灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點力學性能試驗研究

陳志華，孟凡貴，劉紅波，尚靜媛，崔 萌，閆翔宇

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056038；3.天津津貝爾建筑工程試驗檢測技術有限公司，天津 300130；4.天津建工科技有限公司，天津 300403)

模塊建筑是一種以房間大小的預制建筑體為單位，在建筑現場用“搭積木”的方式完整地拼裝、組合起來的新型裝配式建筑形式[1-2].模塊建筑安裝速度快、工程質量精良、節約人力物力、施工過程綠色環保，在建筑結構中具有十分廣闊的應用前景[3-4].模塊單元間節點的構造形式和力學性能對現場安裝的便捷性和結構的安全性起著關鍵作用[5-6]，非常值得重點研究與關注.

目前，國內外常用的鋼模塊連接節點主要有螺栓連接節點、鑄鋼連接節點、焊接連接節點和預應力連接節點等形式.

(1) 螺栓連接節點[7]：如Chen 等[8]提出的梁-梁螺栓連接節點、Khan 等[9]和Ma 等[10]提出的插件螺栓連接節點，該類節點在構件端部預留螺栓孔，通過蓋板和高強螺栓將相鄰兩個模塊連接在一起，連接可靠度較高，但只適用于建筑外側，施工洞口使該節點的強度和轉動剛度削弱.

(2) 鑄鋼連接節點：如Dhanapal 等[11]和Bowron等[12]提出的鑄鋼件-螺栓連接節點、Chen 等[13]提出的旋轉角件連接節點，該類節點通過一個鑄鋼件以及螺栓將模塊單元連接在一起，具有拆裝方便、避免截面削弱的優勢，但對安裝誤差的敏感性較大，并對施工空間要求高.

(3) 焊接連接節點：如Annan 等[14]提出的全焊節點和劉明揚等[15]提出的內套筒焊接節點，該類節點通過現場焊接的方式將相鄰模塊單元連接在一起，有著無滑移、對安裝誤差不敏感的優點，但也存在著不可拆卸、焊接質量差、施工質量不穩定、存在殘余應力、延性差等問題.

(4) 預應力連接節點：如Chen 等[16]、Sanches等[17]和Lacey 等[18]提出的預應力拉桿節點，該類節點在角柱內部從下往上設置貫通的高強度拉桿或拉索，通過施加預應力將上下布置的模塊單元連接起來，能夠實現豎向的良好連續性，但其抗彎剛度、旋轉剛度均較低，抗傾覆性差，不利于抗震設計，不適用于高層模塊化建筑.

因此，為確保模塊鋼結構之間連接的整體性、穩定性、可靠性，改善模塊鋼結構建筑的整體力學性能，本文提出了一種新型灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點形式，并采用試驗的方法，對節點柱的軸壓性能、軸拉性能和受彎性能進行了深入研究.

1 節點構造

本文提出的灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點的構造如圖1 所示.在水平方向上，該節點采用一個“田”字形的水平連接套管和高強螺栓實現4 個模塊柱的水平連接；在豎直方向上，該節點在上段柱和下段柱的端板上分別焊接8 根鋼筋，上段柱和下段柱的鋼筋相互交叉，在節點中澆筑CGM(cement-based grouting material)灌漿料實現豎向連接.CGM 灌漿料為水泥基灌漿材料，以高強度材料作為骨料，以水泥作為結合劑，輔以高流態、微膨脹、防離析等物質配制而成，具有高流動性、微膨脹、早強和高強等優良特性[19]，可以對鋼筋起到很好的黏結作用，實現鋼模塊間節點的可靠連接.相較現有的模塊化鋼結構連接節點，此節點施工簡單，上、下模塊柱通過鋼筋和灌漿料連接，避免了大面積的焊接，有著安全、便利、經濟等諸多優勢.

圖1 灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點Fig.1 Grout-reinforced connections of modular steel structures

2 試驗設計

2.1 試驗概況

本文共進行了6 組節點試驗，每組構件進行2 次重復試驗，如表1 所示.試驗構件鋼材采用Q355B，鋼筋采用HRB500，鋼筋直徑采用14 mm 和18 mm兩種，柱截面尺寸為□200 mm×200 mm×8 mm.其中，C14、C18 為柱的軸壓試驗，T14、T18 為柱的軸拉試驗，F14、F18 為柱的抗彎試驗.

表1 節點試驗參數Tab.1 Connection test parameters

圖2 所示為灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點的構造.節點總長438 mm，兩側橫隔板厚度為14 mm，下段柱鋼管長150 mm，上段柱鋼管長260 mm，上、下兩段鋼管緊密貼合，并采用結構膠密封.

圖2 灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點構造示意(單位：mm)Fig.2 Schematic of the grout-reinforced connections of the modular steel structures(unit：mm)

在上段柱和下段柱的橫隔板上分別焊接8 根鋼筋，上、下柱的鋼筋相互交叉，在節點中灌筑CGM 灌漿料，澆筑完成后將圓孔焊接補強.

2.2 材性試驗

2.2.1 鋼 材

根據《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)相關規定，本文采用萬能試驗機對試驗用鋼管和鋼筋分別進行3 次重復拉伸測試.鋼管和鋼筋的材料性能試驗結果如表2 所示，包括屈服強度fy、極限抗拉強度fu、彈性模量Es.其中，Q355B 表示方鋼管，HRB500-14 表示直徑為14 mm 的鋼筋，HRB500-18 表示直徑為18 mm 的鋼筋.

表2 鋼板和鋼筋的材料性能Tab.2 Material properties of the steel plates and steel bars

2.2.2 灌漿料

本次試驗采用的灌漿料類型為Ⅲ類，A60，根據《水泥基灌漿材料》(JC/T 986—2018)的規定，測試了其抗折強度、抗壓強度和彈性模量，測試結果如表3 所示.

表3 CGM灌漿料的材料性能Tab.3 Material properties of cement-based grouting material

2.3 試驗加載方案

2.3.1 軸壓試驗

軸壓試驗的加載裝置、試件的尺寸和測點布置如圖3 所示.節點總長438 mm，兩側各焊接長300 mm的200 mm×200 mm×8 mm 方鋼管，試件端板厚度為40 mm.柱軸壓試驗采用量程為5 000 kN 的電液伺服壓力機進行加載.在上下加載端板之間、節點處的橫隔板之間分別布置拉線位移計L1、L2、L3、L4，以測量軸壓試驗過程中的相對位移；在節點鋼管上粘貼環向和軸向的應變片以測量應變.

圖3 軸壓試驗Fig.3 Axial compression testing

2.3.2 軸拉試驗

軸拉試驗的加載裝置、試件尺寸和測點布置如圖4 所示.節點總長438 mm，兩側各焊接長300 mm 的200 mm×200 mm×8 mm 方鋼管，試件端板厚度為40 mm，端板兩側再焊接耳板與臥式拉力機的耳板連接.柱軸拉試驗采用量程為3 000 kN 的臥式拉力機進行加載.在上下加載端板之間、節點處的橫隔板之間分別布置拉線位移計L5、L6、L7、L8，以測量軸拉試驗過程中的相對位移；在節點鋼管的上部和下部分別粘貼豎向的應變片以測量軸向應變.

圖4 軸拉試驗Fig.4 Axial tension testing

2.3.3 抗彎試驗

抗彎試驗的加載裝置、試件尺寸和測點布置如圖5 所示.柱抗彎試件采用4 點加載的方式加載，節點兩側各焊接長1 500 mm 的200 mm×200 mm×8 mm方鋼管.抗彎試驗采用千斤頂施加壓力，使用1 000 mm 長的分配梁將壓力施加在試件上.分配梁與構件之間設置鉸支座，同樣試件兩端也設置鉸支座.中間純彎段的長度為900 mm，兩側剪跨段各為1 230 mm.采用力傳感器記錄千斤頂的荷載數值，采用位移計測量試件的豎向位移，采用應變片捕捉試件的變形發展情況.

圖5 抗彎試驗Fig.5 Flexural testing

3 試驗結果與分析

3.1 軸壓試驗

3.1.1 破壞模態

圖6 所示為軸壓試件的破壞模態.在軸向壓力作用下，節點柱構件均表現為上、下空鋼管的局部屈曲失穩破壞，中間節點未出現明顯的破壞現象.

圖6 軸壓試件的破壞模態Fig.6 Failure modes of the axial compression specimens

發生這種現象的原因如下：節點處鋼管在軸向壓力作用下的接縫被壓緊，內部灌漿料和鋼筋與外部鋼管形成了一個類似鋼管混凝土的整體構件，其抗壓承載力遠高于上、下兩側的空鋼管.軸壓試件發生上、下兩側空鋼管屈曲破壞，表明此節點具有較好的抗壓承載能力.

3.1.2 荷載-位移曲線

圖7 表示軸壓試件的荷載-位移曲線，不同鋼筋直徑的柱構件的荷載-位移曲線基本一致.鋼筋直徑d ＝14 mm 的構件極限荷載 2 次試驗分別為2 471.5 kN、2 516.0 kN，對應的整個柱子位移分別為7.0 mm、5.9 mm，中間節點位移分別為 0.83 mm、0.72 mm；鋼筋直徑d＝18 mm 的構件極限荷載2 次試驗分別為2 496.0 kN、2 494.6 kN，對應的整個柱子位移分別為6.2 mm、6.2 mm，中間節點位移分別為0.72 mm、0.79 mm.

圖7 軸壓試件的荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves for the axial compression specimens

4 根構件之間的軸壓承載力約為鋼管截面屈服承載力的97%，中間節點位移僅占構件整體位移的11%左右，壓力作用下節點的變形很小.這表明中間節點的抗壓承載力高于鋼管柱，并且鋼管柱達到屈服后才出現了屈曲現象.

3.1.3 應變分析

圖8 所示為軸壓試件的節點鋼管表面應變，圖中V表示軸向，H表示環向.在軸壓作用下，中間節點類似于鋼管混凝土的受力模式，鋼管在水平向(軸向)表現為壓力，環向表現為壓力，并且隨著鋼筋直徑的增大，鋼筋對灌漿料的約束越強，鋼管的環向應力減小.

圖8 軸壓試件中鋼的應變Fig.8 Strain of steel in axial compression specimens

3.1.4 受力機理分析

圖9 表示軸壓試件的受力機理.軸向壓力通過端板傳遞至上、下兩段鋼管柱，進一步傳遞至中間節點處鋼管，上、下柱之間的膠接縫被壓緊.中間節點類似于鋼管混凝土的受力模式，鋼管在軸向上為壓力，環向為拉力約束灌漿料，內部灌漿料為三向受壓狀態，并且能夠有效防止鋼管的屈曲變形.因此，中間灌漿插筋式節點的抗壓承載力遠高于兩側鋼管柱，軸壓試件發生上、下兩側空鋼管屈曲破壞.

圖9 軸壓試件的受力機理Fig.9 Mechanical mechanism in axial compression specimens

3.1.5 承載力設計方法

在軸向壓力作用下，根據以上分析可知，灌漿插筋式節點的抗壓承載力遠高于兩側鋼管柱，整個柱構件的承載力由空鋼管柱決定，柱構件的承載力的計算式為

式中：Fc表示柱構件在軸向壓力作用下的屈服承載力；A 表示鋼管的有效截面積；fy表示鋼的屈服強度.

3.2 軸拉試驗

3.2.1 破壞模態

圖10 表示軸拉試件的破壞模態.在軸向拉力作用下，試件在節點的連接膠縫處發生分離，并且內部灌漿料也出現了開裂.剖開鋼管后，觀察到內部灌漿料表面出現了如圖10 所示的斜向裂縫.

圖10 軸拉試件的破壞模態Fig.10 Failure modes of the axial tension specimens

3.2.2 荷載-位移曲線

圖11 為軸拉試件的荷載-位移曲線.鋼筋直徑d＝14 mm 的構件的鋼筋直徑較小，在拉伸過程中鋼筋發生屈服，為延性破壞，因此荷載-位移曲線延性較好，2 次試驗的極限荷載為901.8 kN、904.8 kN，對應的整個柱子的位移為18.0 mm、13.5 mm，中間節點的位移為15.1 mm、11.6 mm.鋼筋直徑d＝18 mm 的構件的鋼筋直徑較大，在拉伸過程中鋼筋發生屈服，灌漿料發生開裂，為脆性破壞，因此荷載-位移曲線表現出脆性破壞特征，2 次試驗的極限荷載為1 102.7 kN、1 017.0 kN，對應的整個柱子的位移為 7.4 mm、4.5 mm，中間節點的位移為4.9 mm、2.1 mm.

圖11 軸拉試件的荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves for the axial tension specimens

鋼筋直徑d＝14 mm 的構件的極限承載力約為鋼管極限承載力的28%，鋼筋直徑d＝18 mm 的構件約為32%；d＝18 mm 構件的極限位移約為d＝14 mm構件的40%.這表明隨著鋼筋直徑的增大，試件的極限抗拉承載力增大、延性減小.

3.2.3 應變分析

圖12 所示為軸拉試件的節點鋼管表面應變.在拉力作用下橫隔板發生彎曲，造成節點鋼管表面的軸向應變存在差異，S2＞S1≈S3，并且，下段柱的鋼管表面應變差異更為明顯.

圖12 軸拉試件中鋼的應變Fig.12 Strain of steel in axial tension specimens

3.2.4 受力機理分析

圖13 表示軸拉試件的受力機理.在拉力作用下鋼管膠縫處開裂，橫隔板發生彎曲，灌漿料表面出現如圖所示的斜向裂縫.如圖13 的1-1 截面所示，拉力通過鋼管傳遞至節點兩側橫隔板，橫隔板將拉力傳遞給焊接于橫隔板上的8 根鋼筋；上、下兩側的鋼筋依靠灌漿料實現搭接傳遞拉力.如截面2-2 所示，橫隔板在鋼管和鋼筋的拉力作用下發生彎曲，使得拉力在8 根鋼筋中的分配不均勻.

圖13 軸拉試件的受力機理Fig.13 Mechanical mechanism in axial tension specimens

3.2.5 承載力設計方法

在軸向拉力作用下，根據以上分析可知，節點的拉力依靠鋼筋之間的搭接傳遞.因此，抗拉承載力可表示為焊接鋼筋的抗拉承載力，并且需引進一個折減系數Ψ 以考慮由于橫隔板的彎曲而造成的鋼筋受力不均.軸拉試件承載力Ft計算式為

式中：Ψ 表示鋼筋受力不均的折減系數，根據T14 和T18 試件的試驗結果計算得到的Ψ 約為0.9 和0.7；n表示單側鋼筋數量；fy,b表示鋼筋的屈服強度；Ab表示鋼筋截面積.

3.3 抗彎試驗

3.3.1 破壞模態

圖14 為抗彎試件的破壞模態.如圖所示，在彎矩作用下，柱子在節點的連接縫隙處發生開裂，其余部位未出現明顯變形.在節點連接縫隙處，內部灌漿料形成橫向裂縫.

圖14 抗彎試件的破壞模態Fig.14 Failure modes of the flexural specimens

3.3.2 荷載-位移曲線

圖15 為抗彎試件的荷載-位移曲線，圖中屈服點采用馮鵬等[20]提出的最遠點法進行定義.

圖15 抗彎試件的荷載-位移曲線Fig.15 Load-displacement curves for the flexural specimens

鋼筋直徑d＝14 mm 的構件的鋼筋直徑較小，節點受彎過程中下方受拉，鋼筋發生屈服，試件表現出延性破壞，因此荷載-位移曲線延性較好，2 次試驗的屈服荷載為 127.7 kN、129.1 kN，對應的彎矩為78.5 kN·m、79.4 kN·m，加載點位移為20.4 mm、22.5 mm；極限荷載為155.8 kN、169.5 kN，對應的彎矩為 95.9 kN·m、104.2 kN·m，加載點位移為42.4 mm、50.9 mm.鋼筋直徑d＝18 mm 的構件的鋼筋直徑較大，在拉伸過程中表現為灌漿料的開裂破壞，為脆性破壞，因此荷載-位移曲線的延性較差，其屈服荷載為 162.9 kN、167.2 kN，對應的彎矩為100.2 kN·m、102.8 kN·m，加載點位移為26.1 mm、26.9 mm；極限荷載為195.7 kN、218.9 kN，對應的彎矩為 120.4 kN·m、134.6 kN·m，加載點位移為62.8 mm、64.7 mm.

鋼筋直徑d＝14 mm 的構件的屈服承載力和極限承載力約為鋼管承載力的37%；鋼筋直徑d＝18 mm 的構件的屈服承載力和極限承載力約為鋼管承載力的47%.d＝18 mm 構件的極限位移約為d＝14 mm 構件的80%；d＝18 mm 構件的極限位移約為d＝14 mm 構件的71%.這表明隨著鋼筋直徑的增大，試件的極限抗拉承載力增大、延性減小.

3.3.3 試件整體變形

圖16 所示為抗彎試件整體變形.在4 點彎加載試驗中，柱的中間節點段僅承受彎矩作用，兩端的剪跨段受到剪力與彎矩的共同作用.如圖16 所示，構件豎向位移自中部向兩側逐漸減小，中部的位移最大.隨著鋼筋直徑的增加，試件的屈服位移和極限位移均增大.

圖16 抗彎試件整體變形Fig.16 Overall deformation of the flexural specimens

3.3.4 應變分析

圖17 表示柱抗彎試件節點處鋼管的應變隨拉力增長的變化情況.如圖17(a)和(c)所示，節點柱構件在彎矩作用下，鋼管上部應變為負值，承受壓力.如圖17(b)和(d)所示，節點柱構件在彎矩作用下，鋼管下部應變為正值，承受拉力.當構件達到屈服承載力時，上部鋼管各部位均處于彈性狀態；當構件達到極限承載力時，上部鋼管中間位置處達到屈服.當構件達到屈服承載力和極限承載力時，下部鋼管各部位均處于彈性狀態.

圖17 抗彎試件中鋼的應變Fig.17 Strain of steel in flexural specimens

3.3.5 受力機理分析

圖18 表示柱抗彎試件的受力機理，4 點加載使中間節點處于受彎狀態，在節點膠縫截面上形成塑性鉸.上部壓力由鋼管傳遞至橫隔板，并分散至上部鋼管、灌漿料和鋼筋中，鋼管膠接縫壓緊.下部拉力由鋼管傳遞至橫隔板，進而傳遞至焊接的鋼筋上，鋼筋之間依靠灌漿料實現搭接傳遞拉力；在鋼筋雙向拉力的作用下，灌漿料產生了自下而上的斜向裂縫；鋼管膠縫在拉力作用下發生開裂.

圖18 柱抗彎試件的受力機理Fig.18 Mechanical mechanism in flexural specimens

3.3.6 承載力設計方法

根據以上分析，節點在彎矩作用下，上部鋼管、灌漿料和鋼筋承擔壓力，而下部僅靠鋼筋承擔拉力.因此，在節點的塑性鉸區，中性軸偏上.節點的抗彎承載力計算式為

式中：Ab表示鋼筋截面積；y1和y2分別表示鋼筋距離節點構件幾何中心的距離，分別為21 mm 和63 mm；fy,b表示鋼筋的屈服強度；e 表示節點構件中性軸的偏心距離，根據F14 和F18 試件的試驗結果計算得到的偏心距離分別為12 mm 和30 mm.

4 結 論

本文提出了一種灌漿插筋式模塊鋼結構連接節點形式，并采用試驗和理論分析的方法，對節點柱的軸壓性能、軸拉性能和受彎性能進行了深入研究，并得到了相應的承載力計算方法，得到了以下結論.

(1) 在軸向壓力作用下，此節點上下兩側空鋼管發生屈曲破壞，軸壓承載力約為空鋼管截面屈服承載力的97%，表明此節點具有較好的抗壓承載能力；不同鋼筋直徑的試件的荷載-位移曲線基本吻合，表明節點的抗壓承載力與鋼筋直徑無關.

(2) 在軸向拉力作用下，柱軸拉試件在節點的連接縫隙處發生分離，灌漿料表面呈現了斜向裂縫；在鋼筋直徑為14～18 mm 的范圍內，構件的極限抗拉承載力為鋼管極限承載力的28%～32%，并且隨著鋼筋直徑的增大，試件的極限抗拉承載力增大、延性減小.

(3) 在彎矩作用下，試件一側受拉、另一側受壓，在節點的連接縫隙處鋼管發生開裂，受拉區灌漿料形成斜向裂縫；在鋼筋直徑為14～18 mm 的范圍內，構件的抗彎承載力為鋼管承載力的37%～47%，并且隨著鋼筋直徑的增大，試件的極限抗拉承載力增大、延性減小，試件的屈服位移和極限位移均增大.