吊顶龙骨节点和拼接点轴向受力性能试验研究

蒋欢军，王 勇，吴 宸

(1. 同济大学土木工程防灾国家重点试验室，上海 200092；2. 同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系，上海 200092)

随着社会的不断进步和技术的日益成熟，结构的抗震性能研究越来越深入，相应的规范标准也不断完善。与结构构件相比，非结构构件的抗震研究相对比较滞后[1−2]。随着人们对美好生活的不断追求和建筑投资的日趋上涨，非结构构件的投资占比越来越高。根据美国联邦应急管理署出版的FEMA E-74的统计结果[3]，商业建筑中非结构构件的投资占比为75%～85%。Taghavi等的统计[4]表明，办公楼、宾馆和医院中的非结构构件的投资占比分别高达82%、87%和92%。地震发生时建筑中非结构构件的破坏会显著影响建筑的使用功能，其破坏造成的经济损失往往会超过结构构件，这与非结构构件巨大的投资和其抗震能力严重不足有关。

吊顶是一类关键的非结构构件，对维持建筑使用功能起到十分重要的作用。吊顶在近年发生的地震中震害突出。2010年智利地震[5]、2011年基督城地震[6]和2013年芦山地震[7]的震后调研发现，建筑中的吊顶破坏非常严重，典型的震害表现为：面板的错位和坠落，吊顶龙骨节点及拼接点的破坏，龙骨构件的屈曲和掉落，以及吊顶的大面积坍塌。其中，吊顶龙骨节点或拼接点失效是引起吊顶破坏的主要原因之一。

鉴于吊顶系统抗震能力较弱，国内外学者主要采用振动台试验手段对吊顶的抗震性能进行了研究[8−16]。研究发现，吊顶龙骨节点和拼接点是吊顶系统中的抗震薄弱部位，其抗震性能的好坏直接影响了吊顶整体的抗震能力。相较于振动台试验研究，国内外对吊顶节点层次的研究相对欠缺。Paganotti及其研究团队[17−18]对吊顶主龙骨拼接点、主次龙骨节点和带铆钉的边节点进行了静力试验，获得了各类节点的破坏模式，并以节点的极限承载力为需求参数建立了节点的易损性曲线，结果表明，主次龙骨节点比主龙骨拼接点的易损性更高，两个铆钉比单个铆钉构造提高了边节点的承载能力。Takhirov等[19]对不同类型的边节点进行了静力试验，结果表明，该研究建议的带2个螺钉的抗震夹的边节点较规范推荐的边节点有更大的承载力和更好的耗能性能。Soroushian等[20−23]对吊顶龙骨节点进行了一系列单调加载试验和低周往复加载试验，考察了节点的破坏形式和承载能力，建立了节点易损性曲线和非线性滞回模型。宋喜庆[24]进行了主次龙骨节点和主龙骨-吊件节点的静力试验，研究了节点的承载力，并分析其失效原因。

综上分析，各国学者对吊顶节点和拼接点的抗震研究仍十分有限，无法为吊顶的易损性研究和计算模型提供足够的试验支撑。另外，各国学者采用的试件产自不同的公司，其类型和细部构造千差万别，因此研究结果的适用性较差。吊顶龙骨节点和拼接点在地震作用下承受弯矩、剪力和轴力的共同作用，但轴向受力是其主要的受力状态[16,25]。另外，龙骨节点和拼接点在多种载荷条件下抗震性能试验的难度较大。Armstrong是吊顶系统设计和制造的世界知名公司，其产品在世界范围内应用较广。针对该公司产品开展相关试验研究获取的研究成果具有较好的代表性和工程应用价值。基于以上原因，本文的试件采用Armstrong吊顶公司中应用较为普遍的尖峰2000型龙骨产品，通过单调加载和低周往复加载试验研究了吊顶主龙骨拼接点、主次龙骨节点和边节点的轴向受力性能，考察了其破坏模式、承载力和变形等性能，建立了节点和拼接点的易损性曲线。本文获得的研究结果是对既有研究成果的进一步补充，以期为同类型吊顶系统的振动台试验分析和数值分析提供依据。

1 吊顶龙骨节点和拼接点构造

在一般公共建筑中，矿棉板吊顶应用十分广泛，其由承力构件、龙骨体系、矿棉板和配件等组成。其中，龙骨体系由主龙骨、次龙骨和横撑龙骨组成，各类龙骨通过其端部的机械卡扣连接而成。试验中的主龙骨拼接点、主次龙骨节点和边节点的组成见图1～图3。主龙骨拼接点通过其端部的插片与插口形成。主次龙骨节点通过次龙骨端部与主龙骨插孔的机械卡扣形成(见图2)。主龙骨拼接点与主次龙骨节点构造类似，但两者的机械连接机制不同。主龙骨拼接点强度主要由锁扣与插口咬合程度决定，主次龙骨节点强度主要由2个锁扣咬合程度决定。边节点是端部龙骨(其类型可为主龙骨或次龙骨或横撑龙骨)与边龙骨的连接节点。根据国内调研，大多数吊顶的端部龙骨一般自由搁置在边龙骨上(见图3(a))，未采取任何固定措施，在地震作用下，端部龙骨极其容易从边龙骨上脱落从而加剧吊顶的破坏。为加强该节点的性能，J502-2−2012图集[26]推荐在吊顶边界使用抗震夹以约束端部龙骨的自由边(见图3(b))。然而，目前国内在实际工程中很少采用抗震夹，因此有必要对其受力性能进行评估(下文中边节点皆指带抗震夹的边节点)。图4给出了试验中采用的构件的截面尺寸，主龙骨和次龙骨截面形状为倒T形，边龙骨截面形状为L形。

图1 主龙骨拼接点构造Fig. 1 Details of main tee splice

图2 主次龙骨节点的组成Fig. 2 Composition of main-cross tee joint

图3 边节点的组成Fig. 3 Composition of peripheral joint

图4 龙骨截面尺寸 /mmFig. 4 Cross-section dimensions of ceiling grid

2 试验概况

2.1 试件设计

本文选取Armstrong吊顶公司生产的龙骨构件进行试验，在实际的试验过程中，龙骨节点和拼接点的连接严格遵循Armstrong的安装要求，保证了试件的安装精度和制作质量，最大限度减小了制作和安装误差引起的几何初始缺陷对试件受力性能的影响。

本文以矿棉吸声板吊顶中的主龙骨拼接点、主次龙骨节点和边节点为试验对象。试件分为4类，共48个试件，加载方式包括单调加载和低周往复加载，试件信息详见表1。为考虑试验结果的离散性，每组至少包括3个试件。试件编号由3部分组成：试件类型-加载类型-试件号，试件类型中JA和WJ分别代表主龙骨拼接点及主次龙骨节点的轴向加载试验和边节点的轴向加载试验，加载类型中1、 2、3分别表示单拉、单压和低周往复加载，其中边节点试验中根据端部龙骨与抗震夹固定的方式分D(自由型)和E(固定型)，主龙骨拼接点试件和主次龙骨节点试件编号中的M和C分别代表主龙骨拼接点和主次龙骨节点，边节点试件编号中的M和C表示端部龙骨分别为主龙骨和次龙骨，其后的数字表示试件序号。主龙骨拼接点试件由2个长度为300 mm的主龙骨段构成，主次龙骨节点试件由1个长度为430 mm的主龙骨段和2个长度为300 mm的次龙骨段构成，边节点试件由1个长度为300 mm的端部龙骨段、1个长度为300 mm的边龙骨段和1个抗震夹构成。图5给出了试件和受力图。需要注意，固定型边节点通过2个螺钉固定，1个螺钉置于抗震夹滑槽端部，1个螺钉置于连接端部龙骨的螺丝孔中，端部龙骨与边龙骨间无间隙。自由型边节点通过1个置于滑槽中间的螺钉实现了端部龙骨可沿轴向滑动，端部龙骨的端部与边龙骨之间留出19 mm的间隙。参照美国吊顶对抗震夹的安装要求，抗震夹未采用螺钉与边界木板连接，而是通过卡舌伸进边龙骨与木板间隙中施加约束。

图5 试件和受力图Fig. 5 Specimens and mechanical diagrams

表1 试件的综合信息Table 1 General information of test specimens

2.2 加载装置

以主次龙骨节点轴向受力性能试验为例说明加载装置。如图6所示，采用电子万能试验机对试件加载。设计钢框架用以安装试件，试验过程中钢框架保持弹性。加载端的力传感器和外置位移计用于测量试件节点的轴力和轴向位移。上下两个次龙骨穿过水平放置的主龙骨插孔机械连接形成十字型主次龙骨节点，主龙骨两端通过预紧螺栓固定，次龙骨端部与加载板用螺栓固定。加载时，固定端保持不动，仅加载端上下移动施加竖向荷载。

图6 加载装置示意图Fig. 6 Schematic of test setup

2.3 加载制度

参照Retamales等[27]提出的加载方案，采用位移控制对试件进行加载，加载速率为1 mm/s，低周往复加载采用的加载制度如图7所示。

图7 低周往复加载试验的加载制度Fig. 7 Loading protocol of cyclic test

3 试验结果分析

3.1 破坏现象

3.1.1 主龙骨拼接点的破坏现象

不同单调加载模式下，主龙骨拼接点表现出不同的破坏模式，如图8所示。在单拉试验中，主龙骨拼接点破坏形式表现为拼接点锁扣部分撕裂，插口轻微张开，最终的破坏形态为拼接点拉出破坏。在单压试验中，破坏形式表现为拼接点插片严重面外弯曲，插口轻微张开，最终的破坏形态为拼接点压屈。低周往复加载试验中，拼接点的破坏形式包括了单拉和单压的破坏现象，最终的破坏形态表现为拼接点拉出破坏，并伴有压屈现象。

图8 主龙骨拼接点的破坏现象Fig. 8 Damage to main tee splices

3.1.2 主次龙骨节点的破坏现象

与主龙骨拼接点的破坏现象类似，不同单调加载模式下主次龙骨节点的破坏模式存在一定差异，如图9所示。在单拉试验中，主次龙骨节点破坏形式表现为节点锁扣弯曲，双锁槽板撕裂，主龙骨腹板插孔处扩大鼓起，插孔边缘撕裂，最终的破坏形态为节点拉出破坏。在单压试验中，破坏形式表现为节点插片严重面外屈曲，部分试件铆接孔撕裂，主龙骨腹板插孔处轻微鼓起，受压翼缘轻微压弯，最终的破坏形态为节点受压屈曲。低周往复加载试验中，节点的破坏形式与单压试验类似，最终的破坏形态表现为节点压屈，表明主次龙骨节点容易受压屈曲。

图9 主次龙骨节点的破坏现象Fig. 9 Damage to main-cross tee joints

3.1.3 边节点的破坏现象

固定型边节点在单调拉伸加载下，边节点破坏形式表现为抗震夹先发生旋转，抗震夹卡舌随后拉出(图10(a))，其余部分完好，最终的破坏形态为边节点拉出破坏，表明未采用螺钉与边界固定的抗震夹容易发生拉出破坏，应避免固定型边节点过早地发生拉出破坏。在单调压缩加载下，边节点破坏形式表现为端部龙骨截面薄弱处压屈(图10(b))，边龙骨与抗震夹连接处的翼缘轻微压屈(图10(c))，最终的破坏形态为端部龙骨受压屈曲。在低周往复加载试验中，边节点的破坏形式综合了单压和单拉下的破坏，最终破坏形态表现为节点拉出。自由型边节点破坏模式与固定型边节点破坏模式一致，端部龙骨类型(主龙骨和次龙骨)对破坏形式基本无影响。

图10 边节点的破坏现象Fig. 10 Damage to peripheral joints

3.2 荷载-位移响应

3.2.1 承载力与变形性能

各试件的承载力与变形性能试验结果见表2，表中数据取每组试件结果的平均值，受拉时数值为正，受压时数值为负。由表可知：① 主龙骨拼接点在单调加载和低周往复加载下承载力和变形能力比较一致；② 主次龙骨节点的受拉强度是受压强度的2倍左右，这是由于在轴向压力作用下节点极其容易压屈，说明主次龙骨节点受压时的易损性更高；③ 固定型边节点受拉强度远小于受压强度，这是由于抗震夹未用螺钉与边界木板固定容易发生拉出破坏导致受拉强度极低；④自由型边节点由于存在19 mm的滑移间隙，导致峰值荷载对应的位移和极限位移均比固定型节点大19 mm左右，其余性能两者基本一致。

表2 吊顶试件的试验结果Table 2 Test results of ceiling specimens

3.2.2 滞回性能

试件的荷载-位移关系曲线如图11所示，其中图11(a)、图11(c)、图11(e)和图11(g)分别为主龙骨拼接点、主次龙骨节点、固定型边节点和自由型边节点的典型滞回曲线。由图可知：① 主龙骨拼接点滞回曲线有捏拢现象，表现出明显的滑移行为，拉压承载力比较一致，节点最大承载力在1.2 kN左右(图11(a))，滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线比较一致；② 对比Soroushian等[23]的结果，本文中的主次龙骨节点滞回曲线形状与其一致，滞回曲线的捏拢效应显著，受拉方向卸载时受滑移影响大，受压方向刚度退化明显，节点屈曲导致拉压向曲线不对称(图11(c))，但两者的承载力和变形能力由于使用不同的试件有一定差异；③ 固定型边节点的滞回曲线形状与Soroushian等[20]的结果一致，表现出很少的刚度退化和耗能能力，由于抗震夹未用螺钉与边界固定，节点的受拉承载力远小于受压承载力，在轴向拉力为0.1 kN左右时节点即发生拉出破坏(图11(f))；④ 自由型边节点除有滑移段外，其余性能与固定型边节点基本一致(图11(g)和图11(h))。

图11 试件的荷载-位移关系曲线Fig. 11 Force-displacement relationship curves of specimens

4 易损性分析

地震易损性分析是指系统或构件遭遇不同强度地震作用时超越某一损伤极限状态的失效概率，假定失效概率服从对数正态分布[28]。地震易损性从概率的层面上描述了系统或构件达到或超过某种极限状态的能力[29]。设易损性函数为Fdm(edp)，其中，dm为损伤极限状态，edp为工程需求参数，则易损性函数可表示为：

式中：Φ为标准正态分布累积分布函数；xm和β分别为试件达到某一损伤状态时工程需求参数的中位值和对数标准差；M 为试件数；i为试件序号；ri为第i个试件损伤时对应的工程需求参数；βu是β的修正系数，取βu=0.25[30]。

所有数据均通过显著性水平α=0.05的Lilliefors检验[31]。对于主龙骨拼接点和主次龙骨节点，其损伤状态主要由试件承载力控制，因此取试件的轴力为EDP；对于边节点，其损伤状态主要与试件的位移有关[11,16,32]，因此取试件的轴向位移为EDP。本文研究的龙骨节点和拼接点在轴向力作用下表现为脆性破坏特征，破坏前无其他明显的损伤状态。基于以上原因，本文对龙骨节点和拼接点进行地震易损性分析时，只定义了其对应于破坏时(达到极限承载力)的一种损伤极限状态DS1。对于龙骨节点和拼接点的抗震设计，只需满足其承载力大于地震作用效应的要求。表3给出了吊顶龙骨节点和拼接点对应于损伤状态的易损性参数。

表3 吊顶龙骨节点和拼接点的易损性参数Table 3 Fragility parameters of ceiling grid joints and splices

吊顶龙骨节点和拼接点的易损性曲线如图12所示，由图可知：① 主龙骨拼接点在50%超越概率下的轴向承载力为1.22 kN；② 主次龙骨节点在50%超越概率下的轴向承载力仅为0.47 kN，这是由于主次龙骨节点受压时容易屈曲；③ 主次龙骨节点比主龙骨拼接点更容易损伤，因此主次龙骨节点是吊顶中的薄弱部位；④ 固定型和自由型边节点在50%超越概率下的破坏位移分别为11.77 mm和28.05 mm，自由型边节点破坏位移较大，这是由于自由型边节点留有间隙导致。

图12 吊顶龙骨节点和拼接点的易损性曲线Fig. 12 Fragility curves of ceiling grid joints and splices

5 结论

本文对吊顶龙骨节点和拼接点进行了轴向性能试验和易损性分析，得到的主要结论如下：

(1) 主龙骨拼接点的破坏模式为拼接点拉出破坏，主次龙骨节点的破坏模式为节点受压屈曲，边节点的破坏模式为节点拉出破坏，边节点的形式和端部龙骨的类型对边节点的破坏模式影响小。

(2) 主龙骨拼接点拉压向承载力和变形能力基本一致；主次龙骨节点受压承载力是受拉承载力的1/2，受压峰值荷载对应的位移远小于受拉峰值荷载对应的位移；不同形式边节点的承载力基本一致，边节点受拉强度远小于受压强度，宜采用螺钉将抗震夹与边界固定以提高边节点的受拉承载力。

(3) 吊顶龙骨节点和拼接点轴向荷载-位移滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线比较一致；主龙骨拼接点滞回曲线有捏拢现象，表现出明显的滑移行为；主次龙骨节点滞回曲线不饱满，有捏拢现象；边节点滞回曲线刚度退化小，耗能有限；自由型边节点除有明显滑移段，其余滞回行为与固定型边节点基本一致。

(4) 易损性分析表明，主次龙骨节点是吊顶系统中的抗震薄弱部位，宜采取措施加强其抗震能力。