裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)典型連接的試驗(yàn)研究

羅岳

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)建筑（MSB）是一種現(xiàn)代風(fēng)格的建筑形式，它將傳統(tǒng)的建筑形式劃分為三維裝配式單元，這些單元在工廠中預(yù)制后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，組裝成一個(gè)整體構(gòu)建塊。裝配式建筑具有施工快捷、工程質(zhì)量優(yōu)越、節(jié)省人力、環(huán)境影響小等突出優(yōu)勢［1］，具有廣闊的發(fā)展前景。裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)建筑主要用于施工速度要求高、對周邊環(huán)境影響小、施工場地有限的項(xiàng)目，如疫情防控醫(yī)院、戰(zhàn)時(shí)營地、數(shù)據(jù)中心、學(xué)生宿舍、城市酒店公寓等［2］。

裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊間的連接主要采用焊接、螺栓連接和少數(shù)預(yù)應(yīng)力連接。目前的焊接方法仍難以實(shí)現(xiàn)上、下柱底板的四面焊接。螺栓連接對安裝精度有嚴(yán)格要求，需要在梁或柱上開孔，安裝時(shí)容易與模塊的建筑裝飾發(fā)生沖突；預(yù)應(yīng)力連接雖然避免了現(xiàn)場焊接和預(yù)留操作孔，但是預(yù)應(yīng)力連接的施工復(fù)雜，施工要求相對較高。目前大多數(shù)裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)連接的研究都集中在半結(jié)構(gòu)模塊化單元系統(tǒng)［3］（具有結(jié)構(gòu)構(gòu)件長度的試樣，即考慮到拐點(diǎn)的梁和柱），然而失效主要發(fā)生在梁邊緣或柱端部，在連接區(qū)仍有明顯的承載力過剩，因此無法獲得模塊間連接的承載力和計(jì)算方法。當(dāng)出現(xiàn)構(gòu)件破損及承載力下降等情況時(shí)，為保證裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須采用不同的組合方式提高裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)的承載力。在構(gòu)件破損等災(zāi)害條件下，受拉力和剪切力的影響，為了避免發(fā)生永久性破壞，需要將荷載分布至鄰近的構(gòu)件上［4］。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽及螺釘對調(diào)節(jié)剪切及拉力有非常重要的作用。本研究對旋轉(zhuǎn)模塊的節(jié)點(diǎn)力學(xué)行為（即轉(zhuǎn)動(dòng)部分抗拉、抗剪性能）進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析，開展2 套旋轉(zhuǎn)模塊間節(jié)點(diǎn)抗拉、抗剪試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，揭示其抗拉、抗剪力學(xué)行為及失效機(jī)制。

1 試樣和設(shè)置

1.1 拉伸試樣

為研究旋轉(zhuǎn)式模塊間連接的抗拉承載力，本文制作了2個(gè)全尺寸連接試件進(jìn)行測試。試樣T1采用原型項(xiàng)目的實(shí)際尺寸；試樣T2與試樣T1一致，只是增加了下角頂板的厚度（即T1 為16 mm，T2 為20 mm）。裝配式柱使用截面尺寸為200 mm×200 mm×18 mm 的矩形鋼管，確保失效發(fā)生在模塊間的連接處。頂部和底部的裝配式柱高為300 mm。此外，在裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)柱的末端焊接矩形端板和帶孔的耳板，并焊接12 mm 的加勁肋骨以加強(qiáng)對冷彎型鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

角配件和裝配式立柱由Q345B 鋼制成。連接器的連接板和其余部分采用G20Mn5QT 低合金鑄鋼制造。根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》［5］規(guī)范中的要求，通過材料試驗(yàn)確定試驗(yàn)使用材料的性能（見表1）。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼材強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

表1 試驗(yàn)使用材料的性能

1.2 剪切試樣

在X 和Y 兩個(gè)方向上，旋轉(zhuǎn)模塊組件之間的連接節(jié)點(diǎn)為不均勻分布，因此設(shè)定兩個(gè)方向上的抗剪實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。在X 方向上的樣本被設(shè)置為S1，在Y 方向上的樣本被設(shè)置為S2。在測試過程中，采用1 個(gè)1 500 t的壓力機(jī)加載樣品。壓力機(jī)將壓力作用在中間組件的橫梁上，從而在聯(lián)接部位產(chǎn)生剪裁效應(yīng)。正式載荷前會(huì)有一個(gè)預(yù)載荷，載荷開始時(shí)，形式載荷的數(shù)值按每個(gè)階梯遞增50 kN，到了平穩(wěn)載荷階段，每個(gè)階梯都是100 kN。在接近最大負(fù)載時(shí)，將負(fù)載降低至50 kN［6］。

除了剪切方向不同，試樣S1 和S2 的其他設(shè)置是相同的。天花板托梁和地板托梁的高度為200 mm，矩形鋼管的截面為200 mm×200 mm×18 mm。在裝配式梁的端部焊接方形端板和加載支架，并焊接用于加固的加勁器。

2 測試結(jié)果分析

2.1 拉伸試驗(yàn)分析

利用壓力機(jī)測得拉伸相關(guān)數(shù)據(jù)，由位移傳感器LVDT 計(jì)算出上、下角度的相對位移。由力傳感器檢測載荷，可以直接計(jì)算連結(jié)區(qū)的拉力。圖1 為張力測試得到的載荷—位移曲線。在初始加載階段，2 種試樣的荷載—位移線基本一致，在結(jié)合部的拐角部位無顯著的變形；當(dāng)加載至1 350 kN 時(shí)，其變形隨加載速度加快而改變，上、下角位移可達(dá)1.9 mm。試驗(yàn)研究過程中，在下角配件的頂板和下旋轉(zhuǎn)部件的底板處，都觀察到極大的屈曲變形，在裝配式柱中，變形不顯著。在428 kN 的負(fù)荷下，由于下轉(zhuǎn)動(dòng)部分的基座與螺桿的連接處發(fā)生斷裂，試驗(yàn)終止［7-9］。以T2為例，當(dāng)荷載為400 kN 時(shí)，下部角鋼的頂板發(fā)生失穩(wěn)，其上、下角鋼的相對位移量為2.0 mm；在下部轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中，基座和螺桿之間的連接部位也出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。試件T1 具有428 kN 的最大負(fù)荷，試件T2 具有528 kN的最大負(fù)荷，T2 試件下角管件的頂板厚度和最大承載力較T1試件分別增加25%和23%。結(jié)果表明，下角鋼接頭的頂板厚度是影響裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)極限抗拉承載力的主要因素。

圖1 張力測試的荷載-位移曲線

從2個(gè)試樣的8個(gè)應(yīng)變儀獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖2所示。試件T1和試件T2裝配式柱和角部擬合處應(yīng)變值的變化分別如圖2（a）和（b）所示。可以觀察到，應(yīng)變儀1-4 的裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值保持在較低水平，并呈線性發(fā)展，表明裝配式柱始終處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期；角擬合處的應(yīng)變值在不同位置顯示出不同的應(yīng)變變化；應(yīng)變儀5-6 的應(yīng)變值較低，但始終高于裝配式柱的應(yīng)變值；應(yīng)變儀7-8 的應(yīng)變增加率遠(yuǎn)高于裝配式柱的應(yīng)變增加速率，應(yīng)變值更早進(jìn)入非線性階段。主要原因是應(yīng)變儀7-8所在的角配件的位置位于下部旋轉(zhuǎn)部件底板的彎曲方向，導(dǎo)致角配件的側(cè)壁在該方向上屈服。此外，在2 個(gè)試樣中都觀察到角部配件的非彈性屈曲，進(jìn)一步表明在軸向張力中，角配件是連接的關(guān)鍵部件。

圖2 應(yīng)變數(shù)據(jù)

2.2 剪切試驗(yàn)分析

對旋轉(zhuǎn)模塊間的連接進(jìn)行不同方向的剪切試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)2 個(gè)試樣的極限破壞模式是下部旋轉(zhuǎn)部分的螺栓桿斷裂。試樣S1 的極限載荷為4 546 kN，試樣S2 的極限載荷為4 658 kN。對于旋轉(zhuǎn)模塊的連接，試驗(yàn)施加的剪切力方向?qū)B接的極限剪切能力影響不大，主要因?yàn)?個(gè)試樣的極限載荷差值在2.5%內(nèi)，并且當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到極限載荷時(shí)，2個(gè)方向的剪切面積（螺栓桿的剪切部分）是相等的。剪切試驗(yàn)的載荷—位移曲線可以從試驗(yàn)機(jī)的輸出數(shù)據(jù)得到（如圖3所示）。該曲線一般可分為以下4個(gè)階段。

圖3 剪切試驗(yàn)的載荷—位移曲線

（1）第Ⅰ階段是摩擦階段。剪切力由下部旋轉(zhuǎn)部分螺栓桿的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力支持，這個(gè)階段的關(guān)鍵狀態(tài)是克服初始摩擦。在安裝試樣的過程中，螺栓的預(yù)緊力沒有得到很好的控制。由于預(yù)緊力較小，試樣S1 的階段I 并不明顯，試樣S2 由于預(yù)緊力相對較大而很明顯。

（2）第Ⅱ階段是滑移階段。在這個(gè)階段，連接件在轉(zhuǎn)角配件的孔中滑動(dòng)，2個(gè)剪切方向的滑動(dòng)距離等于孔中的間隙。這個(gè)階段的關(guān)鍵狀態(tài)是連接板與角配件的孔壁接觸。

（3）第Ⅲ階段是軸承階段。連接件和轉(zhuǎn)角配件的孔壁相互擠壓，載荷—位移曲線保持線性關(guān)系。這個(gè)階段的關(guān)鍵狀態(tài)是轉(zhuǎn)角接頭頂板的承載失效。

（4）第Ⅳ階段是加固階段。負(fù)荷—位移關(guān)系是非線性的，連接失效由角部配件的塑性變形引起。

3 有限元和參數(shù)分析

為充分了解荷載作用下連接的力傳遞機(jī)制及各種參數(shù)對其結(jié)構(gòu)性能的影響，使用有限元軟件ABAQUS 的Standard 6.13 版本對試樣進(jìn)行研究。在有限元模型中，對材料、幾何形態(tài)和接觸非線性進(jìn)行建模。所有組件均采用8 節(jié)點(diǎn)線形磚，進(jìn)一步減少所有組件集成，并采用沙漏控制元件類型（C3D8R）。同時(shí)，為每個(gè)部件選擇合適的網(wǎng)格密度，確保精度并最大限度地減少計(jì)算時(shí)間。柱和梁的網(wǎng)格單元尺寸為20 mm，連接和角配件的網(wǎng)格單元大小為10 mm，以保證提供最合理的測試結(jié)果。通過網(wǎng)格收斂性研究，檢查單元大小的適當(dāng)性。連接中的焊接接頭使用表面到表面的連接約束進(jìn)行建模。試樣的接觸界面被建模為表面到表面的無摩擦硬接觸相互作用。

3.1 拉伸模型

通過建立與拉伸試樣尺寸相同的有限元模型，模擬旋轉(zhuǎn)模塊間連接的拉伸試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)值分析中獲得的荷載—位移曲線如圖4 所示。由圖4 可知，有限元可以很好地預(yù)測彈性階段試樣的結(jié)構(gòu)行為。在本試驗(yàn)中，由于下部旋轉(zhuǎn)部件的鑄造質(zhì)量差、材料質(zhì)量發(fā)生變化的原因，2個(gè)試樣的脆性斷裂分別發(fā)生在3.5 mm 和4.5 mm 的位移處。在之前的試驗(yàn)中，屈服后的下部旋轉(zhuǎn)部件顯示出足夠的延性和結(jié)構(gòu)承載力，主要原因是有限元中沒有考慮斷裂材料模型。

圖4 有限元分析及試驗(yàn)的荷載—位移曲線對比

3.2 屈服和極限載荷

圖5 為有限元模型的屈服值和極限值。本文以有限元模式的最大承載量為極限負(fù)荷，以屈服負(fù)荷為模式的初始負(fù)荷。圖5（a）表明，增加下拐角節(jié)點(diǎn)的頂板厚度能明顯地改善節(jié)點(diǎn)的極限抗拉負(fù)載，但對抗拉屈服負(fù)載幾乎沒有什么作用（增加0～6 mm的頂板厚度僅可以將屈服負(fù)載從225 kN 提高至238 kN）。圖5（b）表明，當(dāng)較低的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的底板厚度增大時(shí)，所述接頭的抗拉屈服負(fù)載和極限負(fù)載均增大。此外，L0模型比R0模型屈服荷載更大，R0模型從526 kN增加到609 kN，而L0模型從526 kN增加到645 kN。

圖5 有限元模型的屈服值和極限值

在最大拉伸載荷下，裝配式冷彎型鋼結(jié)構(gòu)模型中的von Mises（馮·米塞斯分布）應(yīng)力分布如圖6 所示。從圖6可以看出，裝配式柱、連接板和上角配件的應(yīng)力較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下角配件的頂板和下旋轉(zhuǎn)部件的底板。為了進(jìn)一步探討影響連接抗拉承載力的關(guān)鍵因素，采用有限元法對下角配件頂板和下旋轉(zhuǎn)部件底板的厚度參數(shù)進(jìn)行分析。表2為進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)所選參數(shù)的值和符號。相對于試驗(yàn)中的原始尺寸，計(jì)算下角配件的頂板（L）和下旋轉(zhuǎn)部件的底板（R）的厚度增量。L2-R0 表示下部旋轉(zhuǎn)部件的底板厚度保持不變，而下部角配件的頂板厚度增加2 mm。

圖6 拉伸應(yīng)力分布

表2 拉伸模型的參數(shù)值

4 結(jié)論

（1）在拉伸載荷下，連接的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)角配件和下部旋轉(zhuǎn)部分的底板。拉伸破壞的模式是下層旋轉(zhuǎn)部分底板的彎曲破壞和上層角配件頂板的屈曲破壞。

（2）剪切載荷—位移曲線可分為4 個(gè)階段：摩擦階段、滑移階段、承載階段和加固階段。承載階段的末端荷載值可以作為連接的剪切承載力的設(shè)計(jì)值。角部配件頂板的承載失效可以作為剪切失效模式。剪切方向?qū)B接的極限剪切承載力的影響很小。

（3）下角配件頂板厚度的增加對連接的拉伸屈服載荷影響不大。連接的拉伸屈服載荷和極限載荷都隨著下層旋轉(zhuǎn)部件底板厚度的增加而增加。