幕墙立柱插芯节点的往复荷载试验研究

金束 肖建春 胡天杰

摘 要：为了研究玻璃幕墙铝合金立柱插芯节点的抗震性能，进行了4根2.8m长立柱的节点往复荷载试验。试验选用了300mm和400mm二种插芯长度。采用非线性有限元进行了模拟分析，考虑了接触非线性、材料非线性和几何非线性。对比了二者之间的破坏形态、滞回曲线、延性及耗能能力等指标。结果发现：（1）试验出现两种破坏情况：第一种是支座处发生局部屈曲，第二种是立柱端部上下表面发生拉裂破坏。（2）400mm插芯得到的滞回环包络面积比300mm插芯的大3%，耗能能力和抗震性能更好。

关键词：幕墙铝合金立柱;插芯节点;拟静力试验;抗震性能

中图分类号：TU395           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）02-0115-04

高层建筑的幕墙受到温度变化、风荷载、地震作用等影响。幕墙骨架损害会导致幕墙大面积的脱落。更重要的是，一旦玻璃幕墙破坏，建筑物就失去了围护墙，从而也就丧失了防御次生灾害的能力，而带来其他严重后果，所以铝合金玻璃幕墙进行抗震设计很有必要[1]。因此，对玻璃幕墙立柱插芯节点的抗震性能研究很有必要。

陈倩[2]等通过对现有资料进行分析，发现了建筑距离地面三分之一处的幕墙破坏最严重，在进行抗震构造分析时，单独对该位置进行建模分析。徐勤[3]通过玻璃幕墙模型的地震台模拟地震试验，研究了玻璃幕墙的整体抗震性能。贾斌等[4]做了铝合金材料循环加载性能试验研究，评估了铝合金材料在地震作用下的力学特性和耗能能力。但是他们只是在受破坏比较严重的位置建模研究，或者直接使用地震台模拟地震实验，研究玻璃幕墙整体抗震性能。但是他们都没有考虑到立柱插芯节点处受到往复荷载后对抗震性能的影响。

本文通过分别对两组插芯长度300m和两组插芯长度400mm的立柱插芯节点进行往复加载试验和有限元模拟，对比分析了两种插芯长度下立柱插芯节点在往复荷载作用下的抗震性能。

1 往复荷载作用下的试验

1.1  试件设计及加载制度

为了对6063-T6铝合金材料的循环加载力学性能进行研究，设计了几何特征如图1所示。经受往复加载的试件，将铝合金放置在墩支座上，为了防止加载时插芯脱落，通过螺栓穿孔连接立柱插芯，插芯长度分别采取取300mm、400mm各兩根，立柱长度取2.8m，左侧末端伸出50mm，右侧作动器作用于插芯末端50mm处，支座间距2420mm，弹性模量E=71500N/mm2，泊松比v=0.33，材料摩擦系数u=0.15，需考虑材料非线性，其本构模型如图2所示，使用作动器进行位移控制加载，加载机制如图3所示。

上述图片a是实验装置的大体结构。

图片b是立柱插芯与作动器接触的部分，由于作动器底部施加压力的面较大，且荷载是单向的，所以设计了一个图示的组合构件，使其施加荷载由面荷载变为线荷载，同时在其往上位移的时候底部能给插芯一个向上的力，从而达到施加往复荷载的目的。

图片c是连接作动器和反力架的构造图，由于各种因素，作动器在加载的时候出现了向倾斜的情况，为了防止其倾斜，设计了如图所示的约束装置，图中左右两侧的100mm槽钢焊接在反力架上，起到了固定轨道的作用，限制了80mm槽钢的位移，作动器通过80mm槽钢，轴承，钢筋等焊接，使得它可以在100mm槽钢中位移的同时，防止了作动器前倾的问题。

以上实验于贵州大学重点实验室理工学院实验室300kN作动器加载完成上述4组铝合金立柱插芯循环加载实验，位移和荷载数据均采用自动采集系统进行采集和控制，试验采用如图3所示阶梯状变幅循环加载，直至试件失效。试验获得4组试验数据，第一组和第二组为插芯长度300mm试件的数据，第三组和第四组为插芯长度400mm试件的数据，插芯如图4所示。

1.2 有限元模型的建立

本文使用有限元软件abaqus建立有限元模型来分析立柱插芯节点在往复荷载作用下的力学性能，为了保证与试验的相符性，采用实体单元建立立柱插芯，铝合金的本构关系采用T6063铝合金片本构关系，尺寸和试件安装位置和试验保持一致，在穿孔处使用约束防止插芯脱落，立柱和插芯网格单元采用C3D8R线性单元，模拟加载机制与试验一致采用图3所示阶梯状变幅加载机制，加载点作用于距离右侧插芯端部50mm处，有限元模型如图5所示。模拟结果输出加载点的位移、荷载等。

2 往复荷载作用下试验和有限元的比较

2.1 相同插芯长度下有限元和试验的滞回曲线对比分析

有限元模拟的滞回曲线和试验的滞回曲线对比如图6至图9所示。将第一组至第四组屈服荷载和屈服位移绘成表1。

综合上述对比结果可知，其有限元模拟和试验的滞回曲线拟合度较高，有限元模拟得到的屈服荷载比试验值略小。滞回曲线如图6至图9所示呈现弓形，滞回曲线受到一定滑移影响，具有较好的捏缩效应;滞回曲线形状比较饱满，整个结构塑性变形能力比较强，节点低周往复荷载试验研究性能较好，能较好地吸收地震能量。

2.2  不同相同插芯长度下试验的滞回曲线对比分析

插芯长300mm的立柱插芯和插芯长度400mm的立柱插芯试验的滞回曲线对比如图10至图13所示。

综合上述对比结果可知，插芯长度为400mm的屈服位移比插芯长度为300mm的屈服位移试验值略大，插芯长度为400mm的屈服荷载比插芯长度为300mm屈服荷载略小。插芯长度为400mm的节点低周往复荷载试验研究性能较好，能较好地吸收地震能量。

2.3  破坏形式

4组试验通过往复加载过后的构件如图14所示，通过有限元软件模拟加载后破坏的构件和试验破坏的构件在X光投射下如图15和图16所示。

试验出现两种破坏情况：第一种是支座处发生局部屈曲;第二种是立柱端部上下表面发生拉裂破坏。

有限元模拟出现一种破坏情况：支座处的立柱发生局部屈曲，破坏形式和试验一样，立柱端部发生一定的变形，但未完全破坏。

3 结论

通过对6063-T6铝合金的俩种不同长度的插芯立柱进行了往复加载试验，得到了以下结论：

（1）本文中6063-T6铝合金是一种塑性变形能力较强，具有较好的抗地震性能的铝合金材料.

（2）插芯长度为400mm的节点往复荷载试验研究性能较好，能较好地吸收地震能量。

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