一种装配式钢结构农村住宅的梁柱节点研究

杨帆 王鑫 杜长虹

摘 要：通过拟静力试验，验证了设计的装配式钢结构农村住宅的梁柱节点具有一定的承载能力、较好的延性以及很好的耗能性能。

关键词：装配式钢结构梁柱节点；抗震性能；耗能性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.091

1 引言

在我国近几年的地震中，农村住宅破坏比较严重，给人民的生命财产带来了巨大的损失。钢结构抗震性能好，节能环保，易于模块化，受到了人们的推崇。装配式钢结构易于拆装，工业化生产，装配化施工，是现阶段我国重点推行的绿色建筑。张爱林等在《工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望》[1]中研发了工业化装配式高层钢结构多种新体系以及新节点和新构造。孙晓阳等在《某预制全装配式框架结构节点抗震性能有限元分析》[2]中结合国内首个预制全装配式公建项目，选取典型框架处3种具有代表性的关键空间节点进行节点抗震性能分析。郝际平等在《绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用》[3]中总结了传统钢结构形式为基础的改进型建筑体系，模块化新型建筑体系和工业化住宅建筑体系研究与应用。

本文根据设计规范设计出适于西北农村钢结构住宅的装配式节点，并设计试验验证此节点满足承载能力和抗震性能。

2 节点构造及设计

2.1 节点构造

适于农村钢结构住宅的装配式节点构造如图1所示。框架柱为H型钢，框架梁为宽翼缘H型钢，采用角钢连接柱和梁，其中角钢与柱连接部分采用焊接，與梁连接部分采用普通螺栓接。柱与角钢连接在工厂预制好，与梁连接部分在现场安装，实现施工方便。其中焊缝尺寸和螺栓间距、布置均符合钢结构规范的要求。

2.2 节点设计

根据装配式梁柱节点的设计和构造要求，梁和柱选择Q345钢，焊缝采用E43型，螺栓采用直径为20mm的普通螺栓。框架柱选择H300×300×10×15，梁选择H250×250×9×14，角钢选择200×125×12，焊脚尺寸8mm，螺栓边距40mm，螺栓中心间距，60mm。

3 试验设计

本次试验首先在试件柱顶端施加恒定轴向力500KN、700KN、900KN，柱底端放置球铰。然后在两侧悬臂梁端施加竖向反对称荷载，来模拟地震荷载，加载示意图图2。加载荷载，试件处于弹性阶段，设计荷载之前分两级，达到设计荷载之后，荷载加载步数变小，每次加载10KN，每级循环两次。试件进入塑性屈服阶段后，改为位移控制加载，以屈服位移的倍数为位移增量步长，逐级进行循环加载，每级循环2次，加载至破坏，试验结束。

为了获得节点在试验过程中的变化，在节点上布置了许多的传感器。传感器布置在节点端部梁的上翼缘、下翼缘和腹板，柱与梁连接上、下翼缘处。在梁、柱翼缘之间设置斜向位移计，来测量梁柱的相对转角。

4 试验现象

观察试验中节点处应变的变化，当多个测量点的应变达到屈服应变1.5×10-3时，认为对应时刻位移计的读数即为节点的屈服位移。经监测发现，当试件柱顶端施加恒定轴向力500KN、700KN、900KN，节点的屈服位移分别为△1=7.26mm、△2=6.51mm、△3=5.66mm。

观察试验中节点处应变变化，加载初期节点处于弹性阶段，卸载后几乎没有残余变形，节点呈弹性性质。当继续加载位移计数为约为2倍屈服位移时，节点处I字型梁上翼缘出现细微缝隙；当加载至位移计数约4倍屈服位移时，试件翼缘与柱翼缘相交处的间隙增加，间隙宽度约为 1.7 mm，可以明显看到空隙；当加载至位移计数约5倍屈服位移时，梁上翼缘被拉离柱翼缘达4.1 mm；继续加大荷载，试件变形继续加大，最大缝隙宽度达9 mm，继续加大荷载，变形过大，试验停止。

5 结果分析

5.1 荷载-位移曲线

依据位移计数器数据，绘制了节点在反复荷载作用下力与位移计读数关系的荷载-位移曲线，即滞回曲线，如图3。由图可知：滞回曲线稳定饱满，说明该节点耗能能力良好。加载初期耗能大；随着荷载的增加，位移达到屈服位移，耗能变小；荷载继续增加耗能又变大。这说明节点刚进入塑性时，局部发生较大变形，耗能减小，荷载继续增加，节点各部分均进入塑性，耗能增强。

5.2 延性

结构、构件或截面的延性是指从屈服到破坏的变形能力。延性是反映结构、构件或截面抗震能力的一个重要指标。延性越好，抗震能力越强。延性通常用延性系数来表达的。取位移延性系数为屈服位移值，为极限位移值。由试验数据得到，柱顶轴向力分别为500KN、700KN、900KN时，位移延性系数分别为15.3、13.2、11.5。不同轴力作用下节点的延性系数均大于10，说明节点有很好的延性。同时随着轴压比的增加，节点的延性降低。

6 结论

（1）通过试验得出此装配式钢节点，在梁端反复荷载作用下具有较高的承载力和良好的延性，耗能能力较好。

（2）随着轴压比增加，节点的延性降低，耗能能力降低。

（3）通过对试验测得应变值分析发现：加载过程中节点的翼缘与腹板交界处应变最大，该处最先形成裂缝。节点域在破坏前发生了屈服。

参考文献：

[1]张爱林.工业化装配式高层钢结构新体系关键研究和展望[J].北京建筑大学学报，2016，32（03）：21-28.

[2]孙晓阳.某预制装配式框架结构节点抗震性能有限元分析[J].施工技术，2012，41（376）：11-15.

[3]郝际平.绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用[J].工程力学，2017，34（01）：1-13.

甘肃省高等学校科研项目自筹经费项目（2017B-70）

天水师范学院科研项目（YB-2018-02）

作者简介：杨帆（1969-），男，甘肃人，学士，讲师，研究方向：结构工程。