点式连接节点承载性能数值模拟研究

洪嘉鑫，完海鹰

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

随着中国经济的快速发展和城镇化建设的大力推进，传统的建筑方式已无法满足市场需求和环境保护的要求，建筑业建造方式的“革命”迫在眉睫，装配式钢结构建筑以其质轻、节能、环保、安装简便、加工性能好、施工进度快、模块化，设计标准化等优点得到大力推广[1]，墙板作为装配式钢结构建筑围护体系中的重要构件，其与主体结构连接主要有内嵌式和外挂式2种。

文献[2～5]的研究表明，当外挂墙板通过外挂节点与主体结构连接时，节点本身的承载及变形能力对整体结构的抗震性能具有重要影响。本文研究的连接节点属于点式连接节点，分上节点与下节点两种形式。其中下节点在结构中起主要受力作用，承担外挂墙板传来的平面内和平面外荷载。而上节点只起到限位作用，在地震作用下，上节点可以充分变形以适应墙板与主体结构之间的相对位移。

本文针对点式连接节点进行有限元模拟数值分析，探究其在不同方向上的受力承载性能，并依托某工程背景对该节点的实际受荷大小进行理论计算与模拟值进行对比验算是否满足设计要求。

表1 模拟节点编号

1 节点参数

节点模型编号如表1所列，节点具体尺寸按实际节点尺寸1：1建模，为模拟实际受力建模时在节点底部附加钢板并通过螺栓连接，从而模拟节点与主体结构的连接。

建立的上、下节点ABAQUS有限元模型示意如图1所示。

图1 节点模型示意图

2 有限元模拟

2.1 材料本构模型

图2 钢材的应力(σ)-应变(ε)关系曲线

本文建立的节点模型中只包含了钢材一种材料，钢材本构模型采用二次塑流模型，它的应力(σ)-应变(ε)关系曲线一般可以分为5个阶段，即弹性阶段(oa)、弹塑性阶段(ab)、塑性阶段(bc)、强化阶段(cd)和二次塑流阶段(de)，如图2所示。

2.2 相互作用与边界条件

节点模型各部分均采用C3D8R单元进行计算。节点与垫板、节点螺栓孔与螺栓、螺栓与节点和螺栓与垫板之间面与面之间的作用利用ABAQUS接触功能进行模拟。通过面与面接触模拟各部件之间的相互作用，面与面接触定义切向与法向作用，切向作用用罚摩擦公式模拟，法向行为则定义为“硬”接触。

通过建立参考点与构件表面进行耦合，对参考点施加位移荷载进而模拟节点实际受力形式。

通过约束垫板底部的U1、U2、U3自由度模拟现实边界条件。

2.3 有限元计算结果

模型计算结束后，提取各个模型变形与应力图，分别如图3至图7所示。

图3 上节点水平受拉模拟应力云图

由图3可知，JD1模型受力方向为沿上节点托板水平方向，模拟出现节点原有弯折被拉变平、托板上螺栓孔变形严重，从模拟结果应力来看，应力较大区域呈U型分布，并且数值超过屈服应力很多，表明此区域已有相当程度的塑性变形。

图4 上节点水平受压模拟应力云图

由图4可知，JD2模拟结果表明变形主要体现在节点弯折处，节点与底座的脱离、节点托板的弯曲及其螺栓孔的变形。从模拟结果应力来看，应力较大区域呈U型分布，并且数值超过屈服应力很多，表明此区域已有相当程度的塑性变形。

图5 下节点竖向受压模拟应力云图

由图5可知，JD3在竖向荷载作用下，变形主要为下节点外挑板的受压弯曲，应力最大处为外挑板根部区域，此外加劲肋局部区域应力也较大但范围较小。此外，模型计算发现连接下节点与加载底座的螺栓应力很大，远超节点本身应力，故实际工程应用中应选用强度很高的高强螺栓进行安装。

图6 下节点水平受压模拟应力云图

由图6可知，JD4在水平受压情况下主要变形为下节点板在螺栓连接处发生的弯曲。模型应力较大区域处于节点与支座连接根部，且进入塑性阶段。此外，模型计算表明螺栓垫片和螺栓本身应力远大于下节点本身，因此工程应用时应保证垫片与螺栓的强度。

图7 下节点水平受拉模拟应力云图

由图7模拟结果可知，JD5在水平受拉情况下，节点竖板及加劲肋底部部分区域为应力较大区域，并且此部分钢材已进入塑性阶段。此外，模拟结果还表明螺栓及螺栓垫片受力很大，因此工程应用应确保其强度以保证结构安全。

整理计算得到的荷载-位移曲线如图8所示。

图8 荷载-位移曲线

从上述节点荷载-位移曲线可见，5条曲线趋势一致，加载前期较为平缓，表明节点处于弹性阶段。荷载达到一定数值后位移进入快速增长期，表明节点进入屈服阶段。

从荷载-位移曲线中可以看出各节点屈服荷载如表2所列。

表2 各试件屈服荷载

3 节点受力计算

预制外挂墙板受到的自重荷载、风荷载以及地震荷载，均通过下节点传递给主体结构，故下节点需具有足够的承载力来承受墙板所传递的荷载。依托某装配式住宅工程：墙板尺寸为2880mm×4385mm×200mm，建筑高度为80m，B类场地，抗震设防烈度为7度，基本风压=0.35kN/m2，设计基本地震加速度值为0.10g。根据文[6]、[7]和文[8]计算结果如下：

墙板自重为：G=35.83kN；

风荷载标准值：wk=βgzμslμzω0；

地震荷载标准值：PEhk=βEαmaxGk；

外挂墙板的竖向地震作用标准值取水平地震作用标准值的0.65倍，得：PEvk=0.65PEhk；

计算可得：PEhk=14.33kN，PEvk=9.31kN。

考虑持久设计状况和考虑地震设计状况，对荷载进行组合，结果如下：

下节点受竖向压力计算值为27.55kN、水平压力计算值为5.88kN、水平拉力计算值为6.37kN；上节点受水平压力计算值为5.88kN、水平拉力计算值为6.37kN。

将荷载组合的结果和有限元计算结果进行比较，可以看出节点的承载性能满足设计计算要求。

4 结 论

本文利用ABAQUS有限元软件，对点式连接节点模拟分析得到的主要结论如下：

(1)上节点变形能力强，可以充分协调外挂墙板与主体结构之间的变形。

(2)经模拟计算，下节点承载性能满足外挂墙板传来的受荷要求。

(3)在墙板自重作用下，下节点外挑板竖向挠度满足施工精度控制要求。

(4)在某实际工程背景下该节点的承载性能满足设计计算要求。