夹心复合外挂墙板与钢框架点式连接节点的静力性能试验研究

引用文献：

完海鹰秦昊雯陈安英. 夹心复合外挂墙板与钢框架点式连接节点的静力性能试验研究[J]. 建筑结构，2020，50（22）：16-20，15.

WAN Haiying QIN Haowen CHEN Anying. Experimental study on static behavior of point-jointed joints of sandwich composite external wall panels and steel frames[J]. Building Structure，2020,50（22）：16-20，15.

作者：完海鹰秦昊雯陈安英

单位：合肥工业大学土木与水利工程学院

摘要：针对夹心复合外挂墙板与钢框架的连接节点,分析下节点可能承受的荷载组合方式,并通过抗拉、抗压、抗剪试验,研究墙板下节点的破坏形态和承载性能。试验结果表明,下节点承载能力主要受垫板和螺栓影响较大。通过与实际工程中相同尺寸墙板节点的极限承载力计算值对比可知,此类墙板节点能满足工程需要。最后,采用软件ABAQUS近一步考察了下节点的受力性能。研究结果可为类似外挂墙板的节点优化提供参考。

关键词：夹心复合外挂墙板钢框架破坏形态承载性能装配式建筑

作者简介：完海鹰,博士,教授,博士生导师,Email:wanhy8858@163.com；陈安英,博士,副教授,一级注册结构工程师,Email:anyingchen@hfut.edu.cn。

基金：安徽省高层钢结构住宅技术规程项目(2018050710)。

0 引言

　　随着装配整体式结构形式的蓬勃发展,国内外对外挂墙板的类型和节点连接形式都进行了大量的研究。外挂墙板一般用作钢结构的围护构件,起到有效抵御不利环境影响的作用,其中,连接外挂墙板与主体结构的节点,更是影响结构抗震性能和正常使用情况下承载能力的关键。但是,装配式钢结构住宅的连接节点多以预埋件连接为主,且国内外研究 ^[1,2,3,4]多以预埋件的抗拔性能、板材配筋和垫片半径对节点的影响以及节点的抗剪性能和承载能力为研究对象,用锚杆固定墙板、外伸钢板承托墙板的节点形式比较少见,而且节点的相关设计方法比较少,规范标准不统一。

　　综上所述,本文结合文献 ^[5,6,7,8,9],依照国内主流的设计规范 ^[10,11]要求,提出一种新型承托式外挂墙板的连接节点及其计算方法,并通过试验和有限元分析相结合,对承托式连接节点的静力性能进行研究,研究结果可为类似节点在实际工程中的应用提供数据支持。

1 新型外挂式连接节点

1.1 节点形式

　　外挂墙板由两个上节点、两个下节点组成，墙板与节点连接构造如图1所示。上下节点形式不同，如图2所示，图中P1为下节点中的角钢，P2为连接墙板的螺栓，P3为钢板，P4为加劲肋，P5为与钢梁相连的螺栓，P6为小垫板，P7为上节点中的角钢。

　　图1 节点与外挂墙板连接示意图

　　图2 节点示意图

　　节点通过螺栓P5固定在钢结构框架梁上,外墙板通过下节点的钢板P3承托,再由上节点和下节点的螺栓P2固定。

　　下节点的外伸钢板承担主要的竖向荷载,下节点的钢板与角钢以坡口焊形式连接,两块加劲肋以双面角焊缝形式焊接到角钢上。上节点和下节点材质、尺寸一样,形状略有不同。板面荷载由4个节点共同承担。根据设计外挂墙板采用“平移+转动”的受力模式。

　　为了解决装配误差问题,在角钢的水平面上开横向槽孔,在垂直面上开竖向槽孔。槽孔直径略大于螺栓直径。节点与墙板间以螺栓形式连接。上节点起固定作用,下节点主要起受力作用,本文主要研究下节点的受力形式和承载性能。

1.2 荷载分析

　　预制外挂墙板要承受包括墙板自重、风荷载、地震作用在内的荷载组合作用。所以,连接节点应具有足够的承载力来承受外挂墙板传递给主体结构的荷载组合作用。

　　下节点受力方式参考文献[12],下节点受力简图见图3,所受荷载标准值如表1所示。

　　 下节点各方向荷载标准值表1

荷载		竖向荷载	面外水平荷载	面内水平荷载
重力荷载		$R_{z w} = \frac{w}{2} + \frac{w e_{y}}{L_{1}}$ $R_{z w} = \frac{w}{2} + \frac{w e_{y}}{L_{1}}$	$R_{x w} = \frac{w e_{x}}{Η_{1}} - \frac{R_{z w} e_{x^{'}}}{Η_{1}}$ $R_{x w} = \frac{w e_{x}}{Η_{1}} - \frac{R_{z w} e_{x^{'}}}{Η_{1}}$	—
风荷载		—	$R_{x p} = \frac{Ρ}{4} \pm \frac{Ρ e_{y}}{2 L_{1}}$ $R_{x p} = \frac{Ρ}{4} \pm \frac{Ρ e_{y}}{2 L_{1}}$	—
地震作用	面外水平地震作用	—	$R_{x f} = \frac{F_{x}}{4} + \frac{F_{x} e_{y}}{2 L_{1}}$ $R_{x f} = \frac{F_{x}}{4} + \frac{F_{x} e_{y}}{2 L_{1}}$	—
	面内水平地震作用	—	—	$R_{y f} = \frac{F_{y}}{2}$ $R_{y f} = \frac{F_{y}}{2}$
	面内垂直地震作用	$R_{z f} = \frac{F_{z}}{2} + \frac{F_{z} e_{y}}{L_{1}}$ $R_{z f} = \frac{F_{z}}{2} + \frac{F_{z} e_{y}}{L_{1}}$	$R_{x f} = \frac{F_{z} e_{x}}{Η_{1}} - \frac{R_{z f} e_{x^{'}}}{Η_{1}}$ $R_{x f} = \frac{F_{z} e_{x}}{Η_{1}} - \frac{R_{z f} e_{x^{'}}}{Η_{1}}$	—

　　注:R_zw,R_xw分别为重力荷载引起的下节点在z,x方向的反作用力; R_xp为风荷载引起的下节点在x方向的反作用力; R_xf,R_yf,R_zf为地震作用引起的下节点在x,y,z方向的反作用力; F_x,F_y,F_z为面外水平地震作用力、面内水平地震作用力、与面内垂直地震作用力; w为重力荷载; e_y为重力荷载作用点与板面形心在y方向距离; e_x为重力荷载作用点与上节点在x方向的距离; e_x′为下节点与上节点在x方向的距离; H₁为上节点与下节点之间的距离; P为风荷载。

　　图3 墙板受力分析

1.3 荷载组合形式

　　参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[13]的有关条例,考虑节点在不同荷载组合下,承受的荷载可能来自多个方向,同时考虑极限状态下的荷载基本组合,对两个以上荷载组合,取含有水平向最大的绝对值的向量组合作为面外水平荷载的控制组合,如表2所示。

　　图4 下节点加载示意图

　　 荷载组合情况表2

竖向荷载	面外水平荷载	面内水平荷载
1.2R_zw+1.3R_zf	1.2R_xw+1.3R_xf+0.2×1.4R_xp	1.2R_yw+1.3R_yf
1.35R_zw	1.2R_xw+1.4R_xp	1.2R_yw+1.3R_yf

2 下节点试验概况

2.1 试件规格

　　对9个钢结构节点试件(尺寸见图2(a))进行抗拉、抗压和抗剪静载试验,观察节点的破坏形式,考察节点的承载能力和变形能力,以及垫片厚度对节点性能的影响。试验试件基本参数见表3。

　　 试验试件基本参数表3

试验内容	试件编号	钢材级别	螺栓级别	垫片厚度/mm
下节点竖向抗压	JD1-1 JD1-2 JD1-3	Q345 Q345 Q345	8.8级 8.8级 8.8级	5 5 10
下节点水平抗拉	JD2-1 JD2-2 JD2-3	Q345 Q345 Q345	8.8级 8.8级 8.8级	5 5 10
下节点水平抗压	JD3-1 JD3-2 JD3-3	Q345 Q345 Q345	8.8级 8.8级 8.8级	5 10 10

2.2 加载装置及测点内容

　　试验是在合肥工业大学材料试验室,通过压力试验机加载完成的。在试件的关键部位处布置百分表,通过读取百分表的读数得到相应部位的位移。压力试验机每级加载10kN,每级加载完成后静置3min左右,然后继续加载至百分表有读数变化时,改为每级加载3kN,直到破坏。加载示意如图4所示。

2.3 试件破坏形式分析

　　典型节点破坏形式见图5。试件JD1-1和试件JD1-3承受的是竖向荷载,试件破坏形式为焊缝在弯矩作用下发生脆断。试验中加载板弯曲严重,角钢变形微弱,可通过增加加载板厚度或者添加加劲肋来减小加载板的变形挠度。

　　试件JD2-1和试件JD2-3承受的是反向拉力作用,试验中,试件夹持杆受拉,连接角钢和垫板的螺栓受剪力和弯矩共同作用,试件JD2-1因垫板和螺栓变形过大而破坏。试件JD2-3的夹持杆被拉断,节点本身并没有破坏。可以通过适当增加垫板刚度和提高螺栓级别的方式来提高构件的极限承载力。

　　图5 典型节点破坏形式

　　试件JD3-1的角钢没有出现屈曲变形,但是螺栓和垫板弯曲变形严重,而且自制压杆与角钢连接处焊缝断裂。试件JD3-3的角钢和螺栓基本无变形。说明角钢强度很高,节点的极限承载能力受螺栓强度和垫板厚度影响严重。

2.4 试件极限承载力分析

　　根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[13]的有关规定算得:外挂墙板的重力荷载标准值约为33.93kN,施加于外挂墙板重心处的水平地震作用标准值为13.572kN,竖向地震作用标准值可取水平地震作用标准值的0.65倍。按照表1提到的荷载组合方法,可算得:节点承受竖向压力为52.18kN,水平压力为65.93kN。试件极限承载力试验值和计算值见表4。

　　 试验试件极限承载力表4

试验内容	试件编号	极限承载力试验值/kN	极限承载力计算值/kN
下节点竖向抗压	JD1-1 JD1-2 JD1-3	235 285 350	52.18
下节点水平抗拉	JD2-1 JD2-2 JD2-3	155 135 160	65.93
下节点水平抗压	JD3-1 JD3-2 JD3-3	180 280 >190	65.93

　　将极限承载力试验值与极限承载力计算值对比可知:本节点完全能满足正常使用状态下承载能力的要求,可应用于工程实际需要。

　　试件JD3-3的极限承载力大于190kN,是因为与试件JD3-1的极限承载力180kN相比,试件JD3-3受荷更大而变形非常小,加载至190kN后即停止加载了。

　　将试件JD3-1,JD3-2,JD3-3和试件JD2-1,JD2-2,JD2-3对比可知,下节点的抗压承载力比抗拉承载力大。原因是压力作用时,由于角钢和垫板的相互作用,增大了下节点的抗压极限承载力。

　　试件JD1-3,JD2-3,JD3-2的极限承载力分别为350,160,280kN,试件JD1-2,JD2-1,JD3-1的极限承载力分别为285,155,180kN,垫片厚度为10mm的节点均比同类别垫片厚度5mm节点承载能力更强,表明在一定范围内垫板厚度对承载能力有很大影响。

2.5 试件位移情况分析

　　在单向荷载作用下,各试件荷载-位移曲线如图6所示,由图6可知:

　　 (1)节点在受力时,荷载与位移的变化关系符合弹塑性变形特点,弹性阶段,荷载与位移呈线性关系,当节点变形进入塑性阶段,荷载-位移曲线的斜率逐渐变小,随着荷载的增大变形更加明显。

　　 (2)在受到相同力作用时,垫片厚度10mm试件的位移变化更小。

　　 (3)试件JD2-1,JD2-2,JD2-3与试件JD3-1,JD3-2,JD3-3相比,在受到相同力作用时,试件受压比受拉时变形小。

　　图6 单向荷载作用时各试件荷载-位移关系曲线

3 有限元分析

　　选用有限元软件ABAQUS分析下节点在最不利荷载组合下的受力性能,进一步揭示节点的受力机理。

　　节点模型按照试验节点尺寸建模,各部分均选取实体单元模拟,采用楔形、结构和扫略等多种网格划分方式划分网格,焊缝采用绑接形式模拟。考虑不同实体之间的接触作用,定义接触实体为有摩擦力存在的接触单元; 所有受力面耦合成刚性面,在耦合节点处施加荷载。

　　依据下节点的受力特点,对承重螺杆在刚性面施加法向荷载和面内水平荷载,对外伸托板的刚性面施加法向荷载,节点模型如图7所示。

　　图7 节点模型及网格划分

　　节点考虑三向受力:面外水平作用、面内水平作用和面内竖直作用,面外水平作用考察拉力作用,因为如果面外水平作用为压力的话,与竖直作用呈90°角,方向相反,可以起到提高竖直方向承载力的作用。而且经2.4节试验分析可知,单向受压比单向受拉的承载力要高,所以仅对螺栓受拉作用进行地震作用、风荷载和重力荷载组合的有限元分析。

　　由表5可知,相对垫板厚度5mm的试件,垫板厚度10mm的试件极限承载力提高46.76%,测点1位移减小5.5%,测点2位移减小7.13%。由图8可知,在组合荷载作用下,测点1与测点2两点荷载-位移曲线变化弧度基本类似,垫板厚度5mm试件荷载-位移曲线更早进入屈服阶段,试件承载力更小,位移变化很小。说明在一定范围内,垫板厚度对承载力的影响更大。

　　 不同厚度垫板对应的试件承载和位移情况表5

垫板厚度/mm	极限荷载/kN	位移/mm
垫板厚度/mm	极限荷载/kN	测点1	测点2
5	130.29	10	9.40
10	191.22	9.45	8.73
增加百分比	46.76%	-5.5%	-7.13%

　　图8 组合荷载作用下试件荷载-位移关系曲线图

　　由图9,10中垫板厚度为5mm和10mm的节点各部件应力示意图对比分析可知:垫板厚度为10mm的节点受力较均匀,角钢都能起到很好的承力作用;而垫板厚度为5mm的节点,因螺栓受力较大,节点很快达到极限承载力, 而此时,角钢还有很大的承载空间,所以相比于垫板厚度为10mm的节点而言,垫板厚度为5mm的节点受力不均,承载能力不高,变形更大。

　　图9 垫板厚度为5mm时组合荷载作用下的节点应力示意图

　　图10 垫板厚度为10mm时组合荷载作用下的节点应力示意图

4 结论

　　本文提出的是一种新型外挂连接节点,可广泛应用到装配式钢结构外挂墙板中,并给出了该节点受力方式和荷载组合情况,也从试验的角度对节点的破坏形式、承载能力和变形情况作了分析,并且也通过非线性有限元软件,分析了组合受力情况下,不同厚度垫板的应力分布情况,现结论如下:

　　 (1)本文提出新型外挂连接节点的设计方法和荷载组合,并选用实际尺寸外挂墙板对该方法进行验证,其验算结果满足规范要求。

　　 (2)新型连接节点在多种荷载作用下有着良好的受力性能,其极限承载力受垫板厚度的影响较大,也与螺栓的强度有关。一定范围内,垫板越厚,螺栓强度越高,节点的承载能力和变形情况会更好。

　　 (3)主体节点构件的破坏模式有两种,第一种是螺杆和垫板弯曲变形过大,承载力达到极限,构件破坏; 第二种是节点的外伸托板变形挠度过大,满足不了工程中墙板的变形要求。

　　 (4)角钢厚度过大,试验过程中基本无塑性变形,受力分布不均匀,为了节约钢材,可对节点进行进一步优化。

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Experimental study on static behavior of point-jointed joints of sandwich composite external wall panels and steel frames

WAN Haiying QIN Haowen CHEN Anying

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology)

Abstract: For the connection joints between the sandwich composite external wall panel and the steel frame, the load combination mode that the lower joints may bear was analyzed, and the failure mode and bearing performance of the lower joints of the wall panel were studied through tensile, compressive and shear tests. The test results show that the bearing capacity of the lower joints is mainly affected by the backing plate and bolts. By comparing with the calculation value of the ultimate bearing capacity of the same size wall panel joints in the actual project, it can be known that this kind of wall panel joints can meet the needs of the project. Finally, the software ABAQUS was used to investigate the force performance of the lower joints. The research results can provide reference for the optimization of joints similar to external wall panels.

Keywords: sandwich composite external wall panel; steel frame; failure mode; bearing performance; prefabricated building

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