组合楼板对装配式钢框架节点抗震性能的影响

马康 叶锡豪 赵洋 于海丰 李建成

摘 要：為了解决装配式钢框架中节点区域构造复杂和传力机制不明的问题，提出一种考虑组合楼板作用的端板螺栓连接节点。设计并制作了2组端板连接的装配式梁柱节点，进行了低周往复循环荷载试验，建立了节点试件的数值模型，分析组合楼板对节点的破坏模式、滞回性能、承载能力、半刚性性能、受力特征的影响作用。结果表明，端板连接节点主要破坏模式为端板的弯曲变形，组合楼板的加入会使滞回曲线产生一定的捏拢现象，同时会产生组合楼板开裂破坏现象;增加组合楼板后，端板连接节点的初始转动刚度、极限承载力、耗能能力分别增加了约22%，13%，22%;组合楼板和钢梁上翼缘共同作用时，荷载通过组合楼板传递至柱腹板;与闭口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点相比，采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点初始转动刚度和极限承载力分别提高13%和9%。组合楼板能有效提高端板连接节点的抗震性能，扩大节点核心区的传力范围，增强梁柱传力机制，可为进一步提高装配式节点性能提供参考。

关键词：结构设计;装配式钢框架;组合楼板;端板连接;抗震性能

中图分类号：TU391   文献标识码：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx05012

收稿日期：2021-07-18;修回日期：2021-09-10;责任编辑：冯 民

基金项目：河北省自然科学基金（E2019208322，E2021208010，E2020208074）;河北省高等学校科学研究项目（QN2019082，QN2020413，QN2021223）;河北省研究生创新资助项目（CXZZSS2021100）;石家庄市科学技术研究与发展计划项目（216160147A）

第一作者简介：马 康（1987—），男，河北石家庄人，讲师，博士，主要从事钢结构抗震方面的研究。

通讯作者：于海丰教授。E-mail：skipperyhf@163.com

Influence of composite slab on seismic performance

of prefabricated steel frame joints

MA Kang，YE Xihao，ZHAO Yang，YU Haifeng，LI Jiancheng

（School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：To solve the problems of complex structure and unclear force transfer mechanism of joint area in prefabricated steel frame，a bolted end-plate joint considering composite slab was proposed.Two groups of prefabricated beam-column joints with end-plate connection were designed and manufactured，and the low-cyclic loading test was carried out.The numerical model of joint specimens was established，and the influence of composite slab on failure mode，hysteretic performance，bearing capacity，semi-rigid performance and stress characteristics of joints were analyzed.The results show that the main failure mode of the end-plate connection joint is the bending deformation of the end plate，and the addition of the composite slab will make the hysteretic curve pinch to a certain extent，and at the same time，it will cause the cracking failure of composite slab.After adding the composite slab，the initial rotational stiffness，ultimate bearing capacity and energy dissipation capacity of the end-plate connection joints increase by about 22%，13% and 22%，respectively.When the composite slab and the upper flange of steel beam work together，the load is transferred to the column web through the composite slab.Compared with the joint of closed profiled steel sheeting-concrete composite slab，the initial rotational stiffness and ultimate bearing capacity of the joint with open profiled steel sheeting-concrete composite slab are increased by 13% and 9%，respectively.Therefore，the composite slab can effectively improve the seismic performance of end-plate joints，expand the force transmission range in the core area of joints，and enhance the beam-column force transmission mechanism，which provides reference for further improving the performance of prefabricated joints.

Keywords：

structural design;prefabricated steel frame;composite slab;end-plate connection;seismic performance

近年来中国大力推广的装配式钢框架结构，属于绿色环保建筑[1-3]

，其工程应用范围较广。装配式钢框架结构是由大量螺栓连接和少许焊缝连接基本构件的结构体系[4-5]，

有利于避免梁柱节点焊缝处在地震作用下出现开裂。在装配式钢框架结构中一般采用压型钢板组合楼板[6-9]，由混凝土与压型钢板浇筑在一起，用栓钉连接钢梁与混凝土的一种新型装配式组合楼板，如图1所示。其中，压型钢板既可作为永久性模板又可起到底部纵筋的作用，减少了钢筋用量。与一般的混凝土楼板相比，组合楼板混凝土用量较少，降低了结构自重。抗剪栓钉有效地把混凝土楼板上的剪力传递至钢梁上，防止混凝土楼板与钢梁产生滑移，保证两者共同抵抗外荷载作用。采用压型钢板混凝土组合楼板，可以有效限制钢梁局部屈曲失稳，但同时限制了节点转动变形。

对于装配式梁柱節点，一些学者进行了研究，主要集中于试验和理论研究。在试验方面，王静峰等[10]设计和制作了2个带楼板的薄壁钢管混凝土组合节点，并进行了低周往复荷载试验，发现螺栓锚固构造对组合节点的变形性能具有较大影响作用;徐莹璐等[11-12]提出了一种新型的弱轴连接组合节点，进行了拟静力试验和数值模拟，发现单轴对称钢梁截面可以减小组合效应的不利影响;陈珊珊等[13]对具有不同宽度楼板的装配式型钢混凝土柱-钢梁节点抗震性能进行了分析，指出楼板有效宽度的增加对节点的初始转动刚度和承载能力均有明显提升作用。在理论方面，张婧等[14]对3个平齐端板连接梁柱组合节点进行了循环往复试验，提出了梁端初始转动刚度的计算公式，计算结果与试验结果较为接近;李国强等[15]对3个平齐式端板自锁式单向螺栓连接节点进行了单调加载试验，给出了该节点在弯矩荷载作用下的高强螺栓的力的分布形式;王振宇等[16]提出了以T型件作为基本分析单元，通过单个弹簧代替多个弹簧模拟T型件，计算结果与多个文献中的试验结果吻合程度较好。

根据以上所述可以看出，人们对于考虑组合楼板作用的装配式节点已有一定程度的研究，但对于外伸端板装配式节点在与组合楼板共同作用时的相关研究尚为匮乏，而端板节点是装配式钢框架中较为常用的梁柱连接形式，当该节点连接形式与组合楼板共同作用时，在外荷载作用下节点的变形与受力模式将会变复杂。因此，为完善组合楼板对装配式端板节点抗震性能的影响作用，本文对2个节点试件进行了拟静力试验和数值模拟分析，研究其破坏模式、滞回性能、承载能力、半刚性性能以及受力机理。此外，还对采用不同类型压型钢板的节点抗震性能变化规律进行了分析。

1 试验概况

根据现行规范[17-18]设计2组装配式缩尺节点，缩尺比例为1∶2.6，连接形式为装配式端板连接，组合楼板选用闭口型压型钢板YXB48-200-600，混凝土等级C30，厚度100 mm，纵向受力钢筋为10@100，横向分布钢筋为10@150，端板连接用“SD”表示，组合楼板用“100”表示。梁柱均为焊接H型钢，Q345钢材，柱H350×300×10×12，梁H250×200×8×10。端板连接为H型钢梁焊接外伸式端板和三角形加劲肋，用8套10.9级M20高强螺栓与H型钢柱连接，其中端板和三角形加劲肋的厚度均为10 mm，具体节点详图如图2 a）所示。材性试验按照规范标准程序进行，表1给出了试件材料的主要力学性能指标，结果均为平均值，混凝土的标准立方体试块抗压强度平均值为40.02 MPa。

SD和SD-100试件加载试验在河北科技大学结构实验室完成，利用500 kN自平衡加载装置实施低周往复加载试验，8组高强螺栓M20穿过预留孔，将钢柱固定在钢墩上，将作动器加载端水平连接在钢梁端部，试验加载装置如图2 b）和图2 c）所示。正式加载前，通过预加载检验加载装置与监测仪器是否正常工作。试验加载制度采用力-位移混合制加载，初始每级加载5 kN，屈服后每级加载Δ=10 mm，逐级循环加载，每级循环2次，以承载力下降至最大荷载85%或者作动器达到极限行程停止加载[19]。在梁加载端高度设置位移计，测量水平加载位移。在节点核心区域梁翼缘、梁腹板、端板、柱腹板黏贴应变片，测量构件应力。游标卡尺测量端板和肋板翘曲变形量。

在端板连接节点设计过程中，需对其弹性阶段承载力进行计算[20-22]，本文采用《端板式半刚性连接钢结构技术规范》（CECS 260：2009）[23]中的式（1）计算。

Mu1=Fc，jlr+hbwtbwf′y，bw（lr-hb/2+tbf/2），（1）

式中：Mu1为端板连接承载力;Fc，j为端板连接的抗压承载力;lr为钢筋中心至钢梁下翼缘的距离;f′y，bw为钢梁腹板屈服强度;hbw为钢梁腹板高度;tbw为钢梁腹板厚度;tbf为钢梁翼缘厚度。

当端板连接与组合楼板共同作用时，根据聂建国[8]提出的闭口型压型钢板-混凝土组合楼板的抗弯承载力公式，带组合楼板的端板连接承载力计算如下：

Mu=Mu1+Mu2，（2）

Mu2=Apfydp-x2，（3）

式中：Mu为带组合楼板的端板连接承载力;Mu2为组合楼板的承载力;Ap，dp为压型钢板的截面积和其形心至组合楼板顶的距离;fy为压型钢板的受拉屈服强度;fc为混凝土的轴心抗压强度。

按照几何尺寸建立端板连接的2组钢框架装配式节点数值模型，由于SD和SD-100间的区别在于有无组合楼板，故以SD-100为例，如图3所示。为减少计算量，提高效率，取沿梁腹板中心为对称轴建模。模型边界条件钢柱端部设置铰接，压型钢板使用壳单元，钢筋混凝土楼板中的钢筋使用梁单元，钢构件、混凝土、栓钉、螺栓等均采用六面体实体单元。模型中高强螺栓与钢梁、钢柱之间的接触，高强螺栓与连接件间的接触，相互作用属性采用切向行为，接触采用罚函数，法向设置为硬接触，摩擦系数设置为0.4[24-25]。组合楼板中栓钉、钢筋、压型钢板采用Embedded（嵌入）功能镶嵌在混凝土内部。在施加梁端荷载之前，先设置螺栓预紧力，第1步施加一个较小的螺栓预紧力，第2步再施加155 kN的螺栓预紧力，第3步让高强螺栓固定为当前长度，模型会更容易收敛。采用Coupling（耦合）方式把梁端加载区域耦合到一个参考点上，最后施加竖向位移，防止施加荷载应力集中。

2 分析与讨论

2.1 试验结果分析

节点SD的破坏现象如图4 a）所示，可以看出，当位移加至15 mm时端板与柱翼缘之间产生了缝隙，端板有一定的弯曲变形，试件进入了屈服状态;当位移加至64 mm时，端板的中部已出现大面积的鼓起，变形较大，可以判断试件已接近破坏状态。从试件的整体变形来看，端板连接的破坏出现于端板处。在节点SD-100中，试验现象与节点SD相似，主要区别在于组合楼板出现了开裂破坏现象，如图4 b）所示。

节点SD的滞回曲线较为饱满，如图4 a）所示，说明节点SD的耗能性能良好，在整个加载过程中无明显的捏拢现象，骨架曲线中显示节点最终的塑性转角达到了0.03 rad以上，说明节点SD具有良好的塑性变形能力。而SD-100的滞回曲线出现了略微的捏缩现象，但整体仍较饱满，同时节点的初始转动刚度和承载能力有了明显的提升，说明组合楼板的加入能使节点抗震性能得到明显改善，同时还能保持良好的耗能能力，如图4 b）所示。

计算试件的弹性阶段承载力理论值，与试验结果对比，如表2所示。节点弹性阶段承载力理论值与试验值基本接近，说明装配式节点承载力计算公式考虑组合楼板作用基本合理，可为工程提供有价值的参考。

2.2 抗震性能分析

通过数值模拟端板连接节点SD和SD-100的循环加载试验，如图5所示，结果对比可以发现，数值模型中端板端部出现缝隙、中部鼓起等现象，同时，初始转动刚度基本相等，数值模拟曲线与试验滞回曲线的吻合程度较好;相对来说，数值模拟的曲线节点转角较大，极限承载力稍小;试验中SD和SD-100的极限承载力分别达到215 kN·m和260 kN·m，而有限元模拟值略小，为189 kN·m和210 kN·m，二者误差均值为18%;耗能能力采用能量耗散系数E进行评估，即滞回环和三角形面积比值，数值模拟SD和SD-100分别为1.32和1.60，试验为1.21和1.61，二者误差均值5%。总体来说，有限元模拟数值与试验数值相差不大，吻合程度较高，误差保持在20%以内。

对比2组装配式节点数值模型的滞回曲线，如图6所示。提取滞回曲线中初始转动刚度Kin、极限承载力Mu和耗能能力，如表3所示。在图6中，SD的滞回曲线较为饱满，说明其耗能能力与抗震性能较好;增加100 mm厚组合楼板之后，模型SD-100在加载初期与SD的滞回曲线基本重合，说明二者初始转动刚度较为接近;随着位移不断增加，SD-100的滞回环面积逐渐超过SD。从表3中可以看出，增加组合楼板后，端板连接的初始转动刚度增加了约22%，极限承载力增加了约13%，耗能能力增加了约22%。可以看出，增加组合楼板后装配式节点刚度和耗能性能均得到了明显提升。

提取2组试件模拟结果中的弹性阶段承载力理论值，分别与实验值、理论值对比，如表4所示。通过对比发现，考虑组合楼板作用的数值模型结果，与试验结果和理论推导较为一致。

2.3 节点半刚性分析

梁柱节点按照弯矩-转角关系通常分为3类，包括刚接、铰接、半刚性连接。在力学性能方面，刚接形式既传递弯矩又能传递剪力;铰接形式只传递剪力，不能传递弯矩;半刚性连接形式既能传递剪力，又能传递一部分弯矩。欧洲规范EC3[26]给出了刚接、铰接、半刚性连接界限的确切定义，以此判断2种装配式节点的刚度分类，如图7所示，虚线代表EC3弯矩-转角定义，实线分别代表2组装配式节点。从数值模拟结果来看，SD处于刚性和铰接之间，属于典型的半刚性连接;增设组合楼板后，装配式节点的半刚性有明显提高。

2.4 构件应力和失效机制分析

提取数值模拟结果并对比2组装配式节点的应力云图（Δ=100 mm），如图8所示。从图8中可以看出，SD-100在柱和梁的高应力区域明显大于SD试件，尤其在柱节点核心区。这是因为增加组合楼板后，组合楼板和钢梁上翼缘共同作用，梁端受拉区面积增大，而受压区不变，在相同位移下，梁端下翼缘受力更大，容易发生屈服;由于组合楼板刚度较大，直接传递力至柱腹板，导致核心区受力更大;由于组合梁端受拉区较大，加之端板可以调节梁柱传力，因而柱翼缘应力分布逐渐向上移动。综合来看，由于抗剪栓钉的作用，端板连接和组合楼板共同作用，增加了传力途径，扩大了传力区域，提高了端板节点的刚度和抗震性能。

壓型钢板常见的类型有3类：闭口型、开口型、缩口型，其中闭口型和开口型如图9所示。压型钢板的破坏模式一般多以弯曲与剪切破坏为主，由于缩口型压型钢板与闭口型压型钢板的断面性质较为接近，故本文仅选取YX50-200-600开口型与YXB48-200-600闭口型这2种典型的压型钢板来研究其对节点力学性能的影响，压型钢板的相关参数如表5所示。为方便后续描述，本文采用SD-100-C来表示开口型压型钢板节点。开口型与闭口型压型钢板组合楼板节点在外荷载作用下变形位置基本一致，其中端板连接的变形位置位于端板，如图10所示。端板连接中开口型节点与闭口型节点的初始转动刚度比值为13%，极限承载力比值为9%，如图11和表6所示。可以看出采用开口型压型钢板组合楼板的节点力学性能要优于闭口型压型钢板组合楼板。

3 结 论

本文研究了考虑组合楼板作用的端板连接装配式钢框架节点的抗震性能，根据节点试件的低周往复荷载试验结果和数值模拟结果，对梁柱节点的抗震性能、半刚性、构件应力和失效机制进行了深入分析，得出结论如下。

1）梁柱节点增加组合楼板后，由于抗剪栓钉的作用，组合楼板与钢梁可以共同受力，协调变形;组合楼板会扩大节点核心区传力范围，调整应力分区;梁柱之间的可靠连接会增强梁柱传力机制;组合楼板作用对节点初始转动刚度、极限承载力、耗能能力有明显提升，能有效提高节点的抗震性能。

2）利用欧洲规范关于节点的刚性定义，界定出端板连接节点属于典型半刚性节点，增设组合楼板后节点半刚性性能提升明显。

3）梁柱节点采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的承载能力和初始转动刚度优于采用闭口型压型钢板-混凝土组合楼板节点，建议在实际工程设计中采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板。

本文中仅对外伸端板连接组合边节点进行了系统研究，而实际工程中跨中处的钢柱两侧均存在节点连接，未来将对外伸端板连接组合中节点进行试验研究和数值模拟，对比边节点与中节点的变形机理，完善外伸端板连接组合节点的研究结果。

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