试件1，试件2 所产生的损伤严重程度更大。

相比于试件3 而言，试件1 的初始节点转动刚度比试件3 左侧的转动刚度更低，但是比试件3 右侧的转动刚度更高；在水平位移加载至±105 mm 后（节点转角约为5%），试件1 的节点转动刚度保持在低于试件3 左侧与右侧转动刚度的状态下；试件3 转动刚度所表现出的退化速度高于试件1，能够得出，在桁架梁弦杆厚度、节点形式发生变化时，节点转动刚度也会随之产生改变。

综合来看，在加载初期，所有节点试件的转动刚度均表现出明显下降的变化趋势，而在节点转角逐步提升的条件下，转动刚度的下降速度随之减小；在整个加载期间，并未观察到转角刚度突然变化的现象。相比较而言，试件3 所具备的初始转动刚度保持在最大水平，且其右侧所显现出的初始转动刚度要高于左侧。

2.4 强度退化分析

在水平位移加载至±105 mm 前（节点转角约为5%），试件1 的强度并未发生较为明显的变化；在水平位移加载至±126 mm 后（节点转角约为6%），试件1 所具备的强度退化系数为0.95；在水平荷载逐步增加的条件下，受到节点试件腹杆与弦杆塑性损伤程度逐渐提升的影响，试件1 的强度退化系数随之表现出下降的发展趋势，试件1 的承载能力也有所减小。

在水平位移加载至±21 mm 前（节点转角约为1%），试件2 的强度并未发生较为明显的变化；在水平位移加载至±84 mm 后（节点转角约为4%），试件2 所具备的强度退化系数为0.9；在水平荷载逐步增加的条件下，受到节点试件腹杆与弦杆塑性损伤程度逐渐提升的影响（出现裂纹，逐步贯穿整个弦杆），试件2 的强度退化系数随之表现出明显下降的发展趋势，试件2 的承载能力也有所减小，且试件2 的强度退化系数、承载能力下降速度显著高于试件1；在水平位移加载至后期，试件2 所具备的强度退化系数降低至0.78。

在水平位移加载前期，试件3 的强度并未发生较为明显的变化；在水平位移加载至±84 mm 后（节点转角约为4%），试件3 所具备的强度退化系数为0.97；在水平荷载逐步增加的条件下，节点试件腹杆与弦杆塑性损伤程度逐渐提升，能够观察到裂纹，且逐步贯穿整个弦杆，试件3 的强度退化系数随之表现出明显下降的发展趋势，试件2 的承载能力也有所减小，且试件3 的强度退化系数、承载能力下降速度显著高于试件1，但是小于试件2；在水平位移加载至后期，试件3 所具备的强度退化系数降低至0.8。

综合来看，虽然在实际的加载期间，试件1 的腹杆与弦杆均产生屈服，但是实际所具备的强度退化系数并未随之产生突变，整个加载过程中承载力的退化速度缓慢且均匀。相比较而言，试件2 与试件3 由于在加载期间发生严重的腹杆塑形损伤、弦杆塑形损伤，所以在加载至后续几个循环的条件下，强度退化系数产生突变，迅速且大幅下降。

2.5 延性分析

结合试件的骨架变化情况，落实对极限弯矩、峰值弯矩、节点屈服弯矩、极限转角、峰值转角、显著屈服转角这些指标数据进行确定，得到的实测结果（以试件1 为例）如下所示：正向加载条件下，试件1 的显著屈服转角为0.029 rad，节点屈服弯矩为106.11 kN·m，峰值转角为0.051 rad，峰值弯矩为119.1 kN·m，极限转角为0.06 rad，极限弯矩为107.6 kN·m；负向加载条件下，试件1 的显著屈服转角为-0.025 rad，节点屈服弯矩为-92.73 kN·m，峰值转角为-0.053 rad，峰值弯矩为-131.4 kN·m，极限转角为-0.063 rad，极限弯矩为-111.7 kN·m。

在此基础上，使用下述计算公式完成对节点试件延性系数的计算，即：

其中，节点的延性系数使用μcon进行表达；节点的屈服转角使用θy进行表达；节点的极限转角使用θu进行表达。所得到的结果（除试件4）有：正向加载条件下，试件1 的延性系数为2.06，试件2 的延性系数为3.25，试件3 左侧的延性系数为3.56，试件4 右侧的延性系数为3.23；负向加载条件下，试件1的延性系数为2.52，试件2 的延性系数为2.56，试件3左侧的延性系数为3.47，试件4 右侧的延性系数为2.94。

综合来看，节点试件的显著屈服转角保持在0.013～0.029 rad 的范围内，0.019 rad 为显著屈服转角均值，可以明确的是，由于使用短柱装配的方式，装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点初始转角刚度下降，而屈服转角有所增大；节点试件的峰值转角保持在0.032～0.065 rad 的范围内，0.047 rad 为峰值转角均值；破坏时，节点试件的极限转角保持在0.042～0.065 rad 的范围内，0.055 rad 为破坏时节点的极限转角均值；节点试件的延性系数平均值为2.95。由此可以判断，本研究所选取的新型装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点所具备的变形能力良好，实际可以展现出的抗震性能相对理想。

3 总结

综上所述，结合对多个装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点试件的力学性能分析，能够得出，在短柱高度发生变化的条件下，节点抗弯承载力也会随之发生改变；在桁架梁弦杆厚度、节点形式发生变化时，节点转动刚度退化速度也会随之产生改变；在加载初期，所有节点试件的转动刚度均表现出明显下降的变化趋势，而在节点转角逐步提升的条件下，转动刚度的下降速度随之减小；研究所选取的新型装配式钢管柱轻钢桁架梁连接节点所具备的变形能力良好。相比较而言，试件1 的力学性能更为理想。