装配式钢结构配套外挂墙板连接节点受力性能分析★

刘 勇，魏珍中，刘佳敏，万 佳，焦晋峰

(1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013; 2.太原理工大学土木工程学院，山西 太原 030024)

1 概述

我国原有的建设模式面临严峻挑战[1],推广装配式建筑已成为建筑行业发展重点。新型外挂墙板因装配率高、免装修等优势被广泛作为外部围护结构，对建筑起着保温、防火等功能，对工程质量具有重要影响，近年来已广泛应用于电力行业。外观墙板通过节点与建筑相连，为保证墙板在地震作用下的正常使用，节点的安全性研究尤为重要。对于带有外挂墙板的结构在地震作用下的安全性能，大量学者运用不同手段，并从不同角度进行了研究。肖成凯[2]认为装配式钢框架与外挂墙板连接节点的设计决定了外挂墙板的抗震性能，且有限元软件分析对节点数值模拟可作为进一步研究的参考。袁维光[3-4]研究装配式钢结构住宅L型节点变形性能和墙板的破坏形态，通过实验表明，连接节点角钢厚度越小，变形能力越大，墙板损伤小，位移角2%之后，节点能够使外围护墙板适应较大的结构变形。隋伟宁[5]通过实验，研究摩擦板开孔形式、螺栓预紧力对摩擦耗能新型连接节点力学性能的影响，验证铝摩擦板采用单圆孔形式连接节点稳定性最好，螺栓预紧力增加使节点的临界摩擦力增加，节点处相对滑移减小。Paolo Negro[6]以三层预制混凝土建筑为研究对象，通过实验研究混凝土框架结构各构件连接节点的抗震性能。侯和涛[7]设计了墙板与钢框架梁连接方式和柱连接方式两榀足尺模型，并对其进行了水平循环加载试验，研究表明，相比梁连接方式，采用柱连接方式可提高结构的极限承载力，且柱连接更利于提高钢框架的抗侧刚度。Matteis G D[8]从抗震设计的角度，对带复合墙板的钢框架进行了研究，实验结果表明，外挂墙板的存在可以增大结构的抗震性。Aref A J[9]通过数值模拟和实验表明，钢框架结构使用复合填充板时，可提高钢框架结构的刚度、强度以及耗能能力。GB 50017—2017钢结构设计规范[10]提到各构件之间的连接应符合以下要求：构件节点的破坏，不应先于其连接的构件；装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性。综上所述，外挂墙板与钢结构连接节点受力性能至关重要，不同的连接节点形式安全性及对结构整体的影响程度不同，但目前研究对象大多为住宅楼，对变电站装置楼的研究较少；在地震作用下外挂墙板节点的力学性能研究不够全面，节点对带有外挂墙板的钢框架结构动力特性的影响研究较少。

本文以设置新型外挂墙板的钢框架变电站装置楼进行分析，利用ABAQUS有限元软件，对现有工程连接节点的结构进行分析，并提出新型连接节点与之进行对比，分析两种节点在地震作用下的应力、应变以及位移，对比两种节点做法对结构动力特性的影响。对设有外挂墙板的钢框架结构的节点安全性，以及类似节点设计提出参考与依据。

2 工程概况及节点做法

2.1 工程概况

本文以山东某110 kV单层钢结构变电站装置楼为工程背景，该装置楼采用模块化外挂墙板作为外部围护结构。外墙板正反两面用高密度水泥纤维板，中间夹层填充防火材料，结成双面一体的模块墙板。方钢管作为骨架，墙板安装在外墙板骨架内，本工程模块化外挂墙板厚度取135 mm，墙板安装示意图见图1。结构尺寸为30 m×10 m，高度5 m，纵向共五跨，每跨6 m，横向长度为10 m并设置抗风柱，屋面排水坡度为5%。

2.2 节点做法

该工程采用节点板作为连接节点，节点板采用Q235钢材，尺寸为50 mm×20 mm×3 mm。每根柱上下各焊接两块连接节点板，方钢管作为墙板的骨架，方钢管与节点板焊接连接，通过连接节点板使墙板骨架挂在建筑物外侧，现有工程节点现场图见图2，节点做法示意图见图3。

对现有节点进行改进，节点在柱上的布置位置不改变，改变节点形式。新型节点由底板与钢板两部分组成，底板与柱翼缘通过螺栓连接，底板焊接两块钢板，钢板间距为方钢管宽度，形成可以夹住方钢管的类U形槽，新型节点做法见图4。节点在工厂焊接组装，现场用螺栓安装在柱翼缘，方钢管卡在两块钢板之间，现场焊接两块钢板与方钢管。与现有工程节点形式相比，节点与方钢管接触面积增大，节点与柱通过螺栓连接，只需焊接节点板与方钢管一侧，提高装配率，加快现场施工速度。

3 有限元模型

新型节点做法的模型为加快计算收敛的速度，忽略螺栓，节点直接与工字型柱连接。本文研究重点为连接节点，墙板不是主要研究对象，故将模块板简化为一整块板。根据是否设置外挂墙板以及墙板是否开洞，每种节点做法各建立四个不同的模型，现有工程节点做法的模型编号为Ⅰ-M1～Ⅰ-M4，新型节点做法的模型编号为Ⅱ-M1～Ⅱ-M4，模型主要信息见表1，模型各构件参数见表2。

表1 模型信息 mm

表2 模型构件截面尺寸

3.1 单元类型及材料属性

用ABAQUS有限元软件进行建模，建立线单元与壳单元结合的多尺度模型。除墙板与屋顶外，其余构件均选用Q235钢材，钢材的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服应力为235 MPa。根据工程信息，屋顶板和外挂墙板密度为6 500 kg/m3，材料本构关系参考文献[11]。

对于多尺度模型，采用网格合并法进行连接，各构件相接触的部分划分为同样大小的网格，形成共用节点，合并后的共用节点在荷载作用下可以共同变形。为观察节点的性能，将节点的网格进行细化，其余构件仅在与节点接触的部分进行网格细化，确保后期网格合并时形成共用节点。

3.2 荷载与约束

仅考虑水平地震作用对结构的影响，沿结构纵向施加地震加速度，对柱脚和方钢管底端约束位移与转角，在施加地震加速度的方向不进行约束。本工程地震参数参考GB 50011—2010建筑抗震设计规范[12]，根据工程信息，抗震设防烈度为8度。

4 有限元分析结果

4.1 节点抗震性能

4.1.1 应力分析

改进节点做法后，分别对比四个模型，相同位置的节点的最大应力均减小。相同位置下，不同节点做法节点最大应力对比见表3。未设置外挂墙板的M1模型，Ⅰ-M1模型的节点板最大应力为245.8 MPa，Ⅱ-M1模型相同位置的节点板最大应力为38.5 MPa，应力减小84.34%；设置外挂墙板的M2模型，Ⅰ-M2模型的节点板最大应力为241.8 MPa，Ⅱ-M1模型相同位置的节点板最大应力为37.4 MPa，应力减小84.52%；墙板开门洞的M3模型，应力减小最为明显，Ⅰ-M3模型的节点板最大应力为242.5 MPa，Ⅱ-M3模型相同位置的节点板最大应力为37.2 MPa，应力减小84.66%；外挂墙板开门洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的节点板最大应力为232.7 MPa，Ⅱ-M4模型相同位置的节点板最大应力为41.8 MPa，应力减小82.06%。分析改进节点做法后的应力云图，整个模型应力最大的节点板，应力分别为38.7 MPa,230.3 MPa,231.6 MPa,229.7 MPa，在地震作用下，四个模型的节点板未失效，最大应力均未超过钢材屈服强度235 MPa。节点做法改进后，节点最大应力、与节点做法改进前节点板最大应力相同位置应力值对比见图5。

表3 节点板做法改进前后应力对比

4.1.2 位移分析

观察新型节点板模型的位移云图，位移最大的位置仍为屋顶处，节点板做法的改进并未改变结构的变形类型。两种节点做法下的节点板最大位移对比见表4，未设置外挂墙板的M1模型，Ⅰ-M1模型的节点板最大位移为19.35 mm，Ⅱ-M1模型相同位置的节点板最大应力为19.04 mm，位移减小1.60%；设置外挂墙板的M2模型，位移减小最为明显，Ⅰ-M2模型的节点板最大位移为12.54 mm，Ⅱ-M2模型相同位置的节点板最大位移为11.96 mm，位移减小4.63%；墙板开门洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的节点板最大位移为12.56 mm，Ⅱ-M3模型相同位置的节点板最大位移为12.01 mm，位移减小4.38%；墙板开门洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的节点板最大位移为12.52 mm，Ⅱ-M4模型相同位置的节点板最大位移为12.25 mm，位移减小2.16%。改进节点做法后，四个模型相同位置处的节点最大位移均减小。

表4 节点板做法改进前后位移对比

4.1.3 应变分析

观察不同墙板形式的模型的应变云图，发现应变最大位置均在节点处，节点做法改进后节点板应变见图6，四个模型的最大应变分别为6.181e-004，1.518e-003，1.149e-003，1.487e-003，设置外挂墙板的三个模型最大应变降低不超过25%，未设置外挂墙板的Ⅰ-M1模型相比其余三个模型，最大应力减小85.89%，表明设置外挂墙板，增大了结构整体重量，在地震作用下节点板有更大的应变。节点做法改进前后相同位置的最大应变对比见表5，未设置外挂墙板的M1模型，Ⅰ-M1模型的节点板最大应变为1.141e-002，Ⅱ-M1模型相同位置的节点板最大应变为1.697e-004；设置外挂墙板的M2模型，Ⅰ-M2模型的节点板最大应变为1.947e-002，Ⅱ-M2模型相同位置的节点板最大应变为1.381e-004；墙板开门洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的节点板最大应变为2.068e-002，Ⅱ-M3模型相同位置的节点板最大应变为1.388e-004；墙板开门洞窗洞的M4模型，Ⅰ-M4模型的节点板最大应变为2.038e-002，Ⅱ-M4模型相同位置的节点板最大应变为1.343e-004。最大应变减小最大为99.34%。

表5 节点板做法改进前后应变对比

表明新型节点做法可以有效减小节点板应变。改进节点做法以后，由原来的单钢板与方钢管连接改为双钢板与方钢管连接，连接节点与方钢管的接触面积增大。新型节点做法，有效减小了节点板的应力、位移以及应变，提高了节点安全性，保证了在地震作用下，节点使用的有效性。

4.2 结构整体分析

4.2.1 模态分析

利用ABAQUS对结构进行模态分析，得到模型的自振周期，两种节点做法下的自振周期进行对比。未设置外挂墙板的M1模型，Ⅰ-M1模型的自振周期为0.130 s，Ⅱ-M1模型自振周期为0.089 s；设置外挂墙板的M2模型，Ⅰ-M2模型的自振周期为0.207 s，Ⅱ-M2自振周期为0.179 s；墙板开门洞的M3模型，Ⅰ-M3模型的自振周期为0.208 s，Ⅱ-M3自振周期为0.177 s；墙板开门洞窗洞的M4模型，节点做法改进前自振周期为0.208 s，节点做法改进后自振周期为0.174 s。每种节点做法下不同模型自振周期进行对比，Ⅰ-M2～Ⅰ-M4模型的自振周期分别为0.207 s,0.208 s,0.208 s，Ⅱ-M2～Ⅱ-M4模型的自振周期为0.179 s,0.177 s,0.174 s，表明墙板是否开洞以及开洞形式对结构自振周期影响较小。与现有工程节点的模型相比，新型节点的模型方钢管的变形幅度明显减小。通过自振周期的变化，可对比出节点做法对结构刚度的影响，计算公式为：

K=mω2

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，K1，T1分别为现有工程节点做法模型的刚度与自振周期；K2,T2分别为新型节点做法模型的刚度与自振周期。节点做法的改进，有效减小了模型自振周期，经过式(4)计算，Ⅱ-M1模型比Ⅰ-M1模型刚度提高53.13%；Ⅱ-M2模型比Ⅰ-M2模型刚度提高25.22%；Ⅱ-M3模型比Ⅰ-M3模型刚度提高27.59%；Ⅱ-M4模型比Ⅰ-M4模型刚度提高30.02%。表明新型节点做法，有效提高结构整体的刚度。节点板做法改进前后自振周期与刚度对比见表6。

表6 节点板做法改进前后自振周期与刚度对比

4.2.2 位移分析

在x方向的地震作用下，结构在纵向位移较为明显，对新型节点做法的4个模型分别提取A点位移，参考GB 50011—2010建筑抗震设计规范，Ⅱ-M1模型的A点最大位移为6.03 mm，结构层间位移角为1/830，满足规范要求的不带墙板时小于1/800的要求；Ⅱ-M2模型的A点最大位移为0.431 mm，结构层间位移角为1/11 598，满足规范要求的墙板不开洞时小于1/2 000的要求；Ⅱ-M3模型的A点最大位移为0.344 mm，结构层间位移角1/14 526，Ⅱ-M4模型的A点最大位移0.35 mm，结构层间位移角为1/14 410，满足规范要求的墙板开洞时小于1/926的要求。对比节点板做法改进前后模型的结构整体位移，改进节点做法后，结构顶点A的纵向位移减小。以M3模型的位移对比曲线为例，节点做法改进前后，结构在地震作用下位移形式类似，模型整体位移大小和振动幅度明显减小，结构位移对比曲线见图7。

通过分析结构整体，表明在新型节点做法下，结构的侧向位移与自振周期均减小，且在地震作用下方钢管的变形幅度减小。新型的节点板增加了结构的刚度，提高结构整体在地震作用下的稳定性，方钢管与柱的连接更加牢固，在地震作用下变形更加协调，有利于提高外挂墙板的稳定性。

5 结论

本文以设置外挂墙板的装配式钢框架结构为工程背景，通过有限元手段，在地震作用下对比分析两种节点，主要得到以下结论：

1)新型节点在地震作用下受力性能更好，现有工程节点板受力过大，Ⅰ-M1～Ⅰ-M3节点板受力处于塑性状态；新型节点板受力更小，Ⅱ-M1～Ⅱ-M4节点板受力均处于弹性状态，Ⅰ-M1～Ⅰ-M4与Ⅱ-M1～Ⅱ-M4相同位置的节点受力最大减小84.66%。

2)与现有工程节点做法相比，新型节点双钢板连接，与方钢管的接触面积增大，在地震作用下有更好的变形能力，位移与应变均减小，四种墙板设置形式的模型相同位置的节点板位移分别减小1.60%,4.63%,4.38%,2.16%，节点板应变分别降低98.51%,99.29%,99.33%,99.34%。

3)四种不同外挂墙板设置情况下，两种节点的结构顶点最大侧向位移均满足规范要求；新型节点做法的结构钢管的变形幅度明显减小，通过结构自振频率的对比，新型节点刚度更大，其中未设置外挂墙板的节点刚度提高效果最大，与现有工程节点相比刚度提高53.13%。