裝配式鋼結(jié)構(gòu)配套外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)受力性能分析★

劉 勇，魏珍中，劉佳敏，萬 佳，焦晉峰

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013; 2.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

1 概述

我國(guó)原有的建設(shè)模式面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1],推廣裝配式建筑已成為建筑行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。新型外掛墻板因裝配率高、免裝修等優(yōu)勢(shì)被廣泛作為外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑起著保溫、防火等功能，對(duì)工程質(zhì)量具有重要影響，近年來已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。外觀墻板通過節(jié)點(diǎn)與建筑相連，為保證墻板在地震作用下的正常使用，節(jié)點(diǎn)的安全性研究尤為重要。對(duì)于帶有外掛墻板的結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性能，大量學(xué)者運(yùn)用不同手段，并從不同角度進(jìn)行了研究。肖成凱[2]認(rèn)為裝配式鋼框架與外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)決定了外掛墻板的抗震性能，且有限元軟件分析對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬可作為進(jìn)一步研究的參考。袁維光[3-4]研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅L型節(jié)點(diǎn)變形性能和墻板的破壞形態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)表明，連接節(jié)點(diǎn)角鋼厚度越小，變形能力越大，墻板損傷小，位移角2%之后，節(jié)點(diǎn)能夠使外圍護(hù)墻板適應(yīng)較大的結(jié)構(gòu)變形。隋偉寧[5]通過實(shí)驗(yàn)，研究摩擦板開孔形式、螺栓預(yù)緊力對(duì)摩擦耗能新型連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，驗(yàn)證鋁摩擦板采用單圓孔形式連接節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性最好，螺栓預(yù)緊力增加使節(jié)點(diǎn)的臨界摩擦力增加，節(jié)點(diǎn)處相對(duì)滑移減小。Paolo Negro[6]以三層預(yù)制混凝土建筑為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究混凝土框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能。侯和濤[7]設(shè)計(jì)了墻板與鋼框架梁連接方式和柱連接方式兩榀足尺模型，并對(duì)其進(jìn)行了水平循環(huán)加載試驗(yàn)，研究表明，相比梁連接方式，采用柱連接方式可提高結(jié)構(gòu)的極限承載力，且柱連接更利于提高鋼框架的抗側(cè)剛度。Matteis G D[8]從抗震設(shè)計(jì)的角度，對(duì)帶復(fù)合墻板的鋼框架進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外掛墻板的存在可以增大結(jié)構(gòu)的抗震性。Aref A J[9]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)表明，鋼框架結(jié)構(gòu)使用復(fù)合填充板時(shí)，可提高鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及耗能能力。GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[10]提到各構(gòu)件之間的連接應(yīng)符合以下要求：構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的破壞，不應(yīng)先于其連接的構(gòu)件；裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)的整體性。綜上所述，外掛墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)受力性能至關(guān)重要，不同的連接節(jié)點(diǎn)形式安全性及對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響程度不同，但目前研究對(duì)象大多為住宅樓，對(duì)變電站裝置樓的研究較少；在地震作用下外掛墻板節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能研究不夠全面，節(jié)點(diǎn)對(duì)帶有外掛墻板的鋼框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響研究較少。

本文以設(shè)置新型外掛墻板的鋼框架變電站裝置樓進(jìn)行分析，利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)現(xiàn)有工程連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出新型連接節(jié)點(diǎn)與之進(jìn)行對(duì)比，分析兩種節(jié)點(diǎn)在地震作用下的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移，對(duì)比兩種節(jié)點(diǎn)做法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。對(duì)設(shè)有外掛墻板的鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)安全性，以及類似節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提出參考與依據(jù)。

2 工程概況及節(jié)點(diǎn)做法

2.1 工程概況

本文以山東某110 kV單層鋼結(jié)構(gòu)變電站裝置樓為工程背景，該裝置樓采用模塊化外掛墻板作為外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)。外墻板正反兩面用高密度水泥纖維板，中間夾層填充防火材料，結(jié)成雙面一體的模塊墻板。方鋼管作為骨架，墻板安裝在外墻板骨架內(nèi)，本工程模塊化外掛墻板厚度取135 mm，墻板安裝示意圖見圖1。結(jié)構(gòu)尺寸為30 m×10 m，高度5 m，縱向共五跨，每跨6 m，橫向長(zhǎng)度為10 m并設(shè)置抗風(fēng)柱，屋面排水坡度為5%。

2.2 節(jié)點(diǎn)做法

該工程采用節(jié)點(diǎn)板作為連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板采用Q235鋼材，尺寸為50 mm×20 mm×3 mm。每根柱上下各焊接兩塊連接節(jié)點(diǎn)板，方鋼管作為墻板的骨架，方鋼管與節(jié)點(diǎn)板焊接連接，通過連接節(jié)點(diǎn)板使墻板骨架掛在建筑物外側(cè)，現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖見圖2，節(jié)點(diǎn)做法示意圖見圖3。

對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)點(diǎn)在柱上的布置位置不改變，改變節(jié)點(diǎn)形式。新型節(jié)點(diǎn)由底板與鋼板兩部分組成，底板與柱翼緣通過螺栓連接，底板焊接兩塊鋼板，鋼板間距為方鋼管寬度，形成可以?shī)A住方鋼管的類U形槽，新型節(jié)點(diǎn)做法見圖4。節(jié)點(diǎn)在工廠焊接組裝，現(xiàn)場(chǎng)用螺栓安裝在柱翼緣，方鋼管卡在兩塊鋼板之間，現(xiàn)場(chǎng)焊接兩塊鋼板與方鋼管。與現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)形式相比，節(jié)點(diǎn)與方鋼管接觸面積增大，節(jié)點(diǎn)與柱通過螺栓連接，只需焊接節(jié)點(diǎn)板與方鋼管一側(cè)，提高裝配率，加快現(xiàn)場(chǎng)施工速度。

3 有限元模型

新型節(jié)點(diǎn)做法的模型為加快計(jì)算收斂的速度，忽略螺栓，節(jié)點(diǎn)直接與工字型柱連接。本文研究重點(diǎn)為連接節(jié)點(diǎn)，墻板不是主要研究對(duì)象，故將模塊板簡(jiǎn)化為一整塊板。根據(jù)是否設(shè)置外掛墻板以及墻板是否開洞，每種節(jié)點(diǎn)做法各建立四個(gè)不同的模型，現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)做法的模型編號(hào)為Ⅰ-M1～Ⅰ-M4，新型節(jié)點(diǎn)做法的模型編號(hào)為Ⅱ-M1～Ⅱ-M4，模型主要信息見表1，模型各構(gòu)件參數(shù)見表2。

表1 模型信息 mm

表2 模型構(gòu)件截面尺寸

3.1 單元類型及材料屬性

用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，建立線單元與殼單元結(jié)合的多尺度模型。除墻板與屋頂外，其余構(gòu)件均選用Q235鋼材，鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為235 MPa。根據(jù)工程信息，屋頂板和外掛墻板密度為6 500 kg/m3，材料本構(gòu)關(guān)系參考文獻(xiàn)[11]。

對(duì)于多尺度模型，采用網(wǎng)格合并法進(jìn)行連接，各構(gòu)件相接觸的部分劃分為同樣大小的網(wǎng)格，形成共用節(jié)點(diǎn)，合并后的共用節(jié)點(diǎn)在荷載作用下可以共同變形。為觀察節(jié)點(diǎn)的性能，將節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，其余構(gòu)件僅在與節(jié)點(diǎn)接觸的部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，確保后期網(wǎng)格合并時(shí)形成共用節(jié)點(diǎn)。

3.2 荷載與約束

僅考慮水平地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，沿結(jié)構(gòu)縱向施加地震加速度，對(duì)柱腳和方鋼管底端約束位移與轉(zhuǎn)角，在施加地震加速度的方向不進(jìn)行約束。本工程地震參數(shù)參考GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[12]，根據(jù)工程信息，抗震設(shè)防烈度為8度。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 節(jié)點(diǎn)抗震性能

4.1.1 應(yīng)力分析

改進(jìn)節(jié)點(diǎn)做法后，分別對(duì)比四個(gè)模型，相同位置的節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力均減小。相同位置下，不同節(jié)點(diǎn)做法節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力對(duì)比見表3。未設(shè)置外掛墻板的M1模型，Ⅰ-M1模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為245.8 MPa，Ⅱ-M1模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為38.5 MPa，應(yīng)力減小84.34%；設(shè)置外掛墻板的M2模型，Ⅰ-M2模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為241.8 MPa，Ⅱ-M1模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為37.4 MPa，應(yīng)力減小84.52%；墻板開門洞的M3模型，應(yīng)力減小最為明顯，Ⅰ-M3模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為242.5 MPa，Ⅱ-M3模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為37.2 MPa，應(yīng)力減小84.66%；外掛墻板開門洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為232.7 MPa，Ⅱ-M4模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為41.8 MPa，應(yīng)力減小82.06%。分析改進(jìn)節(jié)點(diǎn)做法后的應(yīng)力云圖，整個(gè)模型應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)板，應(yīng)力分別為38.7 MPa,230.3 MPa,231.6 MPa,229.7 MPa，在地震作用下，四個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)板未失效，最大應(yīng)力均未超過鋼材屈服強(qiáng)度235 MPa。節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)后，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力、與節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)前節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力相同位置應(yīng)力值對(duì)比見圖5。

表3 節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后應(yīng)力對(duì)比

4.1.2 位移分析

觀察新型節(jié)點(diǎn)板模型的位移云圖，位移最大的位置仍為屋頂處，節(jié)點(diǎn)板做法的改進(jìn)并未改變結(jié)構(gòu)的變形類型。兩種節(jié)點(diǎn)做法下的節(jié)點(diǎn)板最大位移對(duì)比見表4，未設(shè)置外掛墻板的M1模型，Ⅰ-M1模型的節(jié)點(diǎn)板最大位移為19.35 mm，Ⅱ-M1模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)力為19.04 mm，位移減小1.60%；設(shè)置外掛墻板的M2模型，位移減小最為明顯，Ⅰ-M2模型的節(jié)點(diǎn)板最大位移為12.54 mm，Ⅱ-M2模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大位移為11.96 mm，位移減小4.63%；墻板開門洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的節(jié)點(diǎn)板最大位移為12.56 mm，Ⅱ-M3模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大位移為12.01 mm，位移減小4.38%；墻板開門洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的節(jié)點(diǎn)板最大位移為12.52 mm，Ⅱ-M4模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大位移為12.25 mm，位移減小2.16%。改進(jìn)節(jié)點(diǎn)做法后，四個(gè)模型相同位置處的節(jié)點(diǎn)最大位移均減小。

表4 節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后位移對(duì)比

4.1.3 應(yīng)變分析

觀察不同墻板形式的模型的應(yīng)變?cè)茍D，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變最大位置均在節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)板應(yīng)變見圖6，四個(gè)模型的最大應(yīng)變分別為6.181e-004，1.518e-003，1.149e-003，1.487e-003，設(shè)置外掛墻板的三個(gè)模型最大應(yīng)變降低不超過25%，未設(shè)置外掛墻板的Ⅰ-M1模型相比其余三個(gè)模型，最大應(yīng)力減小85.89%，表明設(shè)置外掛墻板，增大了結(jié)構(gòu)整體重量，在地震作用下節(jié)點(diǎn)板有更大的應(yīng)變。節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)前后相同位置的最大應(yīng)變對(duì)比見表5，未設(shè)置外掛墻板的M1模型，Ⅰ-M1模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.141e-002，Ⅱ-M1模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.697e-004；設(shè)置外掛墻板的M2模型，Ⅰ-M2模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.947e-002，Ⅱ-M2模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.381e-004；墻板開門洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.068e-002，Ⅱ-M3模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.388e-004；墻板開門洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.038e-002，Ⅱ-M4模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板最大應(yīng)變?yōu)?.343e-004。最大應(yīng)變減小最大為99.34%。

表5 節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后應(yīng)變對(duì)比

表明新型節(jié)點(diǎn)做法可以有效減小節(jié)點(diǎn)板應(yīng)變。改進(jìn)節(jié)點(diǎn)做法以后，由原來的單鋼板與方鋼管連接改為雙鋼板與方鋼管連接，連接節(jié)點(diǎn)與方鋼管的接觸面積增大。新型節(jié)點(diǎn)做法，有效減小了節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力、位移以及應(yīng)變，提高了節(jié)點(diǎn)安全性，保證了在地震作用下，節(jié)點(diǎn)使用的有效性。

4.2 結(jié)構(gòu)整體分析

4.2.1 模態(tài)分析

利用ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到模型的自振周期，兩種節(jié)點(diǎn)做法下的自振周期進(jìn)行對(duì)比。未設(shè)置外掛墻板的M1模型，Ⅰ-M1模型的自振周期為0.130 s，Ⅱ-M1模型自振周期為0.089 s；設(shè)置外掛墻板的M2模型，Ⅰ-M2模型的自振周期為0.207 s，Ⅱ-M2自振周期為0.179 s；墻板開門洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的自振周期為0.208 s，Ⅱ-M3自振周期為0.177 s；墻板開門洞窗洞的M4模型，節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)前自振周期為0.208 s，節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)后自振周期為0.174 s。每種節(jié)點(diǎn)做法下不同模型自振周期進(jìn)行對(duì)比，Ⅰ-M2～Ⅰ-M4模型的自振周期分別為0.207 s,0.208 s,0.208 s，Ⅱ-M2～Ⅱ-M4模型的自振周期為0.179 s,0.177 s,0.174 s，表明墻板是否開洞以及開洞形式對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期影響較小。與現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)的模型相比，新型節(jié)點(diǎn)的模型方鋼管的變形幅度明顯減小。通過自振周期的變化，可對(duì)比出節(jié)點(diǎn)做法對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，計(jì)算公式為：

K=mω2

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，K1，T1分別為現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)做法模型的剛度與自振周期；K2,T2分別為新型節(jié)點(diǎn)做法模型的剛度與自振周期。節(jié)點(diǎn)做法的改進(jìn)，有效減小了模型自振周期，經(jīng)過式(4)計(jì)算，Ⅱ-M1模型比Ⅰ-M1模型剛度提高53.13%；Ⅱ-M2模型比Ⅰ-M2模型剛度提高25.22%；Ⅱ-M3模型比Ⅰ-M3模型剛度提高27.59%；Ⅱ-M4模型比Ⅰ-M4模型剛度提高30.02%。表明新型節(jié)點(diǎn)做法，有效提高結(jié)構(gòu)整體的剛度。節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后自振周期與剛度對(duì)比見表6。

表6 節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后自振周期與剛度對(duì)比

4.2.2 位移分析

在x方向的地震作用下，結(jié)構(gòu)在縱向位移較為明顯，對(duì)新型節(jié)點(diǎn)做法的4個(gè)模型分別提取A點(diǎn)位移，參考GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，Ⅱ-M1模型的A點(diǎn)最大位移為6.03 mm，結(jié)構(gòu)層間位移角為1/830，滿足規(guī)范要求的不帶墻板時(shí)小于1/800的要求；Ⅱ-M2模型的A點(diǎn)最大位移為0.431 mm，結(jié)構(gòu)層間位移角為1/11 598，滿足規(guī)范要求的墻板不開洞時(shí)小于1/2 000的要求；Ⅱ-M3模型的A點(diǎn)最大位移為0.344 mm，結(jié)構(gòu)層間位移角1/14 526，Ⅱ-M4模型的A點(diǎn)最大位移0.35 mm，結(jié)構(gòu)層間位移角為1/14 410，滿足規(guī)范要求的墻板開洞時(shí)小于1/926的要求。對(duì)比節(jié)點(diǎn)板做法改進(jìn)前后模型的結(jié)構(gòu)整體位移，改進(jìn)節(jié)點(diǎn)做法后，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)A的縱向位移減小。以M3模型的位移對(duì)比曲線為例，節(jié)點(diǎn)做法改進(jìn)前后，結(jié)構(gòu)在地震作用下位移形式類似，模型整體位移大小和振動(dòng)幅度明顯減小，結(jié)構(gòu)位移對(duì)比曲線見圖7。

通過分析結(jié)構(gòu)整體，表明在新型節(jié)點(diǎn)做法下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移與自振周期均減小，且在地震作用下方鋼管的變形幅度減小。新型的節(jié)點(diǎn)板增加了結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的穩(wěn)定性，方鋼管與柱的連接更加牢固，在地震作用下變形更加協(xié)調(diào)，有利于提高外掛墻板的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文以設(shè)置外掛墻板的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)為工程背景，通過有限元手段，在地震作用下對(duì)比分析兩種節(jié)點(diǎn)，主要得到以下結(jié)論：

1)新型節(jié)點(diǎn)在地震作用下受力性能更好，現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)板受力過大，Ⅰ-M1～Ⅰ-M3節(jié)點(diǎn)板受力處于塑性狀態(tài)；新型節(jié)點(diǎn)板受力更小，Ⅱ-M1～Ⅱ-M4節(jié)點(diǎn)板受力均處于彈性狀態(tài)，Ⅰ-M1～Ⅰ-M4與Ⅱ-M1～Ⅱ-M4相同位置的節(jié)點(diǎn)受力最大減小84.66%。

2)與現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)做法相比，新型節(jié)點(diǎn)雙鋼板連接，與方鋼管的接觸面積增大，在地震作用下有更好的變形能力，位移與應(yīng)變均減小，四種墻板設(shè)置形式的模型相同位置的節(jié)點(diǎn)板位移分別減小1.60%,4.63%,4.38%,2.16%，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)變分別降低98.51%,99.29%,99.33%,99.34%。

3)四種不同外掛墻板設(shè)置情況下，兩種節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大側(cè)向位移均滿足規(guī)范要求；新型節(jié)點(diǎn)做法的結(jié)構(gòu)鋼管的變形幅度明顯減小，通過結(jié)構(gòu)自振頻率的對(duì)比，新型節(jié)點(diǎn)剛度更大，其中未設(shè)置外掛墻板的節(jié)點(diǎn)剛度提高效果最大，與現(xiàn)有工程節(jié)點(diǎn)相比剛度提高53.13%。