吊頂主次龍骨節(jié)點受剪和受彎性能試驗研究

王 勇，蔣歡軍，吳 宸

(1. 同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點試驗室，上海 200092；2. 同濟大學土木工程學院結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海 200092)

近些年發(fā)生的地震表明[1-3]，建筑主體結(jié)構(gòu)的地震損傷較小，但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震易損性導致其震害突出，其破壞造成的經(jīng)濟損失往往會超過結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞帶來的損失，常常造成建筑功能的中斷，也給人員的生命安全帶來極大的風險[4]。

目前國內(nèi)外關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗震性能研究已趨于完善，且形成了比較完善的抗震設(shè)計規(guī)范。但對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能研究相對比較滯后[5-6]，尚未形成完善的抗震設(shè)計方法。吊頂作為一種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，常用作建筑中的機電設(shè)備和通風設(shè)施等工程的隱蔽層[7]。礦棉板吊頂因具有裝飾美觀和便于拆卸檢修等優(yōu)點，在公共建筑中應(yīng)用廣泛。礦棉板吊頂是由承力構(gòu)件、龍骨骨架和礦棉板等組成的系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時，礦棉板吊頂極易發(fā)生破壞，其抗震能力嚴重不足。研究表明[8-9]，主次龍骨節(jié)點是礦棉板吊頂?shù)目拐鸨∪醪课唬涫窃斐傻蹴斊茐牡闹匾蛑?，?jié)點一旦破壞，周圍的面板失去支撐發(fā)生墜落，節(jié)點失去周圍面板的約束，進一步加劇吊頂?shù)钠茐某潭?，甚至導致吊頂?shù)牡顾?/p>

近年來，國內(nèi)外學者針對礦棉板吊頂中的主次龍骨節(jié)點的抗震性能開展了相關(guān)研究。Paganotti等[10]和Dhakal 等[11]通過單調(diào)加載試驗研究了主次龍骨節(jié)點的破壞機理，建立了節(jié)點的易損性曲線，試驗結(jié)果表明，節(jié)點在單調(diào)拉伸加載下破壞集中于次龍骨接頭處，在單調(diào)壓縮加載下破壞形式表現(xiàn)為節(jié)點壓屈。節(jié)點在受剪試驗中的破壞形態(tài)為次龍骨接頭從主龍骨插孔中脫出。易損性分析結(jié)果表明，節(jié)點在單調(diào)壓縮比單調(diào)拉伸加載下的易損性更高。Pourali[12]通過單調(diào)加載試驗研究了抗震夾對主次龍骨節(jié)點抗震性能的影響，結(jié)果表明，抗震夾提高了節(jié)點的承載能力、殘余強度和延性性能。Soroushian 等[13-15]通過單調(diào)加載和低周往復加載試驗系統(tǒng)研究了主次龍骨節(jié)點的軸向受力、受剪和受彎性能，分析了節(jié)點的破壞機制和滯回性能，以控制節(jié)點破壞的指標(承載力或位移)為工程需求參數(shù)建立了節(jié)點的易損性曲線，利用有限元軟件OpenSEES 中的零長度單元和Pinching4 單軸材料建立了節(jié)點的恢復力模型。宋喜慶[16]通過單調(diào)加載試驗分析了主次龍骨節(jié)點的破壞荷載，結(jié)果表明，節(jié)點的破壞荷載主要由次龍骨接頭處的彎折程度和接頭中凸片的接觸概率控制。

綜上可知，各國學者們大多采用單調(diào)加載試驗研究主次龍骨節(jié)點的抗震性能，這與節(jié)點在實際地震中承受反復荷載作用的特點不符。其次，學者們對節(jié)點軸向受力性能的研究較為成熟，但對節(jié)點的受剪和受彎性能的研究相對比較缺乏。另外，不同國家和地區(qū)的礦棉板吊頂中的構(gòu)件類型和構(gòu)件材料有一定差異，導致主次龍骨節(jié)點的細部構(gòu)造和抗震能力有所不同，因此上述研究成果的適用性較差。本文通過單調(diào)加載和低周往復加載試驗研究了礦棉板吊頂中的主次龍骨節(jié)點的受剪和受彎性能，分析了其破壞模式、承載力、變形能力、滯回性能和耗能能力，并基于試驗結(jié)果建立了節(jié)點的易損性曲線。

1 試驗概況

本文以礦棉板吊頂中的主次龍骨節(jié)點為試驗對象，如圖1 所示。主次龍骨節(jié)點由兩個次龍骨穿過主龍骨插孔機械卡扣實現(xiàn)。次龍骨接頭處構(gòu)造復雜，由鎖扣、雙鎖槽板、上下側(cè)翼和鉚接孔組成，共同決定了節(jié)點能力。

試件分為2 類，共32 個試件，試驗類型包括受剪試驗和受彎試驗，加載方式包括單調(diào)加載和低周往復加載，單調(diào)加載試驗中的正向、負向分別指加載端向上、向下加載，加載方向包括主軸加載和次軸加載(根據(jù)試件節(jié)點中次龍骨截面方向定義節(jié)點的主次軸方向，見圖2)，試件信息詳見表1。試件編號由3 部分組成：試驗類型-加載類型-試件號，試驗類型中CJS 和CJB 分別代表主次龍骨節(jié)點受剪試驗和受彎試驗，加載類型中A 和B 分別代表主軸和次軸，其后數(shù)字1、2 和3 分別表示正向、負向和低周往復加載，試件號中C 代表主次龍骨節(jié)點，后接數(shù)字表示試件序號。主次龍骨節(jié)點主軸受剪試件由1 個長度為60 mm 的主龍骨段和2 個長度為200 mm 的次龍骨段構(gòu)成，主次龍骨節(jié)點次軸受剪試件由1 個長度為200 mm 的主龍骨段和2 個長度為200 mm 的次龍骨段構(gòu)成，主次龍骨節(jié)點主軸受彎試件由1 個長度為60 mm的主龍骨段和2 個長度為170 mm 的次龍骨段構(gòu)成，主次龍骨節(jié)點次軸受彎試件由1 個長度為200 mm 的主龍骨段和2 個長度為170 mm 的次龍骨段構(gòu)成。試件中的主龍骨和次龍骨截面形狀均為倒T 型。

圖2 主次龍骨節(jié)點的主次軸定義 /mmFig. 2 Axis definition of main-cross tee joints

表1 試件的綜合信息Table 1 General information of specimens

主次龍骨節(jié)點在地震作用中承受彎矩、剪力和軸力的共同作用，處于復合受力狀態(tài)。因為試驗設(shè)備的局限性開展主次龍骨節(jié)點在復合受力狀態(tài)下的受力性能試驗難度較大，因此本文對主次龍骨節(jié)點的受力性能試驗進行了簡化處理，先分別單獨研究節(jié)點在軸力、剪力和彎矩作用下的受力性能，本文進行了受剪和受彎性能試驗，軸向受力性能試驗將另文介紹，加載時的邊界條件與節(jié)點的實際情況也有一定出入，之后將在試驗基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬綜合分析節(jié)點在復合受力狀態(tài)下的受力性能。圖3 給出了主次龍骨節(jié)點主軸受剪和主軸受彎試件和受力圖，次軸類似未列出。節(jié)點受彎試驗中，節(jié)點單側(cè)彎矩M和轉(zhuǎn)角 θ按下式計算：

圖3 試驗類型和受力圖Fig. 3 Test types and mechanical diagrams

式中：Fy為節(jié)點豎向荷載；L為節(jié)點與端部間距，L=170 mm；D為節(jié)點豎向位移。

試驗的加載裝置以主次龍骨節(jié)點主軸受剪試驗為例進行說明。如圖4 所示，采用電子萬能試驗機對試件進行加載，加載端的力傳感器和外置位移計用于測量試件節(jié)點的剪力和剪切位移。設(shè)計鋼框架用以安裝試件并為其提供邊界條件，試驗過程中鋼框架始終保持彈性。試件由水平向的2 個次龍骨和與其垂直的主龍骨通過機械卡扣連接形成，上、下鋼板和墊塊通過端部螺栓壓緊次龍骨保證其不發(fā)生水平滑移，上、下鋼板留出一定空間以保證試件節(jié)點在加載過程中處于受剪狀態(tài)，加載板與主龍骨固定用以施加豎向荷載。

圖4 加載裝置示意圖Fig. 4 Schematic of test setup

參照Retamales 等[17]推薦的加載制度，以位移控制對試件進行加載，加載速率為1 mm/s，低周往復加載采用的加載制度如圖5 所示。

圖5 低周往復試驗的加載制度Fig. 5 Loading protocol of cyclic test

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞現(xiàn)象

2.1.1 主次龍骨節(jié)點主軸受剪的破壞現(xiàn)象

圖6 給出了主次龍骨節(jié)點在主軸受剪低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節(jié)點破壞形式表現(xiàn)為大部分次龍骨插片完好，雙鎖槽板有輕微損傷，部分插片容易剪壞，主龍骨插孔處腹板和翼緣撕裂，最終的破壞形態(tài)為節(jié)點剪切破壞。在較大的豎向加速度下，吊頂隱蔽層中的機電設(shè)備可能與吊頂發(fā)生劇烈碰撞容易造成主次龍骨節(jié)點在主軸上發(fā)生剪切破壞。

圖6 主次龍骨節(jié)點主軸受剪的破壞現(xiàn)象Fig. 6 Damage to main-cross tee joints in the strong axis during shear tests

2.1.2 主次龍骨節(jié)點次軸受剪的破壞現(xiàn)象

圖7 給出了主次龍骨節(jié)點在次軸受剪低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節(jié)點破壞形式表現(xiàn)為次龍骨插片有明顯的面外彎曲，插片中鎖扣等部位有一定的變形，主龍骨腹板插孔擴大變形，最終的破壞形態(tài)為節(jié)點面外彎曲并脫出破壞。如果吊頂平面內(nèi)的主龍骨構(gòu)件方向上遭遇較強的地震作用，主次龍骨節(jié)點極易發(fā)生面外彎曲甚至直接脫出破壞。

圖7 主次龍骨節(jié)點次軸受剪的破壞現(xiàn)象Fig. 7 Damage to main-cross tee joints in the weak axis during shear tests

2.1.3 主次龍骨節(jié)點主軸受彎的破壞現(xiàn)象

圖8 給出了主次龍骨節(jié)點在主軸受彎低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節(jié)點破壞形式表現(xiàn)為過大的位移使得次龍骨插片直接從主龍骨插孔脫出，表現(xiàn)出顯著的脆性破壞，大部分次龍骨插片保持完好，部分插片有輕微損傷，主龍骨腹板插孔擴大變形并有撕裂現(xiàn)象，最終的破壞形態(tài)為節(jié)點脫出破壞。吊頂中的主次龍骨節(jié)點在較大的豎向地震激勵下可能發(fā)生主軸受彎脫出破壞，導致節(jié)點失去整體性，造成大量面板墜落。

圖8 主次龍骨節(jié)點主軸受彎的破壞現(xiàn)象Fig. 8 Damage to main-cross tee joints in the strong axis during bending tests

2.1.4 主次龍骨節(jié)點次軸受彎的破壞現(xiàn)象

圖9 給出了主次龍骨節(jié)點在次軸受彎低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節(jié)點破壞形式表現(xiàn)為次龍骨插片直接從主龍骨插孔脫出，有明顯的脆性破壞特征，大部分次龍骨插片保持完好，變形小，部分插片中鎖扣和雙鎖槽板有明顯變形，主龍骨腹板插孔基本完好，最終的破壞形態(tài)為節(jié)點脫出破壞。與主次龍骨節(jié)點次軸受剪破壞時插片嚴重面外變形不同，節(jié)點次軸受彎破壞時次龍骨插片變形較小。同樣，較大的水平加速度可能導致主次龍骨節(jié)點次軸受彎脫出破壞。另外，受彎試驗中加載方向?qū)χ鞔锡埞枪?jié)點的破壞模式影響小，節(jié)點都表現(xiàn)出脆性脫出破壞特征。

圖9 主次龍骨節(jié)點次軸受彎的破壞現(xiàn)象Fig. 9 Damage to main-cross tee joints in the weak axis during bending tests

2.2 荷載-位移響應(yīng)

2.2.1 承載力與變形性能

各試件的受剪和受彎試驗結(jié)果分別見表2 和表3，表中數(shù)據(jù)取每組試件結(jié)果的平均值。由表2可知：① 節(jié)點在單調(diào)加載下主軸受剪承載力和變形能力與低周往復加載下基本一致，低周往復加載試驗中正向和負向?qū)?yīng)的試驗結(jié)果相近，揭示了加載類型和加載方向?qū)?jié)點性能的影響較小；② 節(jié)點次軸受剪時，單調(diào)加載下承載力和變形能力是低周往復加載下的2 倍左右，這與兩者的破壞時刻有關(guān)，單調(diào)加載下節(jié)點不易松動，節(jié)點脫出破壞較遲，使得節(jié)點能充分發(fā)揮其性能；③ 節(jié)點次軸受剪時的節(jié)點強度遠低于主軸受剪時的節(jié)點強度，但次軸受剪時的變形能力更強，這與節(jié)點插片在次軸受剪時發(fā)生的面外變形有關(guān)。

表2 主次龍骨節(jié)點的受剪試驗結(jié)果Table 2 Test results of main-cross tee joints during shear tests

表3 主次龍骨節(jié)點的受彎試驗結(jié)果Table 3 Test results of main-cross tee joints during bending tests

由表3 可知：① 與節(jié)點主軸受剪類似，加載類型和加載方向?qū)?jié)點主軸受彎性能的影響較小；②節(jié)點次軸受彎時，低周往復加載比單調(diào)加載的節(jié)點承載力和變形能力下降較多，這與低周往復加載下節(jié)點因損傷累積容易過早脫出有關(guān)；③ 與節(jié)點主軸受彎試驗結(jié)果對比，節(jié)點次軸受彎時強度更大，這與節(jié)點次軸受彎時節(jié)點插片中鎖扣產(chǎn)生較大塑性變形甚至進入強化階段從而提高了節(jié)點承載力有關(guān)。

2.2.2 滯回性能

試件的荷載-位移關(guān)系曲線如圖10 所示，其中圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)分別為節(jié)點主軸受剪、次軸受剪、主軸受彎和次軸受彎典型的滯回曲線。由圖可知：① 節(jié)點主軸受剪時滯回曲線的捏攏效應(yīng)顯著，有一定的耗能能力，有明顯的滑移行為，這是因為在反復的剪力作用下，節(jié)點中的次龍骨插片使得主龍骨插孔產(chǎn)生持續(xù)的撕裂現(xiàn)象，導致節(jié)點在卸載至零和重新加載時有明顯的滑移位移，正、負向承載力和變形能力基本一致，節(jié)點最大受剪承載力在1.2 kN 左右，與Soroushian等[13]的主次龍骨節(jié)點主軸受剪試驗結(jié)果對比可知，兩者的滯回曲線形狀和滯回性能基本一致(圖10(a))；② 節(jié)點主軸受剪時滯回曲線的骨架曲線與單調(diào)加載曲線比較一致，說明加載類型對節(jié)點主軸受剪性能影響較小(圖10(b))；③ 節(jié)點次軸受剪時的滯回曲線形狀與主軸受剪時類似，都表現(xiàn)出明顯的捏攏效應(yīng)和滑移行為，但次軸受剪時受剪承載力較小，這與節(jié)點次軸受剪時插片發(fā)生面外彎曲進而降低節(jié)點承載力有關(guān)(圖10(c))；④ 節(jié)點次軸受剪時滯回曲線的骨架曲線與單調(diào)加載曲線的差異明顯，這是由于節(jié)點在不同加載類型下脫出破壞時刻不同，低周往復加載下節(jié)點更容易松動以致于較早發(fā)生脫出破壞導致節(jié)點承載力和變形能力較小，但兩者的初始剛度比較一致(圖10(d))；⑤ 節(jié)點主軸受彎時滯回曲線的捏攏現(xiàn)象明顯，節(jié)點最大受彎承載力約為12.0 kN·mm，與Soroushian 等[13]的主次龍骨節(jié)點主軸受彎試驗結(jié)果相比，兩者的滯回曲線形狀差異較大，這是因為兩者的節(jié)點由于構(gòu)造細節(jié)不同導致破壞模式存在差異，Soroushian 等[13]研究的節(jié)點在主軸受彎時因節(jié)點中的鎖扣撕裂而破壞，而本試驗直到加載結(jié)束次龍骨插片基本完好，鎖扣無撕裂，插片整體拔出(圖10(e))；⑥ 節(jié)點主軸受彎時滯回曲線的骨架曲線與單調(diào)加載曲線基本一致，加載類型對節(jié)點主軸受彎性能影響較小(圖10(f))；⑦ 節(jié)點次軸受彎時的滯回曲線表現(xiàn)出兩種模式，兩種模式的區(qū)別在于峰值點出現(xiàn)在不同的方向中，這主要與節(jié)點破壞時刻有關(guān)，若節(jié)點破壞時加載端正處于正向狀態(tài)，則表現(xiàn)為模式1，否則為模式2。

圖10 試件的荷載-位移關(guān)系曲線Fig. 10 Force-displacement relationship curves of specimens

2.2.3 耗能能力

圖11(a)和圖11(b)分別對比了試件在主次軸方向上受剪和受彎時的累積耗能(圖中每條曲線為同組3 個滯回曲線的耗能均值)。節(jié)點主軸受剪比次軸受剪的耗能能力更強，但破壞時其變形能力更小。節(jié)點在同一轉(zhuǎn)角下主軸和次軸受彎累積耗能比較一致，但主軸受彎破壞時的變形能力更強。

圖11 試件受剪和受彎累積耗能對比Fig. 11 Comparison of the accumulated dissipated energy of specimens in shear and bending tests

3 易損性分析

易損性分析是指系統(tǒng)或構(gòu)件遭遇不同強度地震作用時超越某一損傷極限狀態(tài)的失效概率，假定失效概率服從對數(shù)正態(tài)分布[18]。設(shè)易損性函數(shù)為Fdm(edp) ， 其中dm為 損傷極限狀態(tài)，edp為工程需求參數(shù)，試件達到某一損傷狀態(tài)時的工程需求參數(shù)的中位值和對數(shù)標準差分別為xm和 β，則易損性函數(shù)可表示為：

式中： Φ為標準正態(tài)分布累積分布函數(shù)；M為試件數(shù)；i為試件序號；ri為第i個試件損傷時對應(yīng)的工程 需 求 參 數(shù)； βu是 β的修正系數(shù)，取βu=0.25[19]。

主次龍骨節(jié)點在剪力或彎矩作用下表現(xiàn)為脆性破壞特征，且在破壞之前無其他明顯的損傷狀態(tài)，其損傷破壞狀態(tài)與承載力密切相關(guān)，因此采用節(jié)點剪力或彎矩作為評價節(jié)點損傷的工程需求參數(shù)。主次龍骨節(jié)點受剪時，取節(jié)點剪力為EDP；主次龍骨節(jié)點受彎時，取節(jié)點彎矩為EDP。定義節(jié)點受剪或受彎破壞時的狀態(tài)一種損傷狀態(tài)DS1，DS1 的限值取節(jié)點破壞時對應(yīng)的承載力。表4 給出了主次龍骨節(jié)點的易損性參數(shù)。

表4 主次龍骨節(jié)點的易損性參數(shù)Table 4 Fragility parameters of main-cross tee joints

主次龍骨節(jié)點受剪和受彎的易損性曲線如圖12所示，由圖可知：① 主次龍骨節(jié)點受剪時，50%超越概率下的主軸受剪承載力和次軸受剪承載力分別為1.037 kN 和0.312 kN，說明主次龍骨節(jié)點次軸受剪時更容易破壞；② 主次龍骨節(jié)點受彎時，50%超越概率下的主軸受彎承載力和次軸受彎承載力分別為7.967 和19.512，說明主次龍骨節(jié)點主軸受彎時易損性更高。需要說明的是，不同產(chǎn)品的主次龍骨節(jié)點在細部構(gòu)造和材料性能等方面會存在差異，節(jié)點會表現(xiàn)出不同的受力性能，因此本文獲得的易損性參數(shù)和易損性曲線只適用于與本文相同產(chǎn)品的節(jié)點。

圖12 主次龍骨節(jié)點的易損性曲線Fig. 12 Fragility curves of main-cross tee joints

4 結(jié)論

本文對礦棉板吊頂中的主次龍骨節(jié)點進行了受剪和受彎性能試驗和易損性分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 主次龍骨節(jié)點主軸受剪時的破壞模式為節(jié)點剪切破壞，次軸受剪時的破壞模式為節(jié)點面外彎曲并脫出；主次龍骨節(jié)點受彎時的破壞模式為節(jié)點脫出破壞，加載方向?qū)?jié)點受彎破壞模式影響小。

(2) 與主軸受剪相比，主次龍骨節(jié)點次軸受剪時的節(jié)點強度更低，但次軸受剪時變形能力更強。與主軸受彎相比，主次龍骨節(jié)點次軸受彎時的節(jié)點強度更高，但次軸受彎時節(jié)點轉(zhuǎn)動能力略低。

(3) 除主次龍骨節(jié)點次軸受剪外，節(jié)點在其余加載模式下荷載-位移滯回曲線的骨架曲線與單調(diào)加載曲線比較一致；節(jié)點受剪和受彎時的滯回曲線不飽滿，有捏攏現(xiàn)象，耗能有限；節(jié)點次軸受彎時因破壞時刻的隨機性有2 種滯回模式。

(4) 易損性分析表明，主次龍骨節(jié)點次軸受剪和主軸受彎時易損性更高。

(5) 鑒于主次龍骨節(jié)點容易發(fā)生脆性破壞，延性性能較差，節(jié)點次軸受剪及主軸受彎的承載力較弱，因此建議節(jié)點可從改進節(jié)點的構(gòu)造形式等方面提高節(jié)點的延性性能和承載能力。在主次龍骨節(jié)點連接的過程中，應(yīng)保證可以聽到“咔嚓”的聲音，只有這樣才表明節(jié)點安裝到位。吊頂?shù)牡V棉板上方不應(yīng)放置重物，否則在地震作用下，礦棉板產(chǎn)生的較大慣性力會對節(jié)點的受力性能產(chǎn)生不利的影響。在吊頂實際的安裝過程中，應(yīng)保證吊頂與吊頂隱蔽層中的機電設(shè)備、消防管道和通風設(shè)施等有足夠的間距，避免在地震作用下兩者發(fā)生劇烈碰撞造成主次龍骨節(jié)點的破壞。