吊頂主次龍骨節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國家重點試驗室，上海 200092；2. 同濟大學土木工程學院結構防災減災工程系，上海 200092)

近些年發生的地震表明[1-3]，建筑主體結構的地震損傷較小，但非結構構件的地震易損性導致其震害突出，其破壞造成的經濟損失往往會超過結構構件破壞帶來的損失，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]。

目前國內外關于結構的抗震性能研究已趨于完善，且形成了比較完善的抗震設計規范。但對非結構構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計方法。吊頂作為一種非結構構件，常用作建筑中的機電設備和通風設施等工程的隱蔽層[7]。礦棉板吊頂因具有裝飾美觀和便于拆卸檢修等優點，在公共建筑中應用廣泛。礦棉板吊頂是由承力構件、龍骨骨架和礦棉板等組成的系統。建筑結構遭遇地震作用時，礦棉板吊頂極易發生破壞，其抗震能力嚴重不足。研究表明[8-9]，主次龍骨節點是礦棉板吊頂的抗震薄弱部位，其失效是造成吊頂破壞的重要原因之一，節點一旦破壞，周圍的面板失去支撐發生墜落，節點失去周圍面板的約束，進一步加劇吊頂的破壞程度，甚至導致吊頂的倒塌。

近年來，國內外學者針對礦棉板吊頂中的主次龍骨節點的抗震性能開展了相關研究。Paganotti等[10]和Dhakal 等[11]通過單調加載試驗研究了主次龍骨節點的破壞機理，建立了節點的易損性曲線，試驗結果表明，節點在單調拉伸加載下破壞集中于次龍骨接頭處，在單調壓縮加載下破壞形式表現為節點壓屈。節點在受剪試驗中的破壞形態為次龍骨接頭從主龍骨插孔中脫出。易損性分析結果表明，節點在單調壓縮比單調拉伸加載下的易損性更高。Pourali[12]通過單調加載試驗研究了抗震夾對主次龍骨節點抗震性能的影響，結果表明，抗震夾提高了節點的承載能力、殘余強度和延性性能。Soroushian 等[13-15]通過單調加載和低周往復加載試驗系統研究了主次龍骨節點的軸向受力、受剪和受彎性能，分析了節點的破壞機制和滯回性能，以控制節點破壞的指標(承載力或位移)為工程需求參數建立了節點的易損性曲線，利用有限元軟件OpenSEES 中的零長度單元和Pinching4 單軸材料建立了節點的恢復力模型。宋喜慶[16]通過單調加載試驗分析了主次龍骨節點的破壞荷載，結果表明，節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加載試驗研究主次龍骨節點的抗震性能，這與節點在實際地震中承受反復荷載作用的特點不符。其次，學者們對節點軸向受力性能的研究較為成熟，但對節點的受剪和受彎性能的研究相對比較缺乏。另外，不同國家和地區的礦棉板吊頂中的構件類型和構件材料有一定差異，導致主次龍骨節點的細部構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，并基于試驗結果建立了節點的易損性曲線。

1 試驗概況

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

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，加載方式包括單調加載和低周往復加載，單調加載試驗中的正向、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(根據試件節點中次龍骨截面方向定義節點的主次軸方向，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 代表主次龍骨節點，后接數字表示試件序號。主次龍骨節點主軸受剪試件由1 個長度為60 mm 的主龍骨段和2 個長度為200 mm 的次龍骨段構成，主次龍骨節點次軸受剪試件由1 個長度為200 mm 的主龍骨段和2 個長度為200 mm 的次龍骨段構成，主次龍骨節點主軸受彎試件由1 個長度為60 mm的主龍骨段和2 個長度為170 mm 的次龍骨段構成，主次龍骨節點次軸受彎試件由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。因為試驗設備的局限性開展主次龍骨節點在復合受力狀態下的受力性能試驗難度較大，因此本文對主次龍骨節點的受力性能試驗進行了簡化處理，先分別單獨研究節點在軸力、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點的實際情況也有一定出入，之后將在試驗基礎上結合理論分析和數值模擬綜合分析節點在復合受力狀態下的受力性能。圖3 給出了主次龍骨節點主軸受剪和主軸受彎試件和受力圖，次軸類似未列出。節點受彎試驗中，節點單側彎矩M和轉角 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為節點豎向荷載；L為節點與端部間距，L=170 mm；D為節點豎向位移。

試驗的加載裝置以主次龍骨節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點的剪力和剪切位移。設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生水平滑移，上、下鋼板留出一定空間以保證試件節點在加載過程中處于受剪狀態，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 試驗結果分析

2.1 破壞現象

2.1.1 主次龍骨節點主軸受剪的破壞現象

圖6 給出了主次龍骨節點在主軸受剪低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節點破壞形式表現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，最終的破壞形態為節點剪切破壞。在較大的豎向加速度下，吊頂隱蔽層中的機電設備可能與吊頂發生劇烈碰撞容易造成主次龍骨節點在主軸上發生剪切破壞。

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

2.1.2 主次龍骨節點次軸受剪的破壞現象

圖7 給出了主次龍骨節點在次軸受剪低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節點破壞形式表現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，最終的破壞形態為節點面外彎曲并脫出破壞。如果吊頂平面內的主龍骨構件方向上遭遇較強的地震作用，主次龍骨節點極易發生面外彎曲甚至直接脫出破壞。

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

2.1.3 主次龍骨節點主軸受彎的破壞現象

圖8 給出了主次龍骨節點在主軸受彎低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節點破壞形式表現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象，最終的破壞形態為節點脫出破壞。吊頂中的主次龍骨節點在較大的豎向地震激勵下可能發生主軸受彎脫出破壞，導致節點失去整體性，造成大量面板墜落。

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

2.1.4 主次龍骨節點次軸受彎的破壞現象

圖9 給出了主次龍骨節點在次軸受彎低周往復加載試驗中典型的破壞模式。節點破壞形式表現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，最終的破壞形態為節點脫出破壞。與主次龍骨節點次軸受剪破壞時插片嚴重面外變形不同，節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點次軸受彎脫出破壞。另外，受彎試驗中加載方向對主次龍骨節點的破壞模式影響小，節點都表現出脆性脫出破壞特征。

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

2.2 荷載-位移響應

2.2.1 承載力與變形性能

各試件的受剪和受彎試驗結果分別見表2 和表3，表中數據取每組試件結果的平均值。由表2可知：① 節點在單調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對應的試驗結果相近，揭示了加載類型和加載方向對節點性能的影響較?。虎?節點次軸受剪時，單調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，單調加載下節點不易松動，節點脫出破壞較遲，使得節點能充分發揮其性能；③ 節點次軸受剪時的節點強度遠低于主軸受剪時的節點強度，但次軸受剪時的變形能力更強，這與節點插片在次軸受剪時發生的面外變形有關。

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

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

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

2.2.2 滯回性能

試件的荷載-位移關系曲線如圖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 節點主軸受剪時滯回曲線的捏攏效應顯著，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，節點中的次龍骨插片使得主龍骨插孔產生持續的撕裂現象，導致節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，節點最大受剪承載力在1.2 kN 左右，與Soroushian等[13]的主次龍骨節點主軸受剪試驗結果對比可知，兩者的滯回曲線形狀和滯回性能基本一致(圖10(a))；② 節點主軸受剪時滯回曲線的骨架曲線與單調加載曲線比較一致，說明加載類型對節點主軸受剪性能影響較小(圖10(b))；③ 節點次軸受剪時的滯回曲線形狀與主軸受剪時類似，都表現出明顯的捏攏效應和滑移行為，但次軸受剪時受剪承載力較小，這與節點次軸受剪時插片發生面外彎曲進而降低節點承載力有關(圖10(c))；④ 節點次軸受剪時滯回曲線的骨架曲線與單調加載曲線的差異明顯，這是由于節點在不同加載類型下脫出破壞時刻不同，低周往復加載下節點更容易松動以致于較早發生脫出破壞導致節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 節點主軸受彎時滯回曲線的捏攏現象明顯，節點最大受彎承載力約為12.0 kN·mm，與Soroushian 等[13]的主次龍骨節點主軸受彎試驗結果相比，兩者的滯回曲線形狀差異較大，這是因為兩者的節點由于構造細節不同導致破壞模式存在差異，Soroushian 等[13]研究的節點在主軸受彎時因節點中的鎖扣撕裂而破壞，而本試驗直到加載結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 節點主軸受彎時滯回曲線的骨架曲線與單調加載曲線基本一致，加載類型對節點主軸受彎性能影響較小(圖10(f))；⑦ 節點次軸受彎時的滯回曲線表現出兩種模式，兩種模式的區別在于峰值點出現在不同的方向中，這主要與節點破壞時刻有關，若節點破壞時加載端正處于正向狀態，則表現為模式1，否則為模式2。

圖10 試件的荷載-位移關系曲線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。節點在同一轉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或構件遭遇不同強度地震作用時超越某一損傷極限狀態的失效概率，假定失效概率服從對數正態分布[18]。設易損性函數為Fdm(edp) ， 其中dm為 損傷極限狀態，edp為工程需求參數，試件達到某一損傷狀態時的工程需求參數的中位值和對數標準差分別為xm和 β，則易損性函數可表示為：

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

主次龍骨節點在剪力或彎矩作用下表現為脆性破壞特征，且在破壞之前無其他明顯的損傷狀態，其損傷破壞狀態與承載力密切相關，因此采用節點剪力或彎矩作為評價節點損傷的工程需求參數。主次龍骨節點受剪時，取節點剪力為EDP；主次龍骨節點受彎時，取節點彎矩為EDP。定義節點受剪或受彎破壞時的狀態一種損傷狀態DS1，DS1 的限值取節點破壞時對應的承載力。表4 給出了主次龍骨節點的易損性參數。

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

主次龍骨節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，說明主次龍骨節點次軸受剪時更容易破壞；② 主次龍骨節點受彎時，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，說明主次龍骨節點主軸受彎時易損性更高。需要說明的是，不同產品的主次龍骨節點在細部構造和材料性能等方面會存在差異，節點會表現出不同的受力性能，因此本文獲得的易損性參數和易損性曲線只適用于與本文相同產品的節點。

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

4 結論

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

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

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

(3) 除主次龍骨節點次軸受剪外，節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加載曲線比較一致；節點受剪和受彎時的滯回曲線不飽滿，有捏攏現象，耗能有限；節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，主次龍骨節點次軸受剪和主軸受彎時易損性更高。

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