装配式双梁多柱节点框架试验和数值模拟

翟喜梅, 查晓雄, 袁立刚

(深圳储碳型水泥基材料工程重点实验室(哈尔滨工业大学(深圳))，广东 深圳 518055)

“模块化建筑”是由工厂预制生产的“模块单元”通过现场可靠连接形成的结构体系[1]，模块单元间的连接可靠度直接影响结构整体的性能[2].大量学者对模块化建筑连接节点开展了研究.Lawson等[3-4]给出轻钢墙板和模块节点的设计建议；Englekirk[5]、Bahrami等[6]研发新型预制梁柱节点，并对其延性等受力性能进行试验；Annan等[7-8]通过试验研究对比了钢模块框架与传统框架的抗震性能；Giriunas等[9]、王化杰等[10]分析了集装箱连接节点的受力规律；刘学春等[11-12]研究了模块化多高层钢结构的全螺栓梁柱连接形式，分析多项因素对节点性能的影响；王星星[13]对多层冷成型钢连接节点进行了试验研究；文龙[14]提出利用暗梁内套箍进行水平连接的混凝土楼板预制装配构造，并进行抗震性能分析.

在众多模块化建筑连接节点中，角件连接形式施工便捷，受力明确，最适合以墙板、楼板为基本模块的装配式板构房屋连接.查晓雄等[15]提出一种装配式轻体板构房屋角件节点，现为使楼板采用与墙板相似工艺进行加工，将楼板内伸进墙板下梁内，使墙板和楼板形成完全的板构房屋，并在单侧拧紧螺栓，减少搭建脚手架的费用，需对已有角件节点做出修改，并在静力荷载条件下进行试验和数值模拟，研究双梁多柱的抗弯刚度计算方法及小斜撑、灌浆等构造措施的影响.

1 角件节点连接形式

查晓雄等[15]提出的角件节点由节点板及双梁双柱组成，在上下层墙板拼装时，上下层立柱端部焊接开设定位销孔的柱端钢板，并与节点板上的定位销相连接，上下层墙板H型钢梁的翼缘与节点板通过高强螺栓连接.定位销下端为带螺纹的螺杆，同下层墙板柱子的柱端钢板螺纹连接，上端的尖端部分用来导向上层墙体安装，开孔用于吊装方便，上层柱子下端的柱端钢板的定位销孔用于插入定位销的尖端部分(图1).新型轻体板结构上下层墙板拼装时出现H型双梁，考虑到楼板与墙体的连接和板构房屋装配时施工顺序的问题，将双梁的上梁改为T型钢梁，见图2，使楼板内嵌进上部墙体T型钢梁内；装配轻体板房屋时先安装下层墙板，采用节点板对下层墙板进行固定，然后安装楼板，最后安装上层墙板；墙板钢框架H型钢梁中间部位焊接钢垫板，并设螺栓孔，楼板钢框架为矩形钢管，矩形钢管中间部位焊接螺杆，安装楼板的过程中，使楼板的螺杆与钢垫板上的螺孔对应，通过高强螺栓连接.

图1 定位销与柱端钢板

图2 楼板内嵌示意

为使上下层墙板进行连接，在梁端上下层连接处，设计一种单侧连接盒，实现墙体单侧开洞和施工，加强梁端强度并使塑性铰外移，提高节点的抗震性能.连接盒与梁柱均焊接在一起，形成墙板钢框架，为进一步提高钢框架平面内的抗侧刚度，在节点处加入了小斜撑的构造措施，小斜撑采用5#槽钢焊接于梁柱端部，由梁、柱、连接盒、开孔节点板、定位销、高强螺栓和小斜撑组成角件节点见图3，新型轻体板结构拼装形成L型、T型、十字型角件节点形式见图4.

图3 节点连接示意

图4 角件节点

2 试验概况

2.1 试件设计

以某拟建新型装配式组合轻体板结构住宅工程为研究背景，采用1∶1比例的两层一跨模型，对L型、T型、十字型和L型灌浆四种节点进行水平静力侧推试验，试件编号分别为JD1、JD2、JD3、JD4.立柱采用尺寸为130 mm×130 mm×6 mm的方钢管，H型钢梁尺寸为150 mm×130 mm×7 mm×10 mm，T型钢梁尺寸为150 mm×130 mm×7 mm×10 mm，钢材型号均为Q345钢.试件尺寸见图5，试件所使用钢材材性见表1.

图5 试件尺寸(mm)

表1 钢材材性

2.2 加载装置和加载制度

试验加载装置见图6.

图6 加载装置示意

试验以二层框架梁的位移作为控制位移进行分级加载，首先以2 mm为一级荷载，加载至6 mm，然后分别以1/500、1/400、1/300、1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50的层间位移角限值为控制位移加载，直至试件进入下降段或出现破坏.每一级加载持荷时间不少于10 min.试验过程中，当监测到试件出现明显屈服现象时，开始缓慢加载，当荷载下降到峰值荷载的85%以下时，可停止加载.此外，当发生下列现象之一时也认为试件已经失去承载能力或已不安全，可停止加载：1)螺栓被剪断或节点被破坏；2)柱端或梁端出现明显屈服破坏现象；3)节点板出现破坏；4)层间位移角达到1/30(顶端位移200 mm).

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态和破坏过程

JD1在弹性阶段进行有小斜撑框架的静力侧推试验，为对比小斜撑对钢框架刚度的影响，现场切掉小斜撑后继续加载，见图7(a).试验现象表明：1)各试件破坏共同点是T型梁梁端的小斜撑下方位置处最先出现屈服现象，见图7(b)，双梁的变形情况不一致，协同工作性能不好；四类节点均完好，见图7(c)，满足“强柱弱梁”与“强节点弱构件”的设计要求；2)各试件破坏不同点是JD2双柱协同工作性能较好，见图7(d)，沿平行框架平面排列紧密；JD3三柱沿平行框架平面排列，见图7(e)，出现柱子大变形，内力重新分配；JD4双柱协同工作性能较差，双柱沿垂直框架平面排列，见图7(f)，错位现象明显.

图7 试验现象

3.2 荷载-位移曲线

图8为各试件的荷载-位移曲线，其中F为二层的剪力，Δ为二层顶部位移与地梁的滑移差值，JD1-1为L型带小斜撑节点试件，JD1-2为L型无小斜撑节点试件.加载前期，曲线处于线弹性阶段，随着荷载增大，T型梁梁端变形使试件缓慢进入非线性的弹塑性阶段.柱顶位移达到200 mm时，JD1-2与JD4基本平缓达到实际最大荷载，JD2与JD3仍有较大上升趋势，其强度与刚度均比JD1-2与JD4高.JD3的荷载-位移曲线在柱顶位移130 mm时刚度发生突变，出现刚度强化现象，结合柱子变形与缝隙变化的试验现象，推测为十字型节点试件采用三柱拼合的结构形式，其柱子数量较多，当大变形发生时，由于柱端节点板的约束作用，框架内柱发生失稳，失稳后的内柱相当于斜压杆，使框架的整体抗侧刚度增加.整体钢框架变形能力较强，当试件顶端位移达到200 mm时，试件均未达到下降段，没有明显的屈服点.JD1-1与JD1-2对比得出，小斜撑提高了框架整体初始刚度的38%；JD1-1与JD4对比得出，节点灌浆后的框架整体刚度提高了14%，表明小斜撑、灌浆对整体框架刚度有积极影响，但节点处灌浆施工困难，且框架整体性较好，节点自身传力效果良好，因此建议在节点处不进行灌浆处理.

图8 各节点的荷载-位移曲线

4 双梁多柱理论研究

4.1 双梁典型截面应变分析

T型与H型钢梁独立工作时，两者理论中和轴分别为yT0与yH0，协同工作时双梁理论中和轴为yTH(图9).由试验应变数据得到的中和轴位置与双梁独立工作的中和轴位置基本一致，与双梁协同工作的中和轴位置完全不同.试验的中和轴位置平均值与双梁独立工作时的理论值对比见表2，T型、H型钢梁中和轴误差均小于5%.试验结果表明：双梁完全独立工作，其等效抗弯刚度可取EbIT+EbIH，其中Eb为钢梁弹性模量，IT和IH分别为T型、H型钢梁截面惯性矩.

表2 梁端截面中和轴位置试验值与理论值对比

4.2 双柱典型截面应变分析

双柱独立工作时，两者理论中和轴分别为y01与y02，两者协同工作时，中和轴为y12(图10).由试验应变数据得到的中和轴位置与双柱独立工作时的中和轴位置不完全一致，框架柱承担的应力比立柱大，当框架柱达到极限强度时，立柱尚未达到极限强度，双柱实际抗弯刚度小于理论双柱独立工作的抗弯刚度.柱端截面试验中和轴位置平均值与理论值对比见表3，立柱中和轴误差仅为2.5%，框架柱中和轴误差为6.2%.试验结果表明：双柱不完全独立工作，其等效抗弯刚度应小于2EcIc，其中Ec和Ic分别为柱子弹性模量和截面惯性矩.

图9 梁端截面理论中和轴位置

图10 柱端截面理论中和轴位置

表3 柱端截面中和轴位置试验值与理论值对比

4.3 多柱等效抗弯刚度推导

不同节点的侧移刚度试验值与理论值见表4.

表4 侧移刚度试验值与理论值对比

双柱和三柱的理论抗弯刚度分别为2EcIc、3EcIc.T型、十字型节点框架的试验值均大于理论值，理论设计是安全的，故T型、十字型节点抗弯刚度分别取2EcIc、3EcIc；L型节点框架抗弯刚度试验值小于理论值，为增加设计安全性，在理论计算中引入安全系数η(0<η<1)，则双柱的抗弯刚度为2ηEcIc，通过与试验侧移刚度对比得到η值.根据D值法得L型节点框架侧移刚度D计算公式：

(1)

(2)

式中：α为框架节点转动对柱侧移刚度的影响系数，k′c为框架柱线刚度，hc为框架柱高度.

L型节点框架整体刚度试验值D=0.51 kN/mm，根据式(1)、(2)，得到η=0.87，即L型节点抗弯刚度为1.74EcIc.

5 试验模型有限元分析

采用ABAQUS/CAE建立试验模型，由于试验中节点螺栓无松动破坏现象，连接性能良好，可简化为固结，在节点板与框架梁连接部位采用tie连接.构件有限元模拟结果云图见图11，出现T型梁梁端屈服与柱子错位现象.各节点试验和有限元荷载-位移曲线见图12，L型、T型节点模拟结果与试验基本一致， 但十字型节点的模拟结果与试验有较大差异，因为实际装配过程中相邻柱子之间存在不均匀的缝隙，试验加载过程中不同缝隙的变化难以模拟，其模拟结果更接近理想状态.有限元模拟的不同节点的初始刚度和极限承载力与试验对比结果见表5，误差基本在10%以内，验证了有限元模拟的正确性.

图11 有限元计算结果云图

图12 试验和有限元荷载-位移曲线

表5 试验与有限元的初始刚度和极限荷载对比

6 结 论

1)角件节点连接性能良好，框架破坏首先发生在T型梁梁端的小斜撑下方位置，即梁铰破坏，最后柱脚出现屈服现象，节点部位完好，满足“强柱弱梁”与“强节点弱构件”的设计要求.

2)小斜撑提高了框架整体初始刚度的38%左右，节点灌浆提高了框架整体初始刚度的14%左右，但由于节点灌浆施工难度大，且节点本身性能良好，建议节点不灌浆.

3)通过对双梁多柱端部截面的应变分析，以及框架侧移刚度分析，提出了双梁多柱的工作模式及其等效抗弯刚度计算方法，为工程设计提供试验与理论参考.