鋼結(jié)構(gòu)建筑連接節(jié)點(diǎn)靜力性能和抗震性能研究 ①

王陽(yáng)陽(yáng)

(合肥共達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(土木工程),安徽 合肥 230001)

0 引 言

2020年7月3日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)《針對(duì)推動(dòng)智能建造與建筑產(chǎn)業(yè)化合作發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1],明確指出要進(jìn)一步推動(dòng)智能化發(fā)展,竭盡全力發(fā)展裝配式住宅。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)比,裝配式鋼架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在主要有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)無(wú)當(dāng)場(chǎng)浸濕工作,拼裝速度相當(dāng)快,品質(zhì)可控性;(2)事先管理方案高,建筑施工周期時(shí)間短,氣候條件管理制度小,綠色環(huán)保;(3)預(yù)制構(gòu)件規(guī)格小,得到遼闊的運(yùn)用室內(nèi)空間設(shè)計(jì)[2]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展合乎我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化和綠色住宅發(fā)展的需要,歐美國(guó)家、日本早已發(fā)展了好多年。在我國(guó)模塊化鋼架結(jié)構(gòu)的探索發(fā)展落后,控制板間連接節(jié)點(diǎn)的探索比較嚴(yán)重落后于工程實(shí)踐,欠缺較好的抗震性能聯(lián)接節(jié)點(diǎn),沒(méi)法用以抗震整體規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的多層建筑[3]。運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型展開了靜力性能與抗震性能分析,可以為模塊化建筑構(gòu)造的工程應(yīng)用提供參考。

1 模型建立

1.1 新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)

模塊化房屋建筑結(jié)構(gòu)種類按原料區(qū)劃可以分為3種結(jié)構(gòu)類型,各自依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方式、鋼架結(jié)構(gòu)原理和鋼筋錨固-混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方式的體系結(jié)構(gòu)種類,框架剪力墻、框架剪力墻、構(gòu)造-裁切構(gòu)造、筒體結(jié)構(gòu)有效,建筑施工便捷,融進(jìn)控制器裝修和操作步驟[3]。此次實(shí)驗(yàn)根據(jù)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)結(jié)點(diǎn)弱”預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)[3],依據(jù)模塊化鋼架結(jié)構(gòu)的承載力特性,提出了一種新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn),預(yù)成型件構(gòu)件節(jié)點(diǎn)基本計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件節(jié)點(diǎn)基本計(jì)算參數(shù)

在制備新型連接節(jié)點(diǎn)時(shí),連接節(jié)點(diǎn)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4及《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》5]中的相關(guān)規(guī)定。在承受外荷載時(shí),模塊化建筑表現(xiàn)出與傳統(tǒng)建筑一致的“板-梁-柱”傳力模式,不同區(qū)別在于,模塊化建筑會(huì)在某一個(gè)或某一區(qū)域的模塊單元先受力,再通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)將力進(jìn)行橫向及縱向傳遞到相鄰模塊,使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)共同受力。新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)異的力學(xué)性能,受力更加合理且內(nèi)力分布均勻,由此可知,該新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)具有模塊建筑獨(dú)特的傳力機(jī)理,也具有外隔板節(jié)點(diǎn)的優(yōu)異力學(xué)性能,有利于節(jié)點(diǎn)在高層及抗震設(shè)防地區(qū)的使用。

1.2 參數(shù)計(jì)算

新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型采用Q345鋼材,鋼材采用Von Mises屈服準(zhǔn)則,材料參數(shù)為:彈性模量E=2.12×105N/mm2,密度ρ=7.85×105g/mm2,泊松比μ=0.3;新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型材料參數(shù)表,如表2所示。

表2 材料參數(shù)表

對(duì)有限元分析模型開展抗拉強(qiáng)度分析時(shí)發(fā)現(xiàn),原料硬底化模型可以作為多種加強(qiáng)模型,該模型完成了原料的一側(cè)抗拉強(qiáng)度,原料硬底化又回應(yīng)另一個(gè)角度抗拉強(qiáng)度,新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)在負(fù)載影響下產(chǎn)生塑性應(yīng)變,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)復(fù)合材質(zhì)在后續(xù)反方向負(fù)載影響下塑性應(yīng)變有一定的緩解。

1.3 網(wǎng)格劃分

文中根據(jù)展開節(jié)點(diǎn)的有限元分析,展開實(shí)銅芯電纜模型與分析,對(duì)節(jié)點(diǎn)模型中的連接板、內(nèi)套筒、鋼管柱等聯(lián)接部位展開網(wǎng)格劃分。節(jié)點(diǎn)域框架柱細(xì)分化孔徑為0.04m。因?yàn)榭蚣苤c內(nèi)筒、固定板接觸到的部位之外的區(qū)域并不是研究的重點(diǎn)位置,將孔徑界定為0.1m。

1.4 模型加載

新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型的承重方法包含荷載、位移荷載和位移-荷載混和荷載,為了獲取節(jié)點(diǎn)的原始彎曲剛度、妥協(xié)荷載和極限承載力等信息,選用離散變量變指數(shù)屈曲分析在控制板聯(lián)接節(jié)點(diǎn)上展開位移簡(jiǎn)單荷載,將節(jié)點(diǎn)做為妥協(xié)荷載和極限值荷載開展承重;為了獲取地震力下節(jié)點(diǎn)的抗震能力、展延等性能特性,對(duì)控制板聯(lián)接節(jié)點(diǎn)展開往復(fù)式載入,獲得滯回曲線,并對(duì)各個(gè)主要參數(shù)展開了深入分析。

2 新型節(jié)點(diǎn)承載力分析

給出了一種新的內(nèi)筒螺釘連接新節(jié)點(diǎn)聯(lián)接方式,為了方便后邊的參數(shù)分析,對(duì)鋼構(gòu)架棱柱展開了研究,先后進(jìn)行簡(jiǎn)單載入研究其損壞方式,展開低周往復(fù)載入來(lái)探討建筑抗震等級(jí)性能、延展性及消耗技術(shù)等性能,梁長(zhǎng)方向地腳螺栓變小,梁長(zhǎng)方向地腳螺栓被斷開為了表示節(jié)點(diǎn)承受力,下列將梁的長(zhǎng)邊方向統(tǒng)稱為X方向,將梁的短邊方向統(tǒng)稱為Y方向[6]。X向及Y向加載的荷載—位移曲線,如圖1所示。

圖1 X向及Y向加載的荷載—位移曲線

由圖1能夠得知,沿X方向的新節(jié)點(diǎn)荷載伴隨著荷載位移的提高,發(fā)展趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)新式節(jié)點(diǎn)荷載到達(dá)19.25mm時(shí),上梁x屈服于立柱連接點(diǎn)處,這時(shí)上梁與立柱承連接點(diǎn)處承擔(dān)擔(dān)比較大的應(yīng)力,上梁屈服面積持續(xù)擴(kuò)大,這時(shí)應(yīng)力為415MPa,載入到100mm時(shí),邊梁上面部分橫截面應(yīng)力為412.5MPa。伴隨著荷載的擴(kuò)大,上柱擠壓成型,實(shí)際效果更明顯,柱底產(chǎn)生擠壓變形,與最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)一樣,當(dāng)新節(jié)點(diǎn)荷載沿梁Y方向載入至22.45mm時(shí),頂梁與地梁的下半段與此同時(shí)開始屈服,當(dāng)負(fù)載擴(kuò)大到62.75mm時(shí),柱端和法蘭連接區(qū)進(jìn)到可塑區(qū),定位板并沒(méi)有屈服;當(dāng)荷載增至100mm時(shí),頂梁與地梁的可塑性區(qū)貼近規(guī)定值應(yīng)力。

3 新型節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

為了研究新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能,采用控制位移加載法,在模型上施加周期性的反復(fù)位移得到了新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)X方向及Y方向的滯回曲線、骨架曲線、耗能系數(shù)等參數(shù)并進(jìn)行了研究。

根據(jù)有限元模擬算出的X方向和Y方向骨架曲線如圖2所示,由圖2可知,新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)X向及Y向的骨架曲線經(jīng)歷了明顯的彈性、彈塑性和塑形三個(gè)階段。其中,X向骨架曲線的負(fù)載位移加載至120mm時(shí),新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)的承載力隨位移的增加開始趨緩,Y向骨架曲線的負(fù)載位移加載至120mm時(shí),新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)的承載力隨位移的增加出現(xiàn)略微下降趨勢(shì)。由骨架曲線可以看出新型內(nèi)套筒連接節(jié)點(diǎn)具有較大承載力與抗側(cè)剛度[7]。

圖2 X向及Y向骨架曲線

通過(guò)對(duì)比X向及Y向骨架曲線可知,連接點(diǎn)X相較于載荷的彎曲剛度和極限值承載力超過(guò)了Y方向里的載荷。根本原因是在X方向上加載時(shí),X方向中存在3列螺栓,限制了立柱的挪動(dòng)。伴隨著螺釘連接力量的減小,定位板與梁的連接效果變?nèi)?受往復(fù)承載力產(chǎn)生的影響,承載力減小。

在鋼結(jié)構(gòu)循環(huán)不斷承載力的作用下,構(gòu)造既需要充足的強(qiáng)度剛度,還要較好的延性性能,延性性能的好與壞對(duì)建筑抗震等級(jí)性能起到重要作用,較好的延性不會(huì)受到洪水災(zāi)害的脆性破壞。連接節(jié)點(diǎn)的延性指的是在屈服階段到指標(biāo)值的承載力正中間擔(dān)負(fù)塑性變形的能力[8],鋼結(jié)構(gòu)相接處的延性越大,在承受力時(shí)具備越高塑性變形能力,能耗越多。延性系數(shù)的計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中:Δμo 試件的極限變形;Δy為 試件的屈服變形

依據(jù)計(jì)算公式得出了新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型X向及Y向的延性系數(shù)統(tǒng)計(jì)表,如表4所示。

表3 延性系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表3可知,新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型沿X方向和Y方向,正負(fù)極限值負(fù)載和讓步負(fù)載的比例分別是1.78,1.52和1.54,1.48,連接點(diǎn)具有很高的安全儲(chǔ)備;延性指數(shù)值為2.76和2.87,具有較好的延性。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)有限元仿真模擬軟件,擴(kuò)展了一種新的新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型,開展了簡(jiǎn)單載入和高頻率往復(fù)式載入,具體結(jié)果如下所示。

(1)依據(jù)模塊化鋼架結(jié)構(gòu)承受力特性,設(shè)立了新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)模型;對(duì)于新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)展開了有限元分析。講述了連接節(jié)點(diǎn)的靜力性能,發(fā)覺(jué)在x向荷載的作用下,極限值荷載超出z向荷載,節(jié)點(diǎn)在樓面板電焊焊接開裂前提下,也會(huì)引起樓面板非常嚴(yán)重的變型和毀壞。

(2)對(duì)新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)的抗震等級(jí)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示z向荷載時(shí)極限值荷載、彎曲剛度超出x向荷載,但延性指數(shù)及能源消耗水準(zhǔn)的z向荷載比x向荷載好;此外,新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)歸屬于半剛性節(jié)點(diǎn);在大多數(shù)荷載方向下,節(jié)點(diǎn)延性指數(shù)超出2,等效粘滯阻尼系數(shù)超出0.2,說(shuō)明新型內(nèi)套筒形式連接節(jié)點(diǎn)建筑抗震等級(jí)性能優(yōu)質(zhì)。