裝配式雙梁多柱節點框架試驗和數值模擬

翟喜梅, 查曉雄, 袁立剛

(深圳儲碳型水泥基材料工程重點實驗室(哈爾濱工業大學(深圳))，廣東 深圳 518055)

“模塊化建筑”是由工廠預制生產的“模塊單元”通過現場可靠連接形成的結構體系[1]，模塊單元間的連接可靠度直接影響結構整體的性能[2].大量學者對模塊化建筑連接節點開展了研究.Lawson等[3-4]給出輕鋼墻板和模塊節點的設計建議；Englekirk[5]、Bahrami等[6]研發新型預制梁柱節點，并對其延性等受力性能進行試驗；Annan等[7-8]通過試驗研究對比了鋼模塊框架與傳統框架的抗震性能；Giriunas等[9]、王化杰等[10]分析了集裝箱連接節點的受力規律；劉學春等[11-12]研究了模塊化多高層鋼結構的全螺栓梁柱連接形式，分析多項因素對節點性能的影響；王星星[13]對多層冷成型鋼連接節點進行了試驗研究；文龍[14]提出利用暗梁內套箍進行水平連接的混凝土樓板預制裝配構造，并進行抗震性能分析.

在眾多模塊化建筑連接節點中，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房屋連接.查曉雄等[15]提出一種裝配式輕體板構房屋角件節點，現為使樓板采用與墻板相似工藝進行加工，將樓板內伸進墻板下梁內，使墻板和樓板形成完全的板構房屋，并在單側擰緊螺栓，減少搭建腳手架的費用，需對已有角件節點做出修改，并在靜力荷載條件下進行試驗和數值模擬，研究雙梁多柱的抗彎剛度計算方法及小斜撐、灌漿等構造措施的影響.

1 角件節點連接形式

查曉雄等[15]提出的角件節點由節點板及雙梁雙柱組成，在上下層墻板拼裝時，上下層立柱端部焊接開設定位銷孔的柱端鋼板，并與節點板上的定位銷相連接，上下層墻板H型鋼梁的翼緣與節點板通過高強螺栓連接.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導向上層墻體安裝，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).新型輕體板結構上下層墻板拼裝時出現H型雙梁，考慮到樓板與墻體的連接和板構房屋裝配時施工順序的問題，將雙梁的上梁改為T型鋼梁，見圖2，使樓板內嵌進上部墻體T型鋼梁內；裝配輕體板房屋時先安裝下層墻板，采用節點板對下層墻板進行固定，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，安裝樓板的過程中，使樓板的螺桿與鋼墊板上的螺孔對應，通過高強螺栓連接.

圖1 定位銷與柱端鋼板

圖2 樓板內嵌示意

為使上下層墻板進行連接，在梁端上下層連接處，設計一種單側連接盒，實現墻體單側開洞和施工，加強梁端強度并使塑性鉸外移，提高節點的抗震性能.連接盒與梁柱均焊接在一起，形成墻板鋼框架，為進一步提高鋼框架平面內的抗側剛度，在節點處加入了小斜撐的構造措施，小斜撐采用5#槽鋼焊接于梁柱端部，由梁、柱、連接盒、開孔節點板、定位銷、高強螺栓和小斜撐組成角件節點見圖3，新型輕體板結構拼裝形成L型、T型、十字型角件節點形式見圖4.

圖3 節點連接示意

圖4 角件節點

2 試驗概況

2.1 試件設計

以某擬建新型裝配式組合輕體板結構住宅工程為研究背景，采用1∶1比例的兩層一跨模型，對L型、T型、十字型和L型灌漿四種節點進行水平靜力側推試驗，試件編號分別為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，鋼材型號均為Q345鋼.試件尺寸見圖5，試件所使用鋼材材性見表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

試驗加載裝置見圖6.

圖6 加載裝置示意

試驗以二層框架梁的位移作為控制位移進行分級加載，首先以2 mm為一級荷載，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，直至試件進入下降段或出現破壞.每一級加載持荷時間不少于10 min.試驗過程中，當監測到試件出現明顯屈服現象時，開始緩慢加載，當荷載下降到峰值荷載的85%以下時，可停止加載.此外，當發生下列現象之一時也認為試件已經失去承載能力或已不安全，可停止加載：1)螺栓被剪斷或節點被破壞；2)柱端或梁端出現明顯屈服破壞現象；3)節點板出現破壞；4)層間位移角達到1/30(頂端位移200 mm).

3 試驗結果及分析

3.1 破壞形態和破壞過程

JD1在彈性階段進行有小斜撐框架的靜力側推試驗，為對比小斜撐對鋼框架剛度的影響，現場切掉小斜撐后繼續加載，見圖7(a).試驗現象表明：1)各試件破壞共同點是T型梁梁端的小斜撐下方位置處最先出現屈服現象，見圖7(b)，雙梁的變形情況不一致，協同工作性能不好；四類節點均完好，見圖7(c)，滿足“強柱弱梁”與“強節點弱構件”的設計要求；2)各試件破壞不同點是JD2雙柱協同工作性能較好，見圖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，見圖7(e)，出現柱子大變形，內力重新分配；JD4雙柱協同工作性能較差，雙柱沿垂直框架平面排列，見圖7(f)，錯位現象明顯.

圖7 試驗現象

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型帶小斜撐節點試件，JD1-2為L型無小斜撐節點試件.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入非線性的彈塑性階段.柱頂位移達到200 mm時，JD1-2與JD4基本平緩達到實際最大荷載，JD2與JD3仍有較大上升趨勢，其強度與剛度均比JD1-2與JD4高.JD3的荷載-位移曲線在柱頂位移130 mm時剛度發生突變，出現剛度強化現象，結合柱子變形與縫隙變化的試驗現象，推測為十字型節點試件采用三柱拼合的結構形式，其柱子數量較多，當大變形發生時，由于柱端節點板的約束作用，框架內柱發生失穩，失穩后的內柱相當于斜壓桿，使框架的整體抗側剛度增加.整體鋼框架變形能力較強，當試件頂端位移達到200 mm時，試件均未達到下降段，沒有明顯的屈服點.JD1-1與JD1-2對比得出，小斜撐提高了框架整體初始剛度的38%；JD1-1與JD4對比得出，節點灌漿后的框架整體剛度提高了14%，表明小斜撐、灌漿對整體框架剛度有積極影響，但節點處灌漿施工困難，且框架整體性較好，節點自身傳力效果良好，因此建議在節點處不進行灌漿處理.

圖8 各節點的荷載-位移曲線

4 雙梁多柱理論研究

4.1 雙梁典型截面應變分析

T型與H型鋼梁獨立工作時，兩者理論中和軸分別為yT0與yH0，協同工作時雙梁理論中和軸為yTH(圖9).由試驗應變數據得到的中和軸位置與雙梁獨立工作的中和軸位置基本一致，與雙梁協同工作的中和軸位置完全不同.試驗的中和軸位置平均值與雙梁獨立工作時的理論值對比見表2，T型、H型鋼梁中和軸誤差均小于5%.試驗結果表明：雙梁完全獨立工作，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值與理論值對比

4.2 雙柱典型截面應變分析

雙柱獨立工作時，兩者理論中和軸分別為y01與y02，兩者協同工作時，中和軸為y12(圖10).由試驗應變數據得到的中和軸位置與雙柱獨立工作時的中和軸位置不完全一致，框架柱承擔的應力比立柱大，當框架柱達到極限強度時，立柱尚未達到極限強度，雙柱實際抗彎剛度小于理論雙柱獨立工作的抗彎剛度.柱端截面試驗中和軸位置平均值與理論值對比見表3，立柱中和軸誤差僅為2.5%，框架柱中和軸誤差為6.2%.試驗結果表明：雙柱不完全獨立工作，其等效抗彎剛度應小于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值與理論值對比

4.3 多柱等效抗彎剛度推導

不同節點的側移剛度試驗值與理論值見表4.

表4 側移剛度試驗值與理論值對比

雙柱和三柱的理論抗彎剛度分別為2EcIc、3EcIc.T型、十字型節點框架的試驗值均大于理論值，理論設計是安全的，故T型、十字型節點抗彎剛度分別取2EcIc、3EcIc；L型節點框架抗彎剛度試驗值小于理論值，為增加設計安全性，在理論計算中引入安全系數η(0<η<1)，則雙柱的抗彎剛度為2ηEcIc，通過與試驗側移剛度對比得到η值.根據D值法得L型節點框架側移剛度D計算公式：

(1)

(2)

式中：α為框架節點轉動對柱側移剛度的影響系數，k′c為框架柱線剛度，hc為框架柱高度.

L型節點框架整體剛度試驗值D=0.51 kN/mm，根據式(1)、(2)，得到η=0.87，即L型節點抗彎剛度為1.74EcIc.

5 試驗模型有限元分析

采用ABAQUS/CAE建立試驗模型，由于試驗中節點螺栓無松動破壞現象，連接性能良好，可簡化為固結，在節點板與框架梁連接部位采用tie連接.構件有限元模擬結果云圖見圖11，出現T型梁梁端屈服與柱子錯位現象.各節點試驗和有限元荷載-位移曲線見圖12，L型、T型節點模擬結果與試驗基本一致， 但十字型節點的模擬結果與試驗有較大差異，因為實際裝配過程中相鄰柱子之間存在不均勻的縫隙，試驗加載過程中不同縫隙的變化難以模擬，其模擬結果更接近理想狀態.有限元模擬的不同節點的初始剛度和極限承載力與試驗對比結果見表5，誤差基本在10%以內，驗證了有限元模擬的正確性.

圖11 有限元計算結果云圖

圖12 試驗和有限元荷載-位移曲線

表5 試驗與有限元的初始剛度和極限荷載對比

6 結 論

1)角件節點連接性能良好，框架破壞首先發生在T型梁梁端的小斜撐下方位置，即梁鉸破壞，最后柱腳出現屈服現象，節點部位完好，滿足“強柱弱梁”與“強節點弱構件”的設計要求.

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

3)通過對雙梁多柱端部截面的應變分析，以及框架側移剛度分析，提出了雙梁多柱的工作模式及其等效抗彎剛度計算方法，為工程設計提供試驗與理論參考.