装配式轻钢轻混结构体系连接节点数值模拟.pdf

-10-www.ivypub.org/ae Architectural Engineering Volume 6,2022,PP.10-19 Numerical Simulation of Connection Joints of Fabricated Light Steel Light Concrete Structure System Yan Wu,Yaguang Yan#School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan,Hebei,056107,China Email: Abstract In this paper,the static behavior of the connection joints of the fabricated light steel light concrete structure system is mainly studied by the finite element software ABAQUS.The simulation results show that the L-shaped joint,the L-shaped joint and the T-shaped joint can maintain a good connection state under the limited interlayer displacement angle.Keywords:Light Steel Keel;Lightweight Concrete;Finite Element Simulation;Connector 装配式轻钢轻混结构体系连接节点数值模拟 吴雁，闫亚光 河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056107 摘 要：本文主要通过有限元软件 Abaqus 模拟研究了装配式轻钢轻混结构体系连接节点的静力性能。模拟分析发现一字型连接节点、L 形连接节点、T 形连接节点在限定的层间位移角下均能保持良好的连接状态。关键词：轻钢龙骨；轻质混凝土；有限元模拟；连接片 引言 预制装配式建筑是近年来我国倡导的新概念下的新建筑模式。随着建筑业的巨大进步和国家政策的持续推出，工业标准和地方标准和标准地图集的制定，劳动力短缺和钢材产量的大量增长，预制建筑作为建筑工业化的主要发展方向，尤其是轻钢结构，已成为国内研发装配式建筑的热点。轻钢轻混结构体系主要组成构件是基础，墙板，楼板、屋盖系统和连接件等。墙板，楼板、屋盖系统等构件都可在工厂预加工，在项目属地现场按不同设计要求灵活组合，可做到相对标准化的构件与节点组装工艺。如图 1 所示。图 1 装配式轻钢轻混组成构件 -11-www.ivypub.org/ae 墙体连接形式主要有一字型、L型连接和 T字型连接连接三种方式。使用螺钉和 L型连接片或者一字型连接片将两个墙板的两侧的外露龙骨连接起来成为一字型连接节点及 L 型连接节点，而 T 字型节点则由一字型节点通过 L型连接片连接第三片墙体得到。如图 2 所示。（a）T 字形连接节点 （b）一字型连接节点 （c）L 型连接节点 图 2 墙与墙的连接构造 国内学者以及高校在装配式低多层建筑连接方式方面同样做了许多研究1-4，本文将对三种连接节点进行静力模拟分析，观察其在限定的层间位移角下是否能够保持良好的连接能力。1 连接节点有限元模型建立 1.1 单元类型选取 本文使用 Abaqus 进行模拟，轻钢轻混组合墙体轻钢骨架及连接片采用 S4R 壳单元。轻质混凝土采用C3D8R 实体单元进行模拟。抗裂钢筋网片选用的是 T3D2 桁架单元，即只考虑轴向力的作用。-12-www.ivypub.org/ae 1.2 材料类型选取 轻钢龙骨选型为 C89 41 11.5mm 壁厚选为 1.15mm，本文模拟钢材均均使用理想弹塑性模型，弹性模量 E 定为 2 l05N/mm2，泊松比取为 0.3。根据文献资料，取屈服强度为 303.7MPa。轻质混凝土对其抗压强度暂定为 2MPa，受拉应力近似取受压应力的 1/10，泊松比取为 0.3。混凝土材料性质模型一般有弥散模型和混凝土塑性损伤模型，在这里选取混凝土的 CDP 即塑性损伤模型进行模拟，损伤模型根据混凝土结构设计规范（GB50010-2010）5规范的塑性损伤模型参数及本构关系研究6计算得出。轻钢龙骨两侧抗裂钢筋网片为圆 3 间距 50 排布的电焊镀锌钢筋，根据资料取弹性模量 E 为 1.9 l05N/mm2，泊松比取值为 0.3。屈服强度取值为 210MPa，此时的塑性应变为 0。1.3 有限元模型 装配式轻钢轻混结构节点构件较多，组成结构复杂。钢筋网和小板结构墙体龙骨之间采用焊接连接，墙体龙骨和轻钢缀板之间采用高强螺栓连接。因为本次建模的重点在于模拟墙体连接的可靠性问题，故墙体只采用单块小板结构方便模型的建立。在 Abaqus 中对轻钢龙骨，连接缀板，连接件龙骨等结构采用壳体模型进行模拟，而钢筋网采用线单元模型。墙体轻钢龙骨之间的连接采用高强螺栓连接，故在模型中使用 merge 命令将各个墙体轻钢龙骨梁柱合并成一个 part 实现刚结。轻质混凝土采用三维实体单元进行建模。由于墙墙连接节点的强度是本次模拟的重点，所以轻钢龙骨和缀板之间的螺栓连接采用点点耦合的方式来模拟，使得结构更加精细。1.4 接触及边界条件的设置 由于轻钢灌浆墙体的钢框架组成构件繁多，组成结构复杂，本文将钢框架连接方式简化，用 merge 命令合并成一个 part，钢筋网直接焊在墙体轻钢龙骨表面，将钢筋网片绑定在轻钢龙骨骨架上，墙体轻钢龙骨和缀板，缀板和连接件龙骨之间采用精细化模拟，采用点点耦合的方式模拟每个点所在位置处的螺栓，从而可以精细模拟墙墙连接破坏的情况。为了使模拟更加准确，在施加荷载墙体上方绑定一个钢片，通过对钢片施加轴向力和位移，使得力的施加更加均匀。关于荷载的施加，此模型中对将墙体上钢片与墙体上面采用绑定（Tie）约束，对该钢片设置一个参考点，认为竖向荷载和水平位移均作用于墙体顶部的钢片的参考点上，对参考点竖直方向施加集中力，对水平方向施加位移。图 3 L 型连接轻钢轻混结构位移边界条件及加载方式 由于材料性质、约束处理、边界条件的影响，使模型在荷载作用下不能收敛，故采用依次施加荷载的方式。竖向荷载的取值参考下表 1：-13-www.ivypub.org/ae 表 1 建筑结构的作用分项系数 作用分项系数 当作用效应对承载力不利时 当作用效应对承载力有利时 1.3 1.0 1.3 1.0 1.5 0 根据公式（1），取G=1.3，Q=1.5,SG=2，SQ=0.5，(1)式中：SGik第 i个永久作用标准值的效应；Sp预应力作用有关代表值的效应；SQ1k第 1 个可变作用标准值的效应；SQjk第 j个可变作用标准值的效应；可计算求得 Sd=3.35KN/m2。单片墙体上方房间约为 4 3.5，共计 2 层，根据公式（2）(2)式中：u轴压比，对于非抗震区域 u=0.9；N轴力设计值；fy钢材的屈服强度；A截面面积；根据计算求得轴压比约为 0.2。取单块小板结构截面面积求得轴向压力为 42KN。根据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）75.5.1 和 5.5.5 条文规定，根据层高确定横向位移限值为12mm 时墙体连接的受损情况为一重要观察节点。此外为了观察连接节点的后续状态，将加载位移增大到70mm。2 数值模拟 通过有限元软件对墙体及墙体连接进行模拟得出破坏特征来分析验证轻钢轻混结构连接节点强度是否符合实际工程需求。2.1 一字型连接节点 墙体一字型连接节点模拟情况如图 4 所示。在横向位移达到 8.5mm 时，墙体龙骨框架中心区域混凝土出现开裂现象。在横向位移达到 12mm，即层间位移角为 1/250 之前，轻钢龙骨呈弹性状态，此时，虽然轻质混凝土有轻微破坏，一字型连接整体的刚度没有太大的改变，整体呈弹性状态。随着位移的继续增加，墙体龙骨框架中部的混凝土逐步退出工作，当横向位移推至 27mm 时边柱龙骨下部腹板开始出现局部屈曲。直到位移加至 70mm 时，轻钢龙骨立柱上下端腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个过程中，墙墙之间的连接件均处于弹性状态，满足“强节点，弱构件”的要求，一字型连接节点的强度较为可靠。轻钢骨架和填充材料的应力云图如图 4 所示。-14-www.ivypub.org/ae （a）12mm轻钢骨架 Mises应力云图 （b）12mm轻质混凝土 Mises应力云图 （c）70mm轻钢骨架 Mises应力云图 图 4 一字型连接轻钢轻混结构 Mises 应力云图（单位 Pa）2.2 型连接节点 因为 L 型节点沿 1 方向与沿 2 方向的构造不同，为了分析的严谨性，这里从两个方向进行位移加载模拟。墙体 L 型连接节点沿 1 方向模拟情况如图 5 所示。在横向位移达到 6mm 时，连接立柱螺栓附近的混凝土出现开裂。在横向位移达到 12mm，即层间位移角为 1/250 之前，由于轻钢龙骨呈弹性状态，此时，整体仍然呈弹性状态。随着位移的继续增加，墙龙骨框架中部的混凝土逐步退出工作，当横向位移推至 15.5mm时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢发生局部屈服，连接区域开始出现破坏。直到位移加至 70mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢均屈服，轻钢龙骨边柱上下端腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个过程中，墙墙之间的缀板仍处于弹性状态，满足“强节点，弱构件”的要求。-15-www.ivypub.org/ae （a）12mm 轻钢骨架 Mises 应力云图 （b）12mm轻质混凝土 Mises应力云图 （c）70mm轻钢骨架 Mises应力云图 图 5 L 型连接轻钢轻混结构 1方向 Mises 应力云图（单位 Pa）墙体 L 型连接节点沿 2 方向模拟情况如图 6 所示。在横向位移达到 8mm 时，连接立柱螺栓附近的混凝土出现开裂。在横向位移达到 12mm，即层间位移角为 1/250 之前，由于轻钢龙骨呈弹性状态，此时，整体仍然呈弹性状态。随着位移的继续增加，墙龙骨框架中部的混凝土逐步退出工作，当横向位移推至 20mm时，连接龙骨立柱底部翼缘发生局部屈服，随后墙体框架腹板和连接立柱连接的螺栓区域慢慢逐步出现屈服现象。直到位移加至 70mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢均屈服，轻钢龙骨边柱上下端翼缘连同部分腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个过程中，墙墙之间的缀板处于弹性状态。L 型连接节点具有较好的抗震性能。轻钢骨架和填充材料的应力云图如图 6 所示。-16-www.ivypub.org/ae （a）12mm轻钢骨架 Mises应力云图 （b）12mm轻质混凝土 Mises应力云图 （c）70mm轻钢骨架 Mises应力云图 图 6 L 型连接轻钢轻混结构 2方向 Mises 应力云图（单位 Pa）2.3 T 型连接节点 同上一节 L 型连接节点一致，由于沿着 12 两轴方向的连接构造形式不同，所以建模时需要从两个方向施加位移荷载，以观察 T型连接节点在位移荷载作用下的变形情况。墙体 T 型连接节点沿 1 方向模拟情况如图 7 所示。在横向位移达到 5mm 时，顶部连接立柱螺栓附近的混凝土出现开裂趋势。随着位移的增加，横向位移达到 12mm，即层间位移角为 1/250 之前，由于轻钢龙骨呈弹性状态，此时，整体仍然呈弹性状态。随着位移的继续增加，墙龙骨框架中部靠近墙体轻钢立柱的混凝土逐步退出工作，当横向位移推至 12mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢发生局部屈服，破坏首先出现在连接区域的螺栓附近。直到位移加至 70mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢均屈服，轻钢龙骨边柱上下端腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个过程中，连接缀板未屈服，节点强度满足要求。-17-www.ivypub.org/ae （a）12mm轻钢骨架 Mises应力云图 （b）12mm轻质混凝土 Mises应力云图 （c）70mm轻钢骨架 Mises应力云图 图 7 T 型连接轻钢轻混结构 1方向 Mises 应力云图（单位 Pa）（a）12mm轻钢骨架 Mises应力云图 -18-www.ivypub.org/ae （b）12mm轻质混凝土 Mises应力云图 （c）70mm轻钢骨架 Mises应力云图 图 8 T 型连接轻钢轻混结构 2方向 Mises 应力云图（单位 Pa）如图 8 所示为墙体 T 型连接节点沿 2 方向模拟情况。在横向位移由 0 逐步增加至 8.5mm 时，墙龙骨框架中部靠近墙体轻钢立柱的混凝土出现开裂趋势。随着位移的增加，施加位移达到 12mm，即层间位移角为1/250 之前，整体呈弹性状态。随着位移的继续增加，墙龙骨框架中部混凝土开裂加剧，当横向位移推至12mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢发生局部屈服，连接区域有出现破坏的趋势。直到位移加至 70mm 时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域附近轻钢屈服，轻钢龙骨边柱上下端腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个过程中，连接缀板未屈服，节点强度满足要求。3 结论 本文介绍了针对轻钢轻混结构连接节点的有限元模型建模过程，对一字型、L 型、T 字型墙体连接进行有限元计算分析，得出一系列相关结果，对连接的可靠性进行预测，证明了该墙体连接可靠性满足需求。得出的结论具体如下：（1）轻质混凝土均在加载早期就开始出现开裂，说明轻质混凝土不能承担主要的荷载，而主要由轻钢龙骨骨架承担外力。（2）装配式轻钢轻混所使用的三种形式的连接方式均可在建筑抗震设计规范7（GB50011-2010）中限定的层间位移角下保持足够的节点强度，即便是出现了屈服也仅仅是局部屈服，不会对连接节点产生较大影响。（3）在有限元模拟的整个加载过程中，三种连接节点的连接缀板均能保持弹性状态，说明了该形式连接缀板在强度上极为可靠，可以在实际工程中大规模使用。参考文献 1 高晗.装配式冷成型钢框架梁柱节点力学性能及试验研究D.东南大学,2020.-19-www.ivypub.org/ae 2 韩弘烨.低多层模块化钢结构全螺栓连接节点力学性能研究D.天津大学,2020.3 李荣.装配式混凝土梁柱半刚性节点抗震性能研究D.重庆大学,2020.4 刘朋.干法连接多层墙板结构性能有限元分析D.中南林业科技大学,2020.5 中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范 Code for design of concrete structures GB 50010-2010（2015年版）6 孙兴鹤,谢伟.混凝土本构关系研究与发展趋势J.江西建材,2022(07):11-12+10.7 中华人民共和国国家标准建筑抗震设计规范Code for seismic design of buildings GB 50011-2010（2016 年版）【作者简介】【作者简介】1吴雁（1994-12）男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生。研究方向：装配式结构。Email:。2闫亚光（1978-5）男，汉族，河北永年人，副教授。研究方向：隧道空气动力学。Email:。