裝配式蒸壓加氣混凝土輕鋼復(fù)合墻體全螺栓連接節(jié)點(diǎn)與焊接節(jié)點(diǎn)承載力對(duì)比分析

李聰 張喜臣 鄭恒 王燁

0 引言

裝配式蒸壓加氣混凝土輕鋼復(fù)合墻體具有施工快捷、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)提高建筑質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)。圖1 為典型復(fù)合墻體支承龍骨示意圖。

圖1 典型復(fù)合墻體示意圖

該復(fù)合墻體原設(shè)計(jì)方案的框架節(jié)點(diǎn)采用全焊接連接，考慮到支承龍骨間連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，鋼龍骨壁厚較薄，為了控制復(fù)合墻體C 型鋼龍骨間的節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量，保證節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，現(xiàn)方案改為全螺栓連接，框架節(jié)點(diǎn)連接螺栓數(shù)量4 個(gè)、規(guī)格M8。本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS 對(duì)支承框架三個(gè)比較典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線(xiàn)性對(duì)比分析，得出不同連接方式對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力和支承結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。

圖2 支承框架示意圖

圖3 支承框架連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

1 計(jì)算分析

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系及單元類(lèi)型

支承框架采用Q235B 鋼材，材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)采用具有一定強(qiáng)化剛度的二折線(xiàn)模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)采用von Mises 屈服條件，本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 Q235B 本構(gòu)關(guān)系

綜合考慮框架連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及計(jì)算精度和規(guī)模的影響，單元類(lèi)型選取C3D20 實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)有限元分析采用實(shí)體單元，在構(gòu)件連接處，節(jié)點(diǎn)內(nèi)外表面拐角處等易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，實(shí)體單元的最大邊長(zhǎng)不應(yīng)大于該處最薄壁厚，其余部位的單元尺寸可適當(dāng)增大，但單元尺寸變化宜平緩。

1.2 基本分析模型

支撐框架采用C 型鋼，截面尺寸為100mm×50mm×3mm，連接螺栓規(guī)格M6。建模時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接部位采用布爾運(yùn)算進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)整體分析模型見(jiàn)圖5 所示。

圖5 支承框架整體分析模型

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值：1.5 kPa，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：北京地區(qū)，地面粗糙度類(lèi)型B 類(lèi)，計(jì)算高度100m，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.16 kPa。

2 整體模型對(duì)比分析

通過(guò)比較兩種連接節(jié)點(diǎn)的支承框架自振周期，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的框架整體變形量，來(lái)分析不同節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)支承結(jié)構(gòu)剛度的影響。

表1 前五階自振周期對(duì)比

圖6 全焊接連接框架風(fēng)荷載作用下變形/mm

圖7 全栓接連接框架風(fēng)荷載作用下變形/mm

整體模型計(jì)算分析結(jié)果：自振周期T1：焊接/螺接=0.046/0.088=0.52；風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下位移比：焊接/螺接=11/42=0.26。上述計(jì)算結(jié)果表明支承框架間連接方式由焊接改變?yōu)樗ń雍?，結(jié)構(gòu)剛度存在一定程度降低。

3 細(xì)部連接節(jié)點(diǎn)對(duì)比分析

對(duì)支承框架3 個(gè)比較典型的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體約束形式確定與實(shí)際情況相似的邊界條件，并且作用在節(jié)點(diǎn)上的外荷載和約束力的平衡條件應(yīng)與設(shè)計(jì)內(nèi)力一致。通過(guò)對(duì)比全焊接和全栓接連接節(jié)點(diǎn)的承載力，以及驗(yàn)證在設(shè)計(jì)荷載作用下全栓接節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生強(qiáng)度破壞、局部穩(wěn)定破壞和因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載等。

3.1 框架角部連接節(jié)點(diǎn)

首先對(duì)支承框架右上角部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析，建模時(shí)，框架端部施加固定約束，根據(jù)整體模型分析結(jié)果，掛裝孔部位施加節(jié)點(diǎn)荷載，分析模型見(jiàn)圖8 所示。

圖8 框架角部節(jié)點(diǎn)分析模型

比較圖9～ 11 可知，計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為223MPa，主要集中在螺栓孔附近，節(jié)點(diǎn)未發(fā)生屈服。

圖9 焊接區(qū)域未達(dá)到屈服應(yīng)力

圖10 掛裝螺栓孔附近局部屈服

圖11 部分框架連接螺栓達(dá)到屈服應(yīng)力

3.2 框架邊部連接節(jié)點(diǎn)

支承框架邊部連接節(jié)點(diǎn)分析模型見(jiàn)圖12 所示，側(cè)邊柱兩端施加固定約束，兩支桿端依據(jù)整體模型內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行荷載施加。分析結(jié)果見(jiàn)圖13～15 所示。

圖12 框架邊部節(jié)點(diǎn)分析模型

圖13 焊縫角點(diǎn)處局部應(yīng)力集中并屈服

圖14 節(jié)點(diǎn)保持彈性受力狀態(tài)

圖15 連接螺栓未發(fā)生屈服

3.3 框架內(nèi)部連接節(jié)點(diǎn)

支承框架內(nèi)部連接節(jié)點(diǎn)分析模型見(jiàn)圖16 所示，橫梁兩端施加固定約束，立柱一端依據(jù)整體模型內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行荷載施加，另一端施加固定約束。分析結(jié)果見(jiàn)圖17～19 所示。

圖16 框架內(nèi)部節(jié)點(diǎn)分析模型

圖17 焊接區(qū)域未達(dá)到屈服應(yīng)力

圖18 螺栓孔附近局部屈服

圖19 連接螺栓未發(fā)生屈服

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種不同節(jié)點(diǎn)連接方式的裝配式蒸壓加氣混凝土輕鋼復(fù)合墻體支承框架整體剛度和節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）采用焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的墻體支承框架其結(jié)構(gòu)整體剛度更大，栓接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造支承框架整體剛度可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而且結(jié)合墻體構(gòu)造，并考慮面板蒙皮作用，框架實(shí)際承載力和剛度均大于計(jì)算值。

（2）三類(lèi)有限元節(jié)點(diǎn)對(duì)比分析結(jié)果說(shuō)明，全焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在連接焊縫部位存在應(yīng)力集中，除邊部節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)屈服點(diǎn)，其它兩種節(jié)點(diǎn)均保持彈性受力狀態(tài)；全栓接節(jié)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為螺栓孔部分區(qū)域存在應(yīng)力集中，角部節(jié)點(diǎn)螺栓孔及部分連接螺栓發(fā)生屈服，另兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)基本保持彈性。

分析結(jié)果說(shuō)明，采用全栓接節(jié)點(diǎn)的墻體支撐框架其受力性能可以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求，且與全焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相比更易控制施工質(zhì)量，提升裝配式墻體安裝效率。