钢结构体系应用广泛, 与传统钢筋混凝土结构相比, 钢结构具有强度高、重量轻、材料致密均匀以及力学性能良好等特点^[1]。钢结构的设计原则是强柱弱梁、强节点弱构件。这就要求节点的构造要安全可靠, 各项力学性能良好。试验圆钢管柱套筒节点主要应用于云南省山区低层钢结构建筑。云南省地理位置特殊, 位于高原地区, 山区较多, 道路运输条件比较差。在这种困难的运输条件下, 本试验提出了一种方便道路运输和施工现场安装的“圆钢管柱套筒节点”。在昆明理工大学抗震实验室进行了4个试件的低周期梁端往复荷载作用的拟静力试验, 研究套筒厚度和节点形式对节点受力情况的影响。

　　 本文提出的新型分离式外套筒节点如图1所示。圆钢管柱和套筒之间的连接、套筒和框架梁之间的连接都是在工厂内完成, 然后运输至现场, 通过螺栓连接框架梁之间的腹板, 通过焊接连接框架梁之间的翼缘。尽可能在工厂内完成钢构件节点连接, 这有利于提高工作效率、控制质量。此外, 还可以很好地解决连接上下套筒和钢柱的塞焊施工难度较大、施工质量不好控制等问题。

　　 外环板式节点试件以环板外径和厚度为变化参数, 套筒节点试件以套筒厚度为变化参数进行相应的研究。套筒钢梁翼缘两侧设计塞焊孔, 其直径为20mm。在工厂生产时分别在钢梁上下翼缘两边焊接尺寸为100×20的钢板, 钢板厚度和钢梁翼缘相同, 钢板采用Q235钢。试验圆钢柱高度为3.0m, 梁长度为1.0m。试验节点设计时, 假设在试验过程中, 钢梁首先发生破坏, 钢梁端发展成为塑性铰, 形成预期的梁铰机制^[2]。试件参数如表1所示, 试验所用钢材的力学性能在实验室测定, 如表2所示。

　　 为测量节点在试验加载过程中的应力变化及梁柱相对转角变化, 分别在套筒上、梁上翼缘、梁下翼缘、柱子上布置应变片, 在钢梁和钢柱的连接处放置位移计, 位移计及应变片布置分别如图2, 3所示。

　　 按照《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—96) ^[3], 试验过程中采用位移控制加载制度。试验装置如图4所示。为了防止装置在试验过程中发生失稳现象, 设置防失稳三脚架, 如图5所示。在钢柱顶部竖直方向上用千斤顶来加载荷载, 从试验的开始到结束使钢柱顶部的压力保持一个恒定的数值。使用MTS液压伺服作动器对钢梁的端部梁施加竖向荷载, MTS液压伺服作动器的行程为±250mm。试验过程使用微机进行控制, 试验全部数据由控制室微机采集。

　　 图4 试验装置图

　　  

　　 图5 防失稳三脚架

　　 各个试件的滞回曲线如图6～9所示。由图可知, 外环板节点试件和套筒节点试件的滞回曲线滞回环都呈现饱满的纺锤形, 两种节点形式的构件耗能情况都较好。结果表明, 采用两种节点形式连接的框架, 都能很好地抵抗水平作用力, 具有良好的耗能能力。10mm套筒节点试件和12mm套筒节点试件的滞回曲线与外环板节点试件的滞回曲线近似, 比较饱满, 可以很好地抵抗地震作用。而8mm套筒节点的滞回曲线不如外环板节点饱满, 抵抗地震作用能力较弱。

　　 图中某一段横向位移内竖向荷载产生跳跃的现象, 主要原因是作动器端头和梁的连接不是很平整, 对钢梁端施加荷载时作动器端头发生晃动。当试验过程中节点出现内部损伤, 也有可能导致图中跳跃的现象。试验后翼缘和焊缝也确实出现了细微的裂缝, 说明试验过程中翼缘和焊缝存在内部损伤。在不断施加荷载的过程中, 翼缘和焊缝的内部损伤逐步积累也是试件的延性和耗能能力的体现^[4,5]。

　　 各个试件试验骨架曲线如图10所示。由图可知, 外环板试件与10mm和12mm套筒节点试件的骨架曲线接近重合, 三个试件的极限承载力大约等于105kN。8mm套筒节点试件比以上三个试件的极限承载力小;影响试件试验骨架曲线图的两个因素为节点连接方式和套筒厚度。环板式节点试件和套筒式节点试件的连接形式虽然不同, 但当荷载达到极限时, 骨架曲线表现出趋势相同, 即曲线下降平缓, 这也表明两个不同的节点的塑性变形能力都较强。当套筒厚度较小时, 套筒节点试件的极限承载力比环板式节点试件的小。在一定范围内增大套筒厚度时, 套筒节点试件的极限承载力会随之增大, 略高于外环板式节点的极限承载力;再增大套筒厚度, 极限承载力变化不再明显。

　　 从滞回曲线、骨架曲线分析可以得到, 8mm厚度的套筒节点各项性能不如外环板节点。增加套筒的厚度至10mm时, 套筒节点的各项性能都得到提升, 略微优于外环板节点。此时, 从力学性能上来说, 套筒节点和传统外环板节点比较接近, 从美观实用上来说套筒节点则要优于外环板节点。

　　 比较3个不同套筒厚度的套筒节点, 保持其他的条件相同, 可以得到三者的滞回曲线和骨架曲线可知, 节点的力学性能受套筒厚度影响很大, 增加套筒的厚度时, 节点的塑性变形性能和消耗能量的能力都有提高, 当套筒的厚度增加到一定值, 节点的各项性能发生的变化较小。

　　 (1) 试验在小轴压比的条件下进行, 主要适用于低层建筑, 由于没有关于轴压比较大的资料参考, 故不适用于高层建筑。研究结果表明, 两种不同形式的节点都在钢梁端部的相同位置出现塑性铰, 且塑性铰位置距离梁柱连接点较远, 说明套筒节点和外环板节点两者都可以将梁的塑性铰外移, 使节点核心区得到保护。

　　 (2) 套筒式节点的抗震性能等各项性能都不弱于传统的外环板式节点。随着套筒厚度的增加, 套筒节点的各项力学性能指标增加。当套筒厚度达到一定的数值, 继续增加, 各项性能将不会有较大的提高。套筒式节点和传统的外环板节点相比有一些特别的优点。抗震性能方面, 套筒和圆钢柱之间的焊缝比较密集, 节点核心区的抗震性能更加好。外观方面, 传统的外环板式节点的外环板向圆钢柱外面凸出, 影响建筑的美观性, 套筒式节点则没有这个缺点。经济性方面, 套筒式节点的套筒高度较小, 用钢量较少。