装配式轻钢混凝土板墙边节点设计及模拟分析
Design and Simulation of the Prefabricated Exterior Joint between Light Steel-Concrete Composite Slab and Walls

作者: 张飞鹏 , 刘殿忠 :吉林建筑大学土木工程学院,吉林 长春;

关键词: 装配式节点轻钢混凝土组合结构AbaqusPrefabricated Joint Light Steel-Concrete Composite Structure Abaqus

摘要:
本文提出了一种适用于装配式轻钢混凝土板墙体系的新型边节点形式,并对其进行了初步的有限元模拟分析。该新型节点采用自攻钉对轻钢混凝土预制墙板进行连接,而后再在节点区现浇混凝土。此种节点连接方式在浇筑混凝土之前就基本可以承载,因而可在本层装配完工后继续下一楼层的施工,在缩短施工周期方面具有很大优势。随后的有限元分析表明,该板墙节点的延性非常好,破坏形态为板端塑性铰破坏,符合抗震设计要求。综上,该节点形式设计合理,具有一定的研究和应用价值。

Abstract: This paper proposes a new kind of prefabricated exterior joint applicable for light steel-concrete composite panel structures, then conducts a preliminary finite element simulation analysis for it. Tapping screws are used to connect the prefabricated light steel-concrete composite walls and slab, and then concrete is casted into the joint area. The joint can basically bear loads before casting the concrete, so it’s practicable to assemble the next floor after assembling the former floor. So this joint has great advantage in shortening construction period. And the finite element analysis reveals that the joint’s ductility is very good and the failure mode is plastic hinge failure at the end of slab, so it meets requirements of aseismic design. To sum up, the joint is reasonably well designed and deserves further study and application.

1. 引言

近年来,装配式建筑逐渐成为建筑行业发展的一大趋势,国家也在大力提倡和鼓励发展装配式建筑。装配式建筑在工厂中完成部分构件的制作,运到工地后通过现浇节点等将预制构件连接成整体即可,减少了施工现场的作业量,具有施工环境好、建筑垃圾少、工期短等优点,更有利于节能环保。不过也正是因为构件预制、节点现浇的施工方式,使得装配式混凝土结构的整体性不及传统的完全现浇式混凝土结构,预制构件间结合处往往容易成为装配式建筑的薄弱区。为此国内外很多人对装配式建筑的连接节点区进行了研究,取得了不少成果。

目前相对研究较多的节点形式主要有灌浆套筒连接、浆锚搭接、叠合式连接、预应力压接、螺栓连接、牛腿连接等 [1] [2] [3] ,国内前三种连接方式应用相对较多。但是以上研究成果大多是针对装配式钢筋混凝土结构的,少部分可以用于钢结构,而在装配式组合结构方面的研究成果则非常少,很有必要进行这方面研究。鉴于此,本文提出了一种新型的、适用于轻钢混凝土组合结构的装配式板墙体系边节点形式,随后对其进行了有限元模拟分析。轻钢混凝土结构作为组合结构的一种,同其它形式的组合结构一样,既综合了钢与混凝土二者的优势,同时在装配化研究方面也存在很大空白。本文进行装配式轻钢混凝土板墙体系边节点的研究,正是希望能在一定程度上弥补这方面研究的不足。

2. 装配式轻钢混凝土板墙体系边节点设计及施工方案

2.1. 节点设计

本文截取上墙、下墙、板的一部分对板墙边节点进行说明,其中的墙与板均由冷弯薄壁轻型钢及混凝土组合而成。考虑到后期进行试验验证和有限元模拟的需要,文中板、墙等的尺寸均为试验及有限元模型中的尺寸。板、墙的宽度均为1.4 m,在此宽度范围内分布有6根冷弯薄壁槽钢,槽钢间距(腹板肢背到肢背距离)在中部为300 mm,端部加密为150 mm。槽钢间用扁钢进行横向拉结使之形成整体的型钢骨架,钢材间均采用钻尾自钻螺钉(文中简称为“自攻钉”)进行连接。取沿槽钢纵向的剖面图来进行说明,预制的上墙、下墙、板及装配节点如图1、2所示。

2.2. 施工步骤

装配时施工步骤如图3所示:1) 下层装配完毕后继续本层施工时,下墙已经竖立完毕,此时吊装预制板就位,将板端搭在下墙预埋的角钢和混凝土上并调整好位置,随后用自攻钉将板端外露型钢腹板与下墙型钢腹板连接好,此时预制板与下墙基本连接完毕。预埋角钢不仅在此时起临时支撑牛腿的作用,

Figure 1. Prefabricated walls and slab

图1. 预制墙、板

Figure 2. Exterior joint detail

图2. 边节点详图

装配完毕之后还有提高节点抗剪及抗扭承载力的作用。2) 在板端每根外露型钢的上翼缘放一块冷弯薄壁角钢,角钢一面与板型钢上翼缘贴紧,另一面与下墙型钢腹板贴紧后再用自攻钉将其固定在下墙型钢上。这里后补该角钢主要是为了提高节点的抗扭承载力。3) 吊装上墙并对准位置,随后在预制上墙、下墙的外露型钢连接处套一个大一点的薄壁槽钢,一半与上墙型钢搭接,一半与下墙型钢搭接,再用自攻钉将其与上、下墙型钢连接好,这样就保证了上下墙之间的连续性。至此预制板、上墙、下墙的型钢间已完全连接成一个整体,形成了完整的传力路径,可以承担一定荷载,因而不影响下一层的继续施工。4) 最后在节点区浇筑自密实混凝土即可,到此板墙节点已完全施工完毕。养护完毕后混凝土不仅起着防腐、防火、防水等防护作用,同时也可与型钢协同受力。

(1) 板搭接就位,打钉与下墙连好 (2) 后补上部角钢并打钉 (3) 上墙就位,套好大槽钢并打钉以连接上下墙 (4) 浇混凝土,完成拼装

Figure 3. Joint assembly steps

图3. 节点拼装步骤

由以上施工过程可以看出,与当前国内应用较多的灌浆套筒连接、浆锚搭接、叠合层连接等节点形式相比,本文提出的节点形式在缩短工期方面具有明显优势。上述三种节点形式都必须等到浇筑并养护完混凝土或灌浆料后才能使预制构件连成整体,因而在养护完成之前不能进行下一层的施工;而本文所述节点虽然也有后浇混凝土,但它主要是起防护作用,在其浇筑之前已然通过自攻钉将各预制构件连成一体,型钢骨架已经提供了足够的承载能力,因而可以继续施工下一层,有利于缩短施工周期。

3. 节点有限元模型

为验证上述节点的可靠性,本文对其进行了初步的有限元模拟分析,有限元模型择要叙述如下。

3.1. 材料模型

钢材为Q345钢,单元类型采用S4R壳单元,本构模型采用双折线组合硬化模型。组合硬化模型结合了各向同性硬化与随动硬化模型二者的优点,既考虑了钢材的包辛格效应,又考虑了屈服面的变化 [4] [5] ,可以较好地模拟钢材在循环荷载下的塑性发展情况。

混凝土为C30自密实混凝土,采用损伤塑性模型来考虑其塑性发展 [6] [7] [8] 。

混凝土及型钢骨架单元划分如图4。钢材与混凝土间采用嵌入约束来考虑二者的协同作用,对二者间的粘结滑移情况忽略不计。

3.2. 荷载施加

墙顶分布均匀的轴压力,标准轴压比取0.3,对应的设计轴压比为0.18 [9] 。

墙顶轴压力施加完成后,在其下一个分析步中施加板端的循环位移荷载。具体的施加方法是在板悬臂端切割出一块加载区域,然后定义参考点与加载区进行刚体约束,再将定义好的位移幅值施加在该参考点上。位移初期以2 mm的级差逐级增加,每级荷载循环一次,加载至10 mm后级差改为4 mm,每级荷载循环两次。

Figure 4. Elements of concrete and steel skeleton

图4. 混凝土、型钢骨架单元

3.3. 边界条件

墙底约束三个平移自由度和两个转动自由度,墙顶约束两个水平方向的平移自由度和两个转动自由度,这样相当于墙底墙顶均为铰接,同时又可保证墙顶在轴压力作用下能够发生竖向压缩变形。具体来说是在墙底墙顶分别定义与之耦合的参考点,然后再约束参考点的上述自由度。

为了节省计算机内存、提高计算速度,取对称结构的一半来进行分析,在对称面上设置对称的边界条件。

4. 有限元分析结果

4.1. 荷载-位移曲线分析

节点的滞回曲线及骨架曲线见图5。可以看出,加载初期滞回曲线及骨架曲线斜率变化不大,基本接近于直线,说明此时试件基本处于弹性阶段,刚度基本没有退化;位移加载至22 mm之后,骨架曲线逐渐趋于平缓,刚度开始退化,但各级加载之间相比刚度退化不大;当位移达到54 mm之后荷载不再上升反而有些许下降,此时荷载约为32 kN。取试件的屈服位移为22 mm、极限位移为54 mm,则试件的延性系数为2.455 [10] ,而实际上这只是延性系数的下限,由于位移达54 mm之后荷载并未出现明显的下降,故实际极限位移远不止54 mm,实际延性系数要大于2.455,可见该板墙节点的延性很好。

因为模拟中采用了将型钢骨架嵌入混凝土中的约束方式,未考虑型钢骨架与混凝土间的粘结滑移,对混凝土的开裂等也难以如实反映,故模拟所得的滞回曲线比较饱满,没有出现捏缩现象。这样会高估节点的耗能能力,与实际有所不符,这一点尚有待继续改进。

4.2. 应力应变分析

试件的应力、应变云图如图6、7所示。

由型钢骨架应力云图可以看出,板、墙相交处的节点核心区应力较小,而核心区略往外的板端处应力较大;而混凝土应力云图中各处应力都比较小。由应变云图可以看出,不论是混凝土还是型钢骨架,应变较大的位置均为核心区略往外的板端处,其它位置的应变很小。

总体来说,节点核心区的应力、应变均比较小,较大的应力、应变集中在核心区略往外的板端处,这正是板端塑性铰所在的位置。试件的破坏模式为板端塑性铰破坏而非节点核心区剪切破坏,这与“强节点弱构件、强竖向弱横向、强剪弱弯”的抗震设计原则完全吻合。因而可以证明该节点设计的合理性,有一定的研究和应用价值。

Figure 5. Hysteresis curve and skeleton curve

图5. 滞回曲线及骨架曲线

Figure 6. Stress contour of concrete and steel skeleton

图6. 混凝土、型钢骨架应力云图

Figure 7. Strain contours of concrete and steel skeleton

图6. 混凝土、型钢骨架应变云图

5.结论

1) 采用自攻钉对轻钢混凝土预制墙板进行连接,而后再在节点区现浇混凝土,这种节点连接方式可以用于装配式轻钢混凝土组合结构。

2) 此种节点连接方式在浇筑混凝土之前就基本可以承载,因而可以在本层装配完成后继续下一楼层 的施工,故此种节点连接方式在缩短施工周期方面具有很大优势。

3) 该板墙节点的延性非常好,破坏形态属于板端塑性铰破坏,符合抗震设计要求。

文章引用: 张飞鹏 , 刘殿忠 (2019) 装配式轻钢混凝土板墙边节点设计及模拟分析。 土木工程, 8, 106-113. doi: 10.12677/HJCE.2019.81014

参考文献

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[2] 张德龙. 预制装配式剪力墙结构的连接方法及受力性能研究[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安科技大学, 2015.

[3] 孙建. 新型全预制装配式剪力墙结构抗震性能研究[D]: [博士学位论文]. 南京: 东南大学, 2016.

[4] 王萌. 强烈地震作用下钢框架的损伤退化行为[D]: [博士学位论文]. 北京: 清华大学, 2013.

[5] 王彤. 桥梁结构钢材滞回本构模型改进及其应用研究[D]: [博士学位论文]. 杭州: 浙江大学, 2016.

[6] 何书明. 泡沫混凝土本构关系的研究[D]: [硕士学位论文]. 长春: 吉林建筑大学, 2014.

[7] 丁发兴, 应小勇, 余志武. 轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2010, 41(5): 1973-1979.

[8] 曲波. 全轻混凝土框架结构梁柱节点抗震性能研究[D]: [硕士学位论文]. 长春: 吉林建筑大学, 2015.

[9] 程文瀼, 李爱群, 张晓峰, 吴亦君. 钢筋砼柱的轴压比限值[J]. 建筑结构学报, 1994(6): 25-30.

[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ/T 101-2015建筑抗震试验规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

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