節(jié)能模塊墻輕鋼混凝土組合柱連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

摘要 作為節(jié)能模塊墻主要受力構(gòu)件，輕鋼混凝土組合柱的節(jié)點(diǎn)連接直接影響結(jié)構(gòu)整體的傳力效果。為研究輕鋼混凝土組合柱連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能，首先進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，觀察到該構(gòu)件底部混凝土脫落且內(nèi)部型鋼鼓曲;然后進(jìn)行有限元分析，將試驗(yàn)和有限元結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的破壞特征、滯回曲線和骨架曲線基本吻合，驗(yàn)證了有限元結(jié)果的可靠性;最后在此基礎(chǔ)上開展有限元參數(shù)化分析，探究混凝土強(qiáng)度、軸壓比和型鋼厚度3個(gè)參數(shù)對輕鋼混凝土組合柱-柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。結(jié)果表明：試件承載力隨混凝土強(qiáng)度的提高及型鋼厚度的增大而增大、隨軸壓比的增大而降低，且隨型鋼厚度變化承載力變化幅度較大；試件延性系數(shù)隨混凝土強(qiáng)度的提高、軸壓比的變大及型鋼厚度的增大而減小。

關(guān)鍵詞 ：裝配式建筑;柱-柱節(jié)點(diǎn);有限元分析;抗震性能

中圖分類號：TU398+.9"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號：1004-0366（2025）01-0047-07

當(dāng)前，建筑業(yè)正處于一個(gè)令人矚目的發(fā)展階段。新技術(shù)的涌現(xiàn)、綠色可持續(xù)發(fā)展理念的普及、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動(dòng)都為建筑業(yè)注入了新的活力和動(dòng)力。隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，裝配式建筑業(yè)在近年得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，但現(xiàn)存裝配式建筑仍存在施工復(fù)雜、質(zhì)量難以保證等問題，因此本課題組提出了超低能耗裝配式模塊墻建筑體系^［1］。該體系中墻體和樓板內(nèi)部填充泡沫，外側(cè)澆筑混凝土，泡沫和混凝土之間通過鋼絲網(wǎng)片進(jìn)行連接，具有保溫隔熱和防火功能，樓板和墻體之間通過方鋼管連接件組合。墻體、兩端冷彎薄壁型鋼柱和工字鋼梁組合成單一的模塊單元，根據(jù)不同建筑的需要，將不同單元模塊在工廠預(yù)加工后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行拼裝，在節(jié)點(diǎn)處形成一字形、L形、T形和十字形4種異形柱，后在空腔內(nèi)澆筑混凝土組合成整體。該體系成功解決了現(xiàn)有裝配式體系在連接節(jié)點(diǎn)處難以保證質(zhì)量和裝配效率不高等問題。

柱子是建筑結(jié)構(gòu)中主要承受力的構(gòu)件，其節(jié)點(diǎn)連接極其重要，直接影響結(jié)構(gòu)整體的傳力效果。當(dāng)前對于裝配式柱-柱節(jié)點(diǎn)的連接包括濕式連接和干式連接，其中濕式連接主要包括漿錨連接、榫頭連接、砂漿連接、套筒灌漿連接。干式連接主要包括螺栓連接、焊接連接。學(xué)者們對柱-柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，如蔣立峰^［2］對單齒柱芯鋼板箍連接和單齒柱芯套筒連接的柱-柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，其研究表明，新型節(jié)點(diǎn)由于柱芯的存在抗剪效果更好;羅青兒等^［3］對6根采用裝配整體式鋼筋混凝土柱榫頭連接節(jié)點(diǎn)的框架柱在低周反復(fù)荷載作用下的結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，該新型節(jié)點(diǎn)的受力性能與現(xiàn)澆相似，榫頭連接形式受力可靠;趙亮^［4］對漿錨連接方鋼管混凝土裝配柱進(jìn)行有限元和試驗(yàn)分析，研究了多參數(shù)對該節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，結(jié)果表明，漿錨連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力強(qiáng)于整體現(xiàn)澆，破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線等和現(xiàn)澆相似;汪梅等^［5］提出一種先將預(yù)埋鋼板和上下柱縱向受力鋼筋焊接，再用活動(dòng)蓋板將上下柱縱向受力鋼筋焊接的干式連接節(jié)點(diǎn)形式，驗(yàn)證了在新型裝配式框架柱干式連接是可行的;宋丹丹^［6］基于鋼化連接的預(yù)制裝卸式混凝土柱-柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，該節(jié)點(diǎn)柱端的工字鋼通過連接板和高強(qiáng)螺栓連接，包覆板和柱內(nèi)鋼筋通過焊接連接，將該新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行變參數(shù)分析，并與現(xiàn)澆混凝土柱進(jìn)行有限元對比分析，結(jié)果顯示該節(jié)點(diǎn)具有與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?，變參得出了?jié)點(diǎn)最優(yōu)軸壓比、最優(yōu)包覆板長度和厚度;巴子玉^［7］對使用單向螺栓以一段內(nèi)置鋼管柱連接段連接上下段鋼管柱的柱-柱節(jié)點(diǎn)在恒定軸力和低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)和有限元結(jié)合的方式，探究了不同參數(shù)對承載力的影響，并提出了節(jié)點(diǎn)抗滑移彎曲承載力和節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力簡化計(jì)算公式。

當(dāng)前研究大多集中于方鋼管柱等類型的干式連接和濕式連接，對于冷彎薄壁型鋼柱且干式螺栓連接節(jié)點(diǎn)的研究較少，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)還存在施工復(fù)雜和材料浪費(fèi)等問題，因此有必要對本文提出的節(jié)能模塊墻裝配式建筑體系中的柱-柱連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件構(gòu)造

以節(jié)能模塊墻裝配式建筑體系中的柱-柱節(jié)點(diǎn)為研究對象，柱子整體長3 m，其中上柱長2 m，下柱長1 m。上下柱型鋼骨架各由多肢冷彎薄壁型鋼通過自攻螺釘拼合而成，并在型鋼的翼緣處采用條形綴板加固，節(jié)點(diǎn)處使用連接板通過高強(qiáng)螺栓連接，對拼合好的型鋼骨架整體澆筑混凝土。輕鋼混凝土組合柱-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。

1.2 測點(diǎn)布置

為了監(jiān)測試驗(yàn)過程中內(nèi)部型鋼的變形和混凝土的應(yīng)變情況，分別在構(gòu)件的中間截面和節(jié)點(diǎn)截面布置應(yīng)變片。同時(shí)在柱子側(cè)邊布置4個(gè)位移計(jì)，監(jiān)測試驗(yàn)過程中構(gòu)件的位移變化情況，其中水平位移計(jì)測量加載端位移，中部位移計(jì)W1測量柱中部位移，節(jié)點(diǎn)位移計(jì)W2測量節(jié)點(diǎn)處位移，底部位移計(jì)W3監(jiān)測柱底部是否發(fā)生滑移。應(yīng)變片布置和位移計(jì)布置如圖2所示。

1.3 加載裝置

采用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，用油壓千斤頂在柱子的頂部施加豎向荷載，同時(shí)保證低周過程中豎向荷載始終作用于柱中心，在千斤頂和反力梁之間設(shè)置了滑輪。為了防止構(gòu)件在加載過程中發(fā)生面外失穩(wěn)，需安裝面外支撐裝置，水平方向采用作動(dòng)器進(jìn)行位移加載，柱底端板通過螺栓和地梁完全固定。試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。

1.4 加載制度

本次試驗(yàn)加載分為預(yù)加載和正式加載兩部分。首先計(jì)算軸壓比為0.2時(shí)的軸壓力，預(yù)加載其20％的豎向荷載，檢測儀器正常工作之后再施加±2 mm的水平位移，循環(huán)3次，用于檢測構(gòu)件是否固定穩(wěn)固。預(yù)加載過程一切表現(xiàn)正常，則將豎向荷載和水平荷載歸零，準(zhǔn)備進(jìn)行正式加載。

在正式加載過程中，先在柱頂施加85％的豎向荷載，之后緩慢加載至所需荷載值。水平方向采用位移加載方式，每級荷載以3 mm增加，各循環(huán)3次，當(dāng)承載力下降至峰值荷載的85％或試件發(fā)生破壞時(shí)停止加載。

2 試驗(yàn)分析

研究中對節(jié)能模塊墻裝配式建筑體系中的柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中構(gòu)件發(fā)生破壞，各個(gè)面的破壞情況如圖4所示。為了便于描述各個(gè)面破壞情況，設(shè)定水平推拉面為西面（W）。在單獨(dú)施加豎向力時(shí)，試件無明顯現(xiàn)象。在水平位移加載至18 mm時(shí)，下柱東面（E）底部出現(xiàn)第一條輕微裂縫，加載至-24 mm時(shí)西面（W）底部出現(xiàn)輕微裂縫，加載至30 mm的第3個(gè)正向循環(huán)過程中北面（N）出現(xiàn)豎向裂縫，加載至33 mm時(shí)東西面（E W）出現(xiàn)多條豎向裂縫并向上向下發(fā)展。水平位移加載至-36 mm時(shí)，底部混凝土開始輕微脫落，繼續(xù)加載至51 mm時(shí)東面（E）內(nèi)部型鋼發(fā)生屈曲，混凝土脫落嚴(yán)重，停止加載。構(gòu)件在最終破壞時(shí)，外側(cè)混凝土脫落的同時(shí)內(nèi)部型鋼也發(fā)生了局部屈曲。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在實(shí)際試驗(yàn)過程中會(huì)受到很多外界因素的影響，為了更加準(zhǔn)確地得到節(jié)點(diǎn)的抗震性能，采用ABAQU軟件對混凝土一字柱進(jìn)行有限元分析。將試驗(yàn)和有限元得到的破壞特征、力學(xué)性能等結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證有限元分析的可靠性。

對混凝土一字柱建模時(shí)，型鋼和混凝土均采用C3D8R實(shí)體單元，型鋼采用雙折線本構(gòu)模型，混凝土采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型，其中塑性階段混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》^［8］給出的計(jì)算方法確定，損傷因子根據(jù)SIDOROFF^［9］能量等效性假設(shè)方法確定。

為了簡化有限元分析過程，對該連接節(jié)點(diǎn)處螺栓采用虛擬螺栓，運(yùn)用連接器模擬螺栓預(yù)緊力，上下柱與連接板以及型鋼各部分之間均采用法向“硬”接觸，切向無摩擦，用綁定代替螺栓來模擬綴板條和型鋼之間的作用。進(jìn)行有限元模擬時(shí)，邊界條件和荷載應(yīng)與試驗(yàn)保持一致，因此設(shè)置如下：柱底表面耦合于中心一點(diǎn)，將6個(gè)自由度完全約束，實(shí)現(xiàn)柱底完全固定;柱頂表面也耦合于中心點(diǎn)，在該點(diǎn)施加軸壓力，并防止構(gòu)件發(fā)生面外失穩(wěn)，設(shè)置面外支撐條件，約束U2、UR1、UR3。低周反復(fù)荷載采用位移加載的方式，將柱頂耦合于一點(diǎn)進(jìn)行加載。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖5所示。

3.2 有限元結(jié)果驗(yàn)證

（1） 破壞模式對比 試驗(yàn)和有限元對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，混凝土一字柱-柱節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)與有限元分析過程中均發(fā)生柱底混凝土破壞，有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果均具有較好的一致性，證明該有限元模型是可靠的。

（2） 滯回曲線和骨架曲線對比 混凝土一字形構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析得到的滯回曲線和骨架曲線對比如圖7所示。圖7顯示，兩者的滯回曲線都較飽滿，骨架曲線基本吻合。但有限元分析過程中材料屬性、邊界條件等設(shè)置為理想狀態(tài)，而試驗(yàn)過程中會(huì)受到材料強(qiáng)度、固定效果、外界條件等因素影響，使得試驗(yàn)過程中的初始剛度、峰值承載力較低，并存在一定的滑移。

3.3 變參數(shù)試件設(shè)計(jì)

為了探究不同參數(shù)對混凝土一字柱-柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，采用與上述相同的建模方法和分析過程，選取混凝土強(qiáng)度、軸壓比及型鋼厚度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。探究不同參數(shù)對構(gòu)件承載力、延性等抗震性能的影響。

延性系數(shù)是反映結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要參數(shù)，試件的延性系數(shù) μ 計(jì)算公式為

μ=ΔuΔy，

其中：Δu為極限位移;Δy 為屈服位移。

采用能量等效法來確定結(jié)構(gòu)的屈服位移、屈服荷載，如圖8所示。

（1） 混凝土強(qiáng)度 為了研究混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，分別選取C20、C30、C40、C50 4種不同混凝土強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析（見圖9）。

圖9顯示，不同混凝土強(qiáng)度下骨架曲線的發(fā)展趨勢基本一致，除C20混凝土構(gòu)件外，在彈性階段曲線基本吻合。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)承載力不斷增強(qiáng)。采用C30混凝土的構(gòu)件比采用C20混凝土的構(gòu)件正負(fù)向峰值承載力分別提高了6.3％和3.5％;C40混凝土構(gòu)件比C30混凝土構(gòu)件的正負(fù)向峰值承載力分別提高5.7％和7.2％;C50混凝土構(gòu)件比C40混凝土構(gòu)件正負(fù)向峰值承載力分別提高4.4％。

表1為不同混凝土強(qiáng)度對延性系數(shù)的影響。由表1可知，C30混凝土構(gòu)件比C20混凝土構(gòu)件平均延性系數(shù)下降0.7％;C40混凝土構(gòu)件比C30混凝土構(gòu)件平均延性系數(shù)下降5％;C50混凝土構(gòu)件比C40混凝土構(gòu)件平均延性系數(shù)下降5％。在混凝土強(qiáng)度超過C40時(shí)降低幅度變大，建議混凝土強(qiáng)度控制在C20～C30之間。

（2） 軸壓比 為了研究軸壓比對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，分別選取0.2、0.3、0.4、0.5 4種軸壓比進(jìn)行有限元分析（見圖10）。圖10顯示，不同軸壓比下骨架曲線的變化趨勢一致，在彈性階段的曲線基本吻合，隨著軸壓比的增大，延性不斷減小，構(gòu)件越早發(fā)生屈服。隨著軸壓比的提高，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)承載力不斷下降，當(dāng)軸壓比從0.2增加到0.3時(shí)，其峰值承載力由57.03下降到53.68，下降幅度近4.2％;當(dāng)軸壓比由0.3增加到0.4時(shí)，峰值承載力由53.68下降到51.38，下降幅度近4.3％;當(dāng)軸壓比由0.4增加到0.5時(shí)，峰值承載力由51.38下降到49.7，下降幅度近2.9％。

表2為不同軸壓比下延性系數(shù)的變化。由表2可知，當(dāng)軸壓比由0.2增加至0.3時(shí)，延性降低幅度近0.5％;當(dāng)軸壓比由0.3增加至0.4時(shí)，延性降低幅度近1％;當(dāng)軸壓比由0.4增加至0.5時(shí)，延性降低幅度近2.2％。綜上所述，隨著軸壓比的增大，承載力不斷降低，變形能力也會(huì)降低。

（3） 型鋼厚度 為了研究型鋼厚度對節(jié)點(diǎn)承載力的影響，分別選取1.8 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 5種不同型鋼厚度進(jìn)行有限元分析（見圖11）。圖11顯示，隨著型鋼厚度的增加，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)承載力不斷增大。當(dāng)型鋼厚度由1.8 mm增加至2.5 mm時(shí)，其峰值承載力平均提高21.7％;當(dāng)型鋼厚度由2.5 mm增加至3.0 mm時(shí)，峰值承載力平均提高約9.1％;當(dāng)型鋼厚度由3.0 mm增加至3.5 mm時(shí)，峰值承載力平均提高約10.4％;當(dāng)型鋼厚度由3.5 mm增加至4.0 mm時(shí)，峰值承載力平均提高約12.7％。

表3為不同型鋼厚度下延性系數(shù)的變化。由表3可知，當(dāng)型鋼厚度由1.8 mm增加至2.5 mm時(shí)，平均延性系數(shù)下降約1.9％;當(dāng)型鋼厚度由2.5 mm增加至3.0 mm時(shí)，平均延性系數(shù)基本保持不變;當(dāng)型鋼厚度由3.0 mm增加至3.5 mm時(shí)，平均延性系數(shù)降低5.7％;當(dāng)型鋼厚度由3.5 mm增加至4.0 mm時(shí)，平均延性系數(shù)降低約3.1％。綜上可知，隨著型鋼厚度的增加，連接板和混凝土對內(nèi)部型鋼構(gòu)件的約束會(huì)變?nèi)酰箻?gòu)件越早發(fā)生屈服。當(dāng)型鋼厚度超過2.5 mm時(shí)，承載力增加幅度降低，延性下降的幅度增大，建議采用型鋼厚度不大于2.5 mm。

4 結(jié)論

本文對混凝土一字柱-柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，并選取3個(gè)不同參數(shù)進(jìn)行模擬，分析了其對混凝土一字柱-柱節(jié)點(diǎn)抗震性

能的影響，得出以下結(jié)論：

（1） 通過試驗(yàn)和有限元模擬破壞現(xiàn)象可知，該結(jié)構(gòu)的破壞區(qū)域集中于柱底，柱底混凝土開裂脫落，同時(shí)內(nèi)部型鋼發(fā)生屈曲，證明了該節(jié)點(diǎn)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了等強(qiáng)連接。

（2） 該柱-柱節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力隨著混凝土強(qiáng)度的增加而增大，但延性會(huì)越來越低，且延性降低幅度會(huì)變大，因此在設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用時(shí)不宜選擇混凝土強(qiáng)度超過C30的材料。

（3） 隨著軸壓比的增大，承載力和延性都不斷下降。

（4） 隨著型鋼厚度的增加，承載力也不斷增大，在同一軸壓比下，型鋼厚度增大、軸壓增大、鋼骨架橫向抵抗力增強(qiáng)，但節(jié)點(diǎn)連接板不變，結(jié)構(gòu)變形主要集中于柱節(jié)點(diǎn)上。因此柱強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件屈服并提前破壞，使得延性隨著型鋼厚度增大而降低。

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Study on mechanical properties of connections of light steel concrete

composite columns for energy saving modular wall

ZHANG Guowen1，WANG Yajing1，QIAO Wentao1，LI Yuanrui2，ZHANG Junjie1

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.China Construction Sixth Bureau Civil Engineeing Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China ）

Abstract

As a key load-bearing component of energy saving modular wall，the joint connection of light steel concrete composite column directly affects the force transfer of the whole structure.In order to study the seismic performance of the joint of light steel concrete composite column，the low cycle repeated load test was carried out.It was observed that the concrete at the bottom of the member fell off and the steel inside buckled.Then the finite element analysis is carried out，and the results of the test and finite element are compared.The failure characteristics，hysteresis curves and skeleton curves of the two are basically consistent，which verifies the reliability of the finite element results.On this basis，the finite element parametric analysis is carried out to study the effects of concrete strength，axial compression ratio and section thickness on the seismic performance of light steel concrete composite pillar-column joints.The results show that the bearing capacity of specimens increases with the increase of concrete strength and section thickness，and decreases with the increase of axial compression ratio，and the change amplitude is large with the thickness of section steel.The ductility coefficient of the specimen decreases with the increase of concrete strength，axial compression ratio and steel thickness

Key words

Prefabricated buildings;Column-column joints;Finite element analysis;Seismic performance

（本文責(zé)編：毛鴻艷）