裝配式雙梁多柱節(jié)點(diǎn)框架試驗(yàn)和數(shù)值模擬

翟喜梅, 查曉雄, 袁立剛

(深圳儲(chǔ)碳型水泥基材料工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳))，廣東 深圳 518055)

“模塊化建筑”是由工廠預(yù)制生產(chǎn)的“模塊單元”通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可靠連接形成的結(jié)構(gòu)體系[1]，模塊單元間的連接可靠度直接影響結(jié)構(gòu)整體的性能[2].大量學(xué)者對(duì)模塊化建筑連接節(jié)點(diǎn)開展了研究.Lawson等[3-4]給出輕鋼墻板和模塊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)建議；Englekirk[5]、Bahrami等[6]研發(fā)新型預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其延性等受力性能進(jìn)行試驗(yàn)；Annan等[7-8]通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)比了鋼模塊框架與傳統(tǒng)框架的抗震性能；Giriunas等[9]、王化杰等[10]分析了集裝箱連接節(jié)點(diǎn)的受力規(guī)律；劉學(xué)春等[11-12]研究了模塊化多高層鋼結(jié)構(gòu)的全螺栓梁柱連接形式，分析多項(xiàng)因素對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響；王星星[13]對(duì)多層冷成型鋼連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；文龍[14]提出利用暗梁內(nèi)套箍進(jìn)行水平連接的混凝土樓板預(yù)制裝配構(gòu)造，并進(jìn)行抗震性能分析.

在眾多模塊化建筑連接節(jié)點(diǎn)中，角件連接形式施工便捷，受力明確，最適合以墻板、樓板為基本模塊的裝配式板構(gòu)房屋連接.查曉雄等[15]提出一種裝配式輕體板構(gòu)房屋角件節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)為使樓板采用與墻板相似工藝進(jìn)行加工，將樓板內(nèi)伸進(jìn)墻板下梁內(nèi)，使墻板和樓板形成完全的板構(gòu)房屋，并在單側(cè)擰緊螺栓，減少搭建腳手架的費(fèi)用，需對(duì)已有角件節(jié)點(diǎn)做出修改，并在靜力荷載條件下進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究雙梁多柱的抗彎剛度計(jì)算方法及小斜撐、灌漿等構(gòu)造措施的影響.

1 角件節(jié)點(diǎn)連接形式

查曉雄等[15]提出的角件節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)板及雙梁雙柱組成，在上下層墻板拼裝時(shí)，上下層立柱端部焊接開設(shè)定位銷孔的柱端鋼板，并與節(jié)點(diǎn)板上的定位銷相連接，上下層墻板H型鋼梁的翼緣與節(jié)點(diǎn)板通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接.定位銷下端為帶螺紋的螺桿，同下層墻板柱子的柱端鋼板螺紋連接，上端的尖端部分用來(lái)導(dǎo)向上層墻體安裝，開孔用于吊裝方便，上層柱子下端的柱端鋼板的定位銷孔用于插入定位銷的尖端部分(圖1).新型輕體板結(jié)構(gòu)上下層墻板拼裝時(shí)出現(xiàn)H型雙梁，考慮到樓板與墻體的連接和板構(gòu)房屋裝配時(shí)施工順序的問(wèn)題，將雙梁的上梁改為T型鋼梁，見(jiàn)圖2，使樓板內(nèi)嵌進(jìn)上部墻體T型鋼梁內(nèi)；裝配輕體板房屋時(shí)先安裝下層墻板，采用節(jié)點(diǎn)板對(duì)下層墻板進(jìn)行固定，然后安裝樓板，最后安裝上層墻板；墻板鋼框架H型鋼梁中間部位焊接鋼墊板，并設(shè)螺栓孔，樓板鋼框架為矩形鋼管，矩形鋼管中間部位焊接螺桿，安裝樓板的過(guò)程中，使樓板的螺桿與鋼墊板上的螺孔對(duì)應(yīng)，通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接.

圖1 定位銷與柱端鋼板

圖2 樓板內(nèi)嵌示意

為使上下層墻板進(jìn)行連接，在梁端上下層連接處，設(shè)計(jì)一種單側(cè)連接盒，實(shí)現(xiàn)墻體單側(cè)開洞和施工，加強(qiáng)梁端強(qiáng)度并使塑性鉸外移，提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能.連接盒與梁柱均焊接在一起，形成墻板鋼框架，為進(jìn)一步提高鋼框架平面內(nèi)的抗側(cè)剛度，在節(jié)點(diǎn)處加入了小斜撐的構(gòu)造措施，小斜撐采用5#槽鋼焊接于梁柱端部，由梁、柱、連接盒、開孔節(jié)點(diǎn)板、定位銷、高強(qiáng)螺栓和小斜撐組成角件節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖3，新型輕體板結(jié)構(gòu)拼裝形成L型、T型、十字型角件節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖4.

圖3 節(jié)點(diǎn)連接示意

圖4 角件節(jié)點(diǎn)

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

以某擬建新型裝配式組合輕體板結(jié)構(gòu)住宅工程為研究背景，采用1∶1比例的兩層一跨模型，對(duì)L型、T型、十字型和L型灌漿四種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水平靜力側(cè)推試驗(yàn)，試件編號(hào)分別為JD1、JD2、JD3、JD4.立柱采用尺寸為130 mm×130 mm×6 mm的方鋼管，H型鋼梁尺寸為150 mm×130 mm×7 mm×10 mm，T型鋼梁尺寸為150 mm×130 mm×7 mm×10 mm，鋼材型號(hào)均為Q345鋼.試件尺寸見(jiàn)圖5，試件所使用鋼材材性見(jiàn)表1.

圖5 試件尺寸(mm)

表1 鋼材材性

2.2 加載裝置和加載制度

試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖6.

圖6 加載裝置示意

試驗(yàn)以二層框架梁的位移作為控制位移進(jìn)行分級(jí)加載，首先以2 mm為一級(jí)荷載，加載至6 mm，然后分別以1/500、1/400、1/300、1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50的層間位移角限值為控制位移加載，直至試件進(jìn)入下降段或出現(xiàn)破壞.每一級(jí)加載持荷時(shí)間不少于10 min.試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)監(jiān)測(cè)到試件出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象時(shí)，開始緩慢加載，當(dāng)荷載下降到峰值荷載的85%以下時(shí)，可停止加載.此外，當(dāng)發(fā)生下列現(xiàn)象之一時(shí)也認(rèn)為試件已經(jīng)失去承載能力或已不安全，可停止加載：1)螺栓被剪斷或節(jié)點(diǎn)被破壞；2)柱端或梁端出現(xiàn)明顯屈服破壞現(xiàn)象；3)節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)破壞；4)層間位移角達(dá)到1/30(頂端位移200 mm).

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)和破壞過(guò)程

JD1在彈性階段進(jìn)行有小斜撐框架的靜力側(cè)推試驗(yàn)，為對(duì)比小斜撐對(duì)鋼框架剛度的影響，現(xiàn)場(chǎng)切掉小斜撐后繼續(xù)加載，見(jiàn)圖7(a).試驗(yàn)現(xiàn)象表明：1)各試件破壞共同點(diǎn)是T型梁梁端的小斜撐下方位置處最先出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，見(jiàn)圖7(b)，雙梁的變形情況不一致，協(xié)同工作性能不好；四類節(jié)點(diǎn)均完好，見(jiàn)圖7(c)，滿足“強(qiáng)柱弱梁”與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求；2)各試件破壞不同點(diǎn)是JD2雙柱協(xié)同工作性能較好，見(jiàn)圖7(d)，沿平行框架平面排列緊密；JD3三柱沿平行框架平面排列，見(jiàn)圖7(e)，出現(xiàn)柱子大變形，內(nèi)力重新分配；JD4雙柱協(xié)同工作性能較差，雙柱沿垂直框架平面排列，見(jiàn)圖7(f)，錯(cuò)位現(xiàn)象明顯.

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)象

3.2 荷載-位移曲線

圖8為各試件的荷載-位移曲線，其中F為二層的剪力，Δ為二層頂部位移與地梁的滑移差值，JD1-1為L(zhǎng)型帶小斜撐節(jié)點(diǎn)試件，JD1-2為L(zhǎng)型無(wú)小斜撐節(jié)點(diǎn)試件.加載前期，曲線處于線彈性階段，隨著荷載增大，T型梁梁端變形使試件緩慢進(jìn)入非線性的彈塑性階段.柱頂位移達(dá)到200 mm時(shí)，JD1-2與JD4基本平緩達(dá)到實(shí)際最大荷載，JD2與JD3仍有較大上升趨勢(shì)，其強(qiáng)度與剛度均比JD1-2與JD4高.JD3的荷載-位移曲線在柱頂位移130 mm時(shí)剛度發(fā)生突變，出現(xiàn)剛度強(qiáng)化現(xiàn)象，結(jié)合柱子變形與縫隙變化的試驗(yàn)現(xiàn)象，推測(cè)為十字型節(jié)點(diǎn)試件采用三柱拼合的結(jié)構(gòu)形式，其柱子數(shù)量較多，當(dāng)大變形發(fā)生時(shí)，由于柱端節(jié)點(diǎn)板的約束作用，框架內(nèi)柱發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)后的內(nèi)柱相當(dāng)于斜壓桿，使框架的整體抗側(cè)剛度增加.整體鋼框架變形能力較強(qiáng)，當(dāng)試件頂端位移達(dá)到200 mm時(shí)，試件均未達(dá)到下降段，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn).JD1-1與JD1-2對(duì)比得出，小斜撐提高了框架整體初始剛度的38%；JD1-1與JD4對(duì)比得出，節(jié)點(diǎn)灌漿后的框架整體剛度提高了14%，表明小斜撐、灌漿對(duì)整體框架剛度有積極影響，但節(jié)點(diǎn)處灌漿施工困難，且框架整體性較好，節(jié)點(diǎn)自身傳力效果良好，因此建議在節(jié)點(diǎn)處不進(jìn)行灌漿處理.

圖8 各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線

4 雙梁多柱理論研究

4.1 雙梁典型截面應(yīng)變分析

T型與H型鋼梁獨(dú)立工作時(shí)，兩者理論中和軸分別為yT0與yH0，協(xié)同工作時(shí)雙梁理論中和軸為yTH(圖9).由試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)得到的中和軸位置與雙梁獨(dú)立工作的中和軸位置基本一致，與雙梁協(xié)同工作的中和軸位置完全不同.試驗(yàn)的中和軸位置平均值與雙梁獨(dú)立工作時(shí)的理論值對(duì)比見(jiàn)表2，T型、H型鋼梁中和軸誤差均小于5%.試驗(yàn)結(jié)果表明：雙梁完全獨(dú)立工作，其等效抗彎剛度可取EbIT+EbIH，其中Eb為鋼梁彈性模量，IT和IH分別為T型、H型鋼梁截面慣性矩.

表2 梁端截面中和軸位置試驗(yàn)值與理論值對(duì)比

4.2 雙柱典型截面應(yīng)變分析

雙柱獨(dú)立工作時(shí)，兩者理論中和軸分別為y01與y02，兩者協(xié)同工作時(shí)，中和軸為y12(圖10).由試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)得到的中和軸位置與雙柱獨(dú)立工作時(shí)的中和軸位置不完全一致，框架柱承擔(dān)的應(yīng)力比立柱大，當(dāng)框架柱達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，立柱尚未達(dá)到極限強(qiáng)度，雙柱實(shí)際抗彎剛度小于理論雙柱獨(dú)立工作的抗彎剛度.柱端截面試驗(yàn)中和軸位置平均值與理論值對(duì)比見(jiàn)表3，立柱中和軸誤差僅為2.5%，框架柱中和軸誤差為6.2%.試驗(yàn)結(jié)果表明：雙柱不完全獨(dú)立工作，其等效抗彎剛度應(yīng)小于2EcIc，其中Ec和Ic分別為柱子彈性模量和截面慣性矩.

圖9 梁端截面理論中和軸位置

圖10 柱端截面理論中和軸位置

表3 柱端截面中和軸位置試驗(yàn)值與理論值對(duì)比

4.3 多柱等效抗彎剛度推導(dǎo)

不同節(jié)點(diǎn)的側(cè)移剛度試驗(yàn)值與理論值見(jiàn)表4.

表4 側(cè)移剛度試驗(yàn)值與理論值對(duì)比

雙柱和三柱的理論抗彎剛度分別為2EcIc、3EcIc.T型、十字型節(jié)點(diǎn)框架的試驗(yàn)值均大于理論值，理論設(shè)計(jì)是安全的，故T型、十字型節(jié)點(diǎn)抗彎剛度分別取2EcIc、3EcIc；L型節(jié)點(diǎn)框架抗彎剛度試驗(yàn)值小于理論值，為增加設(shè)計(jì)安全性，在理論計(jì)算中引入安全系數(shù)η(0<η<1)，則雙柱的抗彎剛度為2ηEcIc，通過(guò)與試驗(yàn)側(cè)移剛度對(duì)比得到η值.根據(jù)D值法得L型節(jié)點(diǎn)框架側(cè)移剛度D計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：α為框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)柱側(cè)移剛度的影響系數(shù)，k′c為框架柱線剛度，hc為框架柱高度.

L型節(jié)點(diǎn)框架整體剛度試驗(yàn)值D=0.51 kN/mm，根據(jù)式(1)、(2)，得到η=0.87，即L型節(jié)點(diǎn)抗彎剛度為1.74EcIc.

5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀邢拊治?/h2>

采用ABAQUS/CAE建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，由于試?yàn)中節(jié)點(diǎn)螺栓無(wú)松動(dòng)破壞現(xiàn)象，連接性能良好，可簡(jiǎn)化為固結(jié)，在節(jié)點(diǎn)板與框架梁連接部位采用tie連接.構(gòu)件有限元模擬結(jié)果云圖見(jiàn)圖11，出現(xiàn)T型梁梁端屈服與柱子錯(cuò)位現(xiàn)象.各節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元荷載-位移曲線見(jiàn)圖12，L型、T型節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本一致， 但十字型節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)有較大差異，因?yàn)閷?shí)際裝配過(guò)程中相鄰柱子之間存在不均勻的縫隙，試驗(yàn)加載過(guò)程中不同縫隙的變化難以模擬，其模擬結(jié)果更接近理想狀態(tài).有限元模擬的不同節(jié)點(diǎn)的初始剛度和極限承載力與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5，誤差基本在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模擬的正確性.

圖11 有限元計(jì)算結(jié)果云圖

圖12 試驗(yàn)和有限元荷載-位移曲線

表5 試驗(yàn)與有限元的初始剛度和極限荷載對(duì)比

6 結(jié) 論

1)角件節(jié)點(diǎn)連接性能良好，框架破壞首先發(fā)生在T型梁梁端的小斜撐下方位置，即梁鉸破壞，最后柱腳出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)部位完好，滿足“強(qiáng)柱弱梁”與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求.

2)小斜撐提高了框架整體初始剛度的38%左右，節(jié)點(diǎn)灌漿提高了框架整體初始剛度的14%左右，但由于節(jié)點(diǎn)灌漿施工難度大，且節(jié)點(diǎn)本身性能良好，建議節(jié)點(diǎn)不灌漿.

3)通過(guò)對(duì)雙梁多柱端部截面的應(yīng)變分析，以及框架側(cè)移剛度分析，提出了雙梁多柱的工作模式及其等效抗彎剛度計(jì)算方法，為工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)與理論參考.