彩鋼巖棉夾芯螺釘連接節(jié)點(diǎn)破壞及承載力研究

彩鋼巖棉夾芯螺釘連接節(jié)點(diǎn)破壞及承載力研究

近年來，隨著輕鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，彩鋼夾芯板越來越受鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的房屋和厚面板的應(yīng)用。其中，1（a）所示的房屋板節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖所示。插入公共母路入口，在肋上添加絕緣墊，以避免高差。然后用自攻螺桿將安裝好的板固定在房屋的上臂上。它是一種暴露的連接，防水性能很差。如圖1b所示，首先，使用自攻螺桿將墻板一端固定在上，然后連接到其他板的另一端，隱藏連接，防水性能好。通過對(duì)屋面板、墻面板與主體結(jié)構(gòu)檁條連接處的節(jié)點(diǎn)抗拉性能試驗(yàn)研究、有限元模擬及理論分析,提出節(jié)點(diǎn)承載力公式,為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的制定提供了參考依據(jù).1節(jié)點(diǎn)負(fù)荷試驗(yàn)1.1真實(shí)工程材料參數(shù).實(shí)際工程應(yīng)用狀況,應(yīng)根據(jù)以下情況本試驗(yàn)所用試件樣品均有深圳赤曉組合房屋有限公司提供,隨機(jī)取樣所得,與實(shí)際工程應(yīng)用接近,具有較強(qiáng)的真實(shí)性.具體情況如表1所示.材料參數(shù)由試驗(yàn)測(cè)得如表2所示.1.2實(shí)驗(yàn)計(jì)劃1.2.1梗肋表面鋼板的位移將自攻螺釘穿過屋面板梗肋打入檁條腹板中,螺釘要盡量位于檁條腹板及長(zhǎng)度中央以確保加載平衡,并使檁條與梗肋同向.然后將屋面板放在兩側(cè)堆放的方形砌塊上,使檁條從兩側(cè)砌體塊間隙中通過,有梗肋表面鋼板在上面,以便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象.為了使連接節(jié)點(diǎn)處受到與實(shí)際屋面板風(fēng)吸力等效荷載作用,對(duì)懸空的檁條兩端施加豎直向下的荷載塊.荷載塊有標(biāo)準(zhǔn)砌塊及合成塊兩種.標(biāo)準(zhǔn)砌塊為長(zhǎng)方體狀,中間有兩個(gè)較大方形孔洞,砌塊呈“日”字形,合成塊為長(zhǎng)方體狀鐵塊,兩種試塊均為20Kg.加載時(shí),將砌塊通過自身孔洞套入檁條,在屋面板兩側(cè)的檁條兩端同時(shí)對(duì)稱加載,以保持檁條平衡.由于每級(jí)左右對(duì)稱加載,為40Kg.每加一次荷載,等待3min,以使試件變形充分.以直尺測(cè)量地面與檁條上表面距離,得到自攻螺釘向下的位移,如圖2所示.1.2.2墻面板加載:墻面板為背景,無(wú)安將墻面板一端部中央釘于檁條腹板中間處,如圖3所示.檁條兩端伸出墻面板部分用砌塊支支撐,墻面板放置在檁條下方,以便由上而下加載.由于墻面板僅一端通過自攻螺釘與檁條相連,用砌塊將墻面板另一端支撐,使其對(duì)連接節(jié)點(diǎn)處受力狀態(tài)無(wú)影響.然后將試件放在反力架下,在反力架下連接上2t力傳感器,連通應(yīng)變儀,用于讀數(shù)控制加載,并通過千斤頂加載.在反力架上固定一百分表來測(cè)量靠近鋼板中心處位移.用千斤頂分級(jí)加載,通過力傳感器對(duì)鋼板施加力,待穩(wěn)定后,記錄荷載對(duì)應(yīng)的位移值,得到力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系.1.3試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果1.3.1局部變形.在加載初期,巖棉被壓密實(shí).彩鋼板與巖棉緊密接觸,受力較均勻,巖棉為其提供側(cè)向支撐,使其不易發(fā)生屈曲.隨著荷載增加,巖棉變形增大,由于加載位置相對(duì)較集中,使彩鋼板節(jié)點(diǎn)局部處傳給巖棉的力相對(duì)于梗肋其它位置的力較大,導(dǎo)致區(qū)域壓縮量差異,變形不一致,節(jié)點(diǎn)處局部變形較大.由于側(cè)向彩鋼板以巖棉做支撐,故變形也會(huì)同巖棉相協(xié)調(diào)一致,這樣側(cè)彩鋼板便不再保持成平面狀態(tài),而是在出平面方向開始有變形.當(dāng)荷載進(jìn)一步加大時(shí),很快便出現(xiàn)斜向鋼板在受力點(diǎn)附近的屈曲,直至變形過大,鋼板發(fā)生屈服,此時(shí)可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)失效,如圖4所示.1.3.2鋼板壓痕的表現(xiàn)自攻螺釘壓力作用下,巖棉被壓密實(shí),鋼板與檁條的間隙越來越大,釘帽處鋼板開始出現(xiàn)圓形壓痕.隨著荷載增加,壓痕處鋼板破壞,釘被拉進(jìn)鋼板內(nèi)部,鋼板留下釘帽大小的圓洞,釘并無(wú)破壞現(xiàn)象,如圖5所示.2有限模擬2.1有限元模型建立由試驗(yàn)可知,屋面板的破壞是由上層鋼板將力傳遞給兩側(cè)的斜向鋼板,斜向的鋼板受到軸向壓力整體失穩(wěn)造成.因此在建模的時(shí)候,就要在這兩對(duì)面上設(shè)置接觸.脫離之后,斜向鋼板單獨(dú)受力,變成了構(gòu)件截面軸心受壓的情形,從而發(fā)生屈曲現(xiàn)象.由于試驗(yàn)中變形較大,運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行顯式求解計(jì)算.鋼板采用Thinshell163單元,巖棉采用solid164八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元,自攻螺釘采用剛體RigidBody單元.有限元模型尺寸根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際尺寸.在自攻螺釘與屋面板接觸的兩個(gè)表面間要設(shè)定一個(gè)很小的距離,而不是緊挨著,從而可以避免設(shè)置接觸的時(shí)候出現(xiàn)初始滲透現(xiàn)象.對(duì)自攻螺釘釘帽與上表面鋼板以及兩斜向鋼板與巖棉的接觸采用CONTACTAUTOMATICGENERAL接觸類型,來模擬這種接觸對(duì)間只能受壓不能受拉情形.根據(jù)試驗(yàn)方案,有限元模型中邊界條件簡(jiǎn)化為兩端絞支.加載也采用分級(jí)加載,每級(jí)0.4kN.有限元模擬破壞模型如圖6所示,結(jié)果比較如圖7和表3所示.由于試驗(yàn)中采用分級(jí)加載,每級(jí)間停留一段時(shí)間記錄和等待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因此試驗(yàn)力-位移曲線存在較大的松弛變形,如圖7所示,有限元與試驗(yàn)力-位移曲線存在較大差距,但兩者極限承載力吻合較好.2.2墻面板節(jié)點(diǎn)連接有限元分析墻面板連接節(jié)點(diǎn)受拉情況,采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬.彩鋼板及芯材均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(solid45),自攻螺釘采用剛體.鋼板與巖棉間有足夠的粘結(jié)力.鋼材采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN),巖棉采用雙線性各向同性強(qiáng)化模型(BISO),鋼材采用0.5%的強(qiáng)化段,巖棉為理想彈塑性.建模時(shí),忽略螺釘位子及邊緣厚度相對(duì)較小的影響.有限元模型如圖8所示,結(jié)果比較如圖9,表3所示.從圖9可以看到,有限元結(jié)果與試驗(yàn)吻合的較好,可認(rèn)為有限元模型比較真實(shí)反映了墻面板節(jié)點(diǎn)連接處受力狀況.3鋼板有限元模型通過有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好,這樣就可對(duì)不同厚度鋼板模型進(jìn)行有限元計(jì)算,并將結(jié)果進(jìn)行線性回歸,得到適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),用于理論公式修正,得到具有一定安全度的理論設(shè)計(jì)公式,用于指導(dǎo)工程實(shí)踐.3.1斜向鋼板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界力屋面板退出工作是由于兩側(cè)斜鋼板受壓屈曲,變形較大整體失穩(wěn)造成的.因此,需對(duì)兩側(cè)鋼板進(jìn)行整體失穩(wěn)計(jì)算.由于屈曲只發(fā)生在靠近受力孔洞的局部,故沿肋長(zhǎng)取斜向鋼板截面長(zhǎng)度40mm(大于釘子帽的直徑,與實(shí)驗(yàn)中屈曲部分差不多的長(zhǎng)度)進(jìn)行研究.截面厚度為0.5mm,斜板長(zhǎng)度為50mm,高度為42mm,利用上述尺寸計(jì)算斜板的整體失穩(wěn)臨界應(yīng)力.兩端假定為鉸支.整體穩(wěn)定性計(jì)算為式中:?為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)(取截面兩主軸穩(wěn)定系數(shù)中的較小者).模型中,鋼板的實(shí)際受力長(zhǎng)度并沒有達(dá)到500mm,可按取設(shè)長(zhǎng)度(40mm)向下45°進(jìn)行剖切,得到側(cè)板的計(jì)算受力長(zhǎng)度為140mm.查鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范表可知其屬于板厚t<40mm,板件寬厚比>20mm的軋制b類截面.故根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》得:式中:α2、α3分別為根據(jù)規(guī)范表的截面分類取為0.965,0.3.最終整體失穩(wěn)的臨界力F=?Af=1.14kN.將整體屈曲臨界荷載轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)處外力,由圖10可得:N=2×5042×F=2.71.Ν=2×5042×F=2.71.即斜向鋼板整體失穩(wěn)所需外力為2.71kN,可知理論值稍大于有限元結(jié)果(2.5kN).由整體失穩(wěn)公式可知,屋面板的屈曲破壞與穩(wěn)定系數(shù)?、有效面積A以及鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y有關(guān).考慮到實(shí)際模型中斜鋼板受偏心矩,邊界條件等影響與理論計(jì)算模型的差異,可將屋面板受壓屈曲承載力公式修正為F′=k?Afy+a.F′=k?Afy+a.其中:k、a由線性回歸結(jié)果確定.在實(shí)際工程中,時(shí)常會(huì)在屋面板梗肋處安裝自攻螺釘時(shí)引起梗肋下陷等初始缺陷造成承載力下降,為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的安全度,對(duì)有限元結(jié)果提供0.75的分項(xiàng)系數(shù),得到有限元修正值.將有限元修正值除以常數(shù)C=2×50/42得到有限元整體失穩(wěn)臨界力,對(duì)其及理論整體失穩(wěn)臨界力線性回歸,即得到k、a.由圖11線性回歸結(jié)果得到k=0.305,a=0.397.故整體失穩(wěn)臨界力為F′=0.305?Afy+0.397.F′=0.305?Afy+0.397.相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)破壞荷載為N=(0.305φAfy+0.397)×2×5042=0.726φAf+0.945.Ν=(0.305φAfy+0.397)×2×5042=0.726φAf+0.945.從表4可以看出,除了個(gè)別鋼板厚度有差別外,整體上吻合良好.且在實(shí)際工程中,通常采用的壓型鋼板厚度一般不超過1mm,故在這個(gè)范圍內(nèi),公式是適用的.3.2沖剪破壞荷載的修正墻面板節(jié)點(diǎn)連接抗拉情況,涉及了與本模型相似的例子.將螺釘視為上端弦桿,壓型鋼板視為方鋼管上邊,則可以將其理論計(jì)算公式推廣到本模型中.由于壓型鋼板的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于釘直徑,且其厚度也很小,故這里發(fā)生的破壞應(yīng)為第三種情況—沖剪破壞.由于螺釘釘帽是圓形的,所以采用圓管截面間的連接公式.沖剪破壞是由垂直于弦桿的荷載引起的,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為有效沖剪面積乘以有效沖剪抗力.由對(duì)稱性,在所給定的范圍內(nèi),考慮全周長(zhǎng)有效.沖剪面積為π×b1×t0,沖剪應(yīng)力極限為fy3√fy3,因此沖剪承載力為可知,沖剪破壞荷載與釘帽直徑b1、鋼板厚度t0以及鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y有關(guān).由于夾芯板模型與鋼管截面桁架節(jié)點(diǎn)處模型邊界條件不一樣,將夾芯板的沖剪破壞承載力修正為N′=k×b1×t0×fy.Ν′=k×b1×t0×fy.其中:k由有限元結(jié)果線性回歸確定.圖12是釘帽直徑分別為12、24mm時(shí)不同厚度鋼板有限元計(jì)算得到的力-位移曲線,對(duì)有限元值進(jìn)行線性回歸,如圖13得到,k=1.04.這樣就可得到墻面板節(jié)點(diǎn)連接承載力設(shè)計(jì)修正公式為N′=1.04×b1×t0×fy=1.04b1t0fy.Ν′=1.04×b1×t0×fy=1.04b1t0fy.表5為理論修正結(jié)果與有限元結(jié)果比較,可見兩者吻合較好,故理論修正公式可為實(shí)際工程墻面板連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考依據(jù).4節(jié)點(diǎn)極限承載力1)屋面板連接節(jié)點(diǎn)處破壞機(jī)理是側(cè)向支撐巖棉局部變形過大,節(jié)點(diǎn)附近的斜向鋼板受到軸向壓力發(fā)生整體屈曲破壞.因此巖