洪嘉鑫，完海鷹

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著中國經濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設的大力推進，傳統(tǒng)的建筑方式已無法滿足市場需求和環(huán)境保護的要求，建筑業(yè)建造方式的“革命”迫在眉睫，裝配式鋼結構建筑以其質輕、節(jié)能、環(huán)保、安裝簡便、加工性能好、施工進度快、模塊化，設計標準化等優(yōu)點得到大力推廣[1]，墻板作為裝配式鋼結構建筑圍護體系中的重要構件，其與主體結構連接主要有內嵌式和外掛式2種。

文獻[2～5]的研究表明，當外掛墻板通過外掛節(jié)點與主體結構連接時，節(jié)點本身的承載及變形能力對整體結構的抗震性能具有重要影響。本文研究的連接節(jié)點屬于點式連接節(jié)點，分上節(jié)點與下節(jié)點兩種形式。其中下節(jié)點在結構中起主要受力作用，承擔外掛墻板傳來的平面內和平面外荷載。而上節(jié)點只起到限位作用，在地震作用下，上節(jié)點可以充分變形以適應墻板與主體結構之間的相對位移。

本文針對點式連接節(jié)點進行有限元模擬數(shù)值分析，探究其在不同方向上的受力承載性能，并依托某工程背景對該節(jié)點的實際受荷大小進行理論計算與模擬值進行對比驗算是否滿足設計要求。

表1 模擬節(jié)點編號

1 節(jié)點參數(shù)

節(jié)點模型編號如表1所列，節(jié)點具體尺寸按實際節(jié)點尺寸1：1建模，為模擬實際受力建模時在節(jié)點底部附加鋼板并通過螺栓連接，從而模擬節(jié)點與主體結構的連接。

建立的上、下節(jié)點ABAQUS有限元模型示意如圖1所示。

圖1 節(jié)點模型示意圖

2 有限元模擬

2.1 材料本構模型

圖2 鋼材的應力(σ)-應變(ε)關系曲線

本文建立的節(jié)點模型中只包含了鋼材一種材料，鋼材本構模型采用二次塑流模型，它的應力(σ)-應變(ε)關系曲線一般可以分為5個階段，即彈性階段(oa)、彈塑性階段(ab)、塑性階段(bc)、強化階段(cd)和二次塑流階段(de)，如圖2所示。

2.2 相互作用與邊界條件

節(jié)點模型各部分均采用C3D8R單元進行計算。節(jié)點與墊板、節(jié)點螺栓孔與螺栓、螺栓與節(jié)點和螺栓與墊板之間面與面之間的作用利用ABAQUS接觸功能進行模擬。通過面與面接觸模擬各部件之間的相互作用，面與面接觸定義切向與法向作用，切向作用用罰摩擦公式模擬，法向行為則定義為“硬”接觸。

通過建立參考點與構件表面進行耦合，對參考點施加位移荷載進而模擬節(jié)點實際受力形式。

通過約束墊板底部的U1、U2、U3自由度模擬現(xiàn)實邊界條件。

2.3 有限元計算結果

模型計算結束后，提取各個模型變形與應力圖，分別如圖3至圖7所示。

圖3 上節(jié)點水平受拉模擬應力云圖

由圖3可知，JD1模型受力方向為沿上節(jié)點托板水平方向，模擬出現(xiàn)節(jié)點原有彎折被拉變平、托板上螺栓孔變形嚴重，從模擬結果應力來看，應力較大區(qū)域呈U型分布，并且數(shù)值超過屈服應力很多，表明此區(qū)域已有相當程度的塑性變形。

圖4 上節(jié)點水平受壓模擬應力云圖

由圖4可知，JD2模擬結果表明變形主要體現(xiàn)在節(jié)點彎折處，節(jié)點與底座的脫離、節(jié)點托板的彎曲及其螺栓孔的變形。從模擬結果應力來看，應力較大區(qū)域呈U型分布，并且數(shù)值超過屈服應力很多，表明此區(qū)域已有相當程度的塑性變形。

圖5 下節(jié)點豎向受壓模擬應力云圖

由圖5可知，JD3在豎向荷載作用下，變形主要為下節(jié)點外挑板的受壓彎曲，應力最大處為外挑板根部區(qū)域，此外加勁肋局部區(qū)域應力也較大但范圍較小。此外，模型計算發(fā)現(xiàn)連接下節(jié)點與加載底座的螺栓應力很大，遠超節(jié)點本身應力，故實際工程應用中應選用強度很高的高強螺栓進行安裝。

圖6 下節(jié)點水平受壓模擬應力云圖

由圖6可知，JD4在水平受壓情況下主要變形為下節(jié)點板在螺栓連接處發(fā)生的彎曲。模型應力較大區(qū)域處于節(jié)點與支座連接根部，且進入塑性階段。此外，模型計算表明螺栓墊片和螺栓本身應力遠大于下節(jié)點本身，因此工程應用時應保證墊片與螺栓的強度。

圖7 下節(jié)點水平受拉模擬應力云圖

由圖7模擬結果可知，JD5在水平受拉情況下，節(jié)點豎板及加勁肋底部部分區(qū)域為應力較大區(qū)域，并且此部分鋼材已進入塑性階段。此外，模擬結果還表明螺栓及螺栓墊片受力很大，因此工程應用應確保其強度以保證結構安全。

整理計算得到的荷載-位移曲線如圖8所示。

圖8 荷載-位移曲線

從上述節(jié)點荷載-位移曲線可見，5條曲線趨勢一致，加載前期較為平緩，表明節(jié)點處于彈性階段。荷載達到一定數(shù)值后位移進入快速增長期，表明節(jié)點進入屈服階段。

從荷載-位移曲線中可以看出各節(jié)點屈服荷載如表2所列。

表2 各試件屈服荷載

3 節(jié)點受力計算

預制外掛墻板受到的自重荷載、風荷載以及地震荷載，均通過下節(jié)點傳遞給主體結構，故下節(jié)點需具有足夠的承載力來承受墻板所傳遞的荷載。依托某裝配式住宅工程：墻板尺寸為2880mm×4385mm×200mm，建筑高度為80m，B類場地，抗震設防烈度為7度，基本風壓=0.35kN/m2，設計基本地震加速度值為0.10g。根據文[6]、[7]和文[8]計算結果如下：

墻板自重為：G=35.83kN；

風荷載標準值：wk=βgzμslμzω0；

地震荷載標準值：PEhk=βEαmaxGk；

外掛墻板的豎向地震作用標準值取水平地震作用標準值的0.65倍，得：PEvk=0.65PEhk；

計算可得：PEhk=14.33kN，PEvk=9.31kN。

考慮持久設計狀況和考慮地震設計狀況，對荷載進行組合，結果如下：

下節(jié)點受豎向壓力計算值為27.55kN、水平壓力計算值為5.88kN、水平拉力計算值為6.37kN；上節(jié)點受水平壓力計算值為5.88kN、水平拉力計算值為6.37kN。

將荷載組合的結果和有限元計算結果進行比較，可以看出節(jié)點的承載性能滿足設計計算要求。

4 結 論

本文利用ABAQUS有限元軟件，對點式連接節(jié)點模擬分析得到的主要結論如下：

(1)上節(jié)點變形能力強，可以充分協(xié)調外掛墻板與主體結構之間的變形。

(2)經模擬計算，下節(jié)點承載性能滿足外掛墻板傳來的受荷要求。

(3)在墻板自重作用下，下節(jié)點外挑板豎向撓度滿足施工精度控制要求。

(4)在某實際工程背景下該節(jié)點的承載性能滿足設計計算要求。