吊顶主次龙骨节点受剪和受弯性能试验研究

王 勇，蒋欢军，吴 宸

(1. 同济大学土木工程防灾国家重点试验室，上海 200092；2. 同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系，上海 200092)

近些年发生的地震表明[1-3]，建筑主体结构的地震损伤较小，但非结构构件的地震易损性导致其震害突出，其破坏造成的经济损失往往会超过结构构件破坏带来的损失，常常造成建筑功能的中断，也给人员的生命安全带来极大的风险[4]。

目前国内外关于结构的抗震性能研究已趋于完善，且形成了比较完善的抗震设计规范。但对非结构构件的抗震性能研究相对比较滞后[5-6]，尚未形成完善的抗震设计方法。吊顶作为一种非结构构件，常用作建筑中的机电设备和通风设施等工程的隐蔽层[7]。矿棉板吊顶因具有装饰美观和便于拆卸检修等优点，在公共建筑中应用广泛。矿棉板吊顶是由承力构件、龙骨骨架和矿棉板等组成的系统。建筑结构遭遇地震作用时，矿棉板吊顶极易发生破坏，其抗震能力严重不足。研究表明[8-9]，主次龙骨节点是矿棉板吊顶的抗震薄弱部位，其失效是造成吊顶破坏的重要原因之一，节点一旦破坏，周围的面板失去支撑发生坠落，节点失去周围面板的约束，进一步加剧吊顶的破坏程度，甚至导致吊顶的倒塌。

近年来，国内外学者针对矿棉板吊顶中的主次龙骨节点的抗震性能开展了相关研究。Paganotti等[10]和Dhakal 等[11]通过单调加载试验研究了主次龙骨节点的破坏机理，建立了节点的易损性曲线，试验结果表明，节点在单调拉伸加载下破坏集中于次龙骨接头处，在单调压缩加载下破坏形式表现为节点压屈。节点在受剪试验中的破坏形态为次龙骨接头从主龙骨插孔中脱出。易损性分析结果表明，节点在单调压缩比单调拉伸加载下的易损性更高。Pourali[12]通过单调加载试验研究了抗震夹对主次龙骨节点抗震性能的影响，结果表明，抗震夹提高了节点的承载能力、残余强度和延性性能。Soroushian 等[13-15]通过单调加载和低周往复加载试验系统研究了主次龙骨节点的轴向受力、受剪和受弯性能，分析了节点的破坏机制和滞回性能，以控制节点破坏的指标(承载力或位移)为工程需求参数建立了节点的易损性曲线，利用有限元软件OpenSEES 中的零长度单元和Pinching4 单轴材料建立了节点的恢复力模型。宋喜庆[16]通过单调加载试验分析了主次龙骨节点的破坏荷载，结果表明，节点的破坏荷载主要由次龙骨接头处的弯折程度和接头中凸片的接触概率控制。

综上可知，各国学者们大多采用单调加载试验研究主次龙骨节点的抗震性能，这与节点在实际地震中承受反复荷载作用的特点不符。其次，学者们对节点轴向受力性能的研究较为成熟，但对节点的受剪和受弯性能的研究相对比较缺乏。另外，不同国家和地区的矿棉板吊顶中的构件类型和构件材料有一定差异，导致主次龙骨节点的细部构造和抗震能力有所不同，因此上述研究成果的适用性较差。本文通过单调加载和低周往复加载试验研究了矿棉板吊顶中的主次龙骨节点的受剪和受弯性能，分析了其破坏模式、承载力、变形能力、滞回性能和耗能能力，并基于试验结果建立了节点的易损性曲线。

1 试验概况

本文以矿棉板吊顶中的主次龙骨节点为试验对象，如图1 所示。主次龙骨节点由两个次龙骨穿过主龙骨插孔机械卡扣实现。次龙骨接头处构造复杂，由锁扣、双锁槽板、上下侧翼和铆接孔组成，共同决定了节点能力。

试件分为2 类，共32 个试件，试验类型包括受剪试验和受弯试验，加载方式包括单调加载和低周往复加载，单调加载试验中的正向、负向分别指加载端向上、向下加载，加载方向包括主轴加载和次轴加载(根据试件节点中次龙骨截面方向定义节点的主次轴方向，见图2)，试件信息详见表1。试件编号由3 部分组成：试验类型-加载类型-试件号，试验类型中CJS 和CJB 分别代表主次龙骨节点受剪试验和受弯试验，加载类型中A 和B 分别代表主轴和次轴，其后数字1、2 和3 分别表示正向、负向和低周往复加载，试件号中C 代表主次龙骨节点，后接数字表示试件序号。主次龙骨节点主轴受剪试件由1 个长度为60 mm 的主龙骨段和2 个长度为200 mm 的次龙骨段构成，主次龙骨节点次轴受剪试件由1 个长度为200 mm 的主龙骨段和2 个长度为200 mm 的次龙骨段构成，主次龙骨节点主轴受弯试件由1 个长度为60 mm的主龙骨段和2 个长度为170 mm 的次龙骨段构成，主次龙骨节点次轴受弯试件由1 个长度为200 mm 的主龙骨段和2 个长度为170 mm 的次龙骨段构成。试件中的主龙骨和次龙骨截面形状均为倒T 型。

图2 主次龙骨节点的主次轴定义 /mmFig. 2 Axis definition of main-cross tee joints

表1 试件的综合信息Table 1 General information of specimens

主次龙骨节点在地震作用中承受弯矩、剪力和轴力的共同作用，处于复合受力状态。因为试验设备的局限性开展主次龙骨节点在复合受力状态下的受力性能试验难度较大，因此本文对主次龙骨节点的受力性能试验进行了简化处理，先分别单独研究节点在轴力、剪力和弯矩作用下的受力性能，本文进行了受剪和受弯性能试验，轴向受力性能试验将另文介绍，加载时的边界条件与节点的实际情况也有一定出入，之后将在试验基础上结合理论分析和数值模拟综合分析节点在复合受力状态下的受力性能。图3 给出了主次龙骨节点主轴受剪和主轴受弯试件和受力图，次轴类似未列出。节点受弯试验中，节点单侧弯矩M和转角 θ按下式计算：

图3 试验类型和受力图Fig. 3 Test types and mechanical diagrams

式中：Fy为节点竖向荷载；L为节点与端部间距，L=170 mm；D为节点竖向位移。

试验的加载装置以主次龙骨节点主轴受剪试验为例进行说明。如图4 所示，采用电子万能试验机对试件进行加载，加载端的力传感器和外置位移计用于测量试件节点的剪力和剪切位移。设计钢框架用以安装试件并为其提供边界条件，试验过程中钢框架始终保持弹性。试件由水平向的2 个次龙骨和与其垂直的主龙骨通过机械卡扣连接形成，上、下钢板和垫块通过端部螺栓压紧次龙骨保证其不发生水平滑移，上、下钢板留出一定空间以保证试件节点在加载过程中处于受剪状态，加载板与主龙骨固定用以施加竖向荷载。

图4 加载装置示意图Fig. 4 Schematic of test setup

参照Retamales 等[17]推荐的加载制度，以位移控制对试件进行加载，加载速率为1 mm/s，低周往复加载采用的加载制度如图5 所示。

图5 低周往复试验的加载制度Fig. 5 Loading protocol of cyclic test

2 试验结果分析

2.1 破坏现象

2.1.1 主次龙骨节点主轴受剪的破坏现象

图6 给出了主次龙骨节点在主轴受剪低周往复加载试验中典型的破坏模式。节点破坏形式表现为大部分次龙骨插片完好，双锁槽板有轻微损伤，部分插片容易剪坏，主龙骨插孔处腹板和翼缘撕裂，最终的破坏形态为节点剪切破坏。在较大的竖向加速度下，吊顶隐蔽层中的机电设备可能与吊顶发生剧烈碰撞容易造成主次龙骨节点在主轴上发生剪切破坏。

图6 主次龙骨节点主轴受剪的破坏现象Fig. 6 Damage to main-cross tee joints in the strong axis during shear tests

2.1.2 主次龙骨节点次轴受剪的破坏现象

图7 给出了主次龙骨节点在次轴受剪低周往复加载试验中典型的破坏模式。节点破坏形式表现为次龙骨插片有明显的面外弯曲，插片中锁扣等部位有一定的变形，主龙骨腹板插孔扩大变形，最终的破坏形态为节点面外弯曲并脱出破坏。如果吊顶平面内的主龙骨构件方向上遭遇较强的地震作用，主次龙骨节点极易发生面外弯曲甚至直接脱出破坏。

图7 主次龙骨节点次轴受剪的破坏现象Fig. 7 Damage to main-cross tee joints in the weak axis during shear tests

2.1.3 主次龙骨节点主轴受弯的破坏现象

图8 给出了主次龙骨节点在主轴受弯低周往复加载试验中典型的破坏模式。节点破坏形式表现为过大的位移使得次龙骨插片直接从主龙骨插孔脱出，表现出显著的脆性破坏，大部分次龙骨插片保持完好，部分插片有轻微损伤，主龙骨腹板插孔扩大变形并有撕裂现象，最终的破坏形态为节点脱出破坏。吊顶中的主次龙骨节点在较大的竖向地震激励下可能发生主轴受弯脱出破坏，导致节点失去整体性，造成大量面板坠落。

图8 主次龙骨节点主轴受弯的破坏现象Fig. 8 Damage to main-cross tee joints in the strong axis during bending tests

2.1.4 主次龙骨节点次轴受弯的破坏现象

图9 给出了主次龙骨节点在次轴受弯低周往复加载试验中典型的破坏模式。节点破坏形式表现为次龙骨插片直接从主龙骨插孔脱出，有明显的脆性破坏特征，大部分次龙骨插片保持完好，变形小，部分插片中锁扣和双锁槽板有明显变形，主龙骨腹板插孔基本完好，最终的破坏形态为节点脱出破坏。与主次龙骨节点次轴受剪破坏时插片严重面外变形不同，节点次轴受弯破坏时次龙骨插片变形较小。同样，较大的水平加速度可能导致主次龙骨节点次轴受弯脱出破坏。另外，受弯试验中加载方向对主次龙骨节点的破坏模式影响小，节点都表现出脆性脱出破坏特征。

图9 主次龙骨节点次轴受弯的破坏现象Fig. 9 Damage to main-cross tee joints in the weak axis during bending tests

2.2 荷载-位移响应

2.2.1 承载力与变形性能

各试件的受剪和受弯试验结果分别见表2 和表3，表中数据取每组试件结果的平均值。由表2可知：① 节点在单调加载下主轴受剪承载力和变形能力与低周往复加载下基本一致，低周往复加载试验中正向和负向对应的试验结果相近，揭示了加载类型和加载方向对节点性能的影响较小；② 节点次轴受剪时，单调加载下承载力和变形能力是低周往复加载下的2 倍左右，这与两者的破坏时刻有关，单调加载下节点不易松动，节点脱出破坏较迟，使得节点能充分发挥其性能；③ 节点次轴受剪时的节点强度远低于主轴受剪时的节点强度，但次轴受剪时的变形能力更强，这与节点插片在次轴受剪时发生的面外变形有关。

表2 主次龙骨节点的受剪试验结果Table 2 Test results of main-cross tee joints during shear tests

表3 主次龙骨节点的受弯试验结果Table 3 Test results of main-cross tee joints during bending tests

由表3 可知：① 与节点主轴受剪类似，加载类型和加载方向对节点主轴受弯性能的影响较小；②节点次轴受弯时，低周往复加载比单调加载的节点承载力和变形能力下降较多，这与低周往复加载下节点因损伤累积容易过早脱出有关；③ 与节点主轴受弯试验结果对比，节点次轴受弯时强度更大，这与节点次轴受弯时节点插片中锁扣产生较大塑性变形甚至进入强化阶段从而提高了节点承载力有关。

2.2.2 滞回性能

试件的荷载-位移关系曲线如图10 所示，其中图10(a)、图10(c)、图10(e)和图10(g)分别为节点主轴受剪、次轴受剪、主轴受弯和次轴受弯典型的滞回曲线。由图可知：① 节点主轴受剪时滞回曲线的捏拢效应显著，有一定的耗能能力，有明显的滑移行为，这是因为在反复的剪力作用下，节点中的次龙骨插片使得主龙骨插孔产生持续的撕裂现象，导致节点在卸载至零和重新加载时有明显的滑移位移，正、负向承载力和变形能力基本一致，节点最大受剪承载力在1.2 kN 左右，与Soroushian等[13]的主次龙骨节点主轴受剪试验结果对比可知，两者的滞回曲线形状和滞回性能基本一致(图10(a))；② 节点主轴受剪时滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线比较一致，说明加载类型对节点主轴受剪性能影响较小(图10(b))；③ 节点次轴受剪时的滞回曲线形状与主轴受剪时类似，都表现出明显的捏拢效应和滑移行为，但次轴受剪时受剪承载力较小，这与节点次轴受剪时插片发生面外弯曲进而降低节点承载力有关(图10(c))；④ 节点次轴受剪时滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线的差异明显，这是由于节点在不同加载类型下脱出破坏时刻不同，低周往复加载下节点更容易松动以致于较早发生脱出破坏导致节点承载力和变形能力较小，但两者的初始刚度比较一致(图10(d))；⑤ 节点主轴受弯时滞回曲线的捏拢现象明显，节点最大受弯承载力约为12.0 kN·mm，与Soroushian 等[13]的主次龙骨节点主轴受弯试验结果相比，两者的滞回曲线形状差异较大，这是因为两者的节点由于构造细节不同导致破坏模式存在差异，Soroushian 等[13]研究的节点在主轴受弯时因节点中的锁扣撕裂而破坏，而本试验直到加载结束次龙骨插片基本完好，锁扣无撕裂，插片整体拔出(图10(e))；⑥ 节点主轴受弯时滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线基本一致，加载类型对节点主轴受弯性能影响较小(图10(f))；⑦ 节点次轴受弯时的滞回曲线表现出两种模式，两种模式的区别在于峰值点出现在不同的方向中，这主要与节点破坏时刻有关，若节点破坏时加载端正处于正向状态，则表现为模式1，否则为模式2。

图10 试件的荷载-位移关系曲线Fig. 10 Force-displacement relationship curves of specimens

2.2.3 耗能能力

图11(a)和图11(b)分别对比了试件在主次轴方向上受剪和受弯时的累积耗能(图中每条曲线为同组3 个滞回曲线的耗能均值)。节点主轴受剪比次轴受剪的耗能能力更强，但破坏时其变形能力更小。节点在同一转角下主轴和次轴受弯累积耗能比较一致，但主轴受弯破坏时的变形能力更强。

图11 试件受剪和受弯累积耗能对比Fig. 11 Comparison of the accumulated dissipated energy of specimens in shear and bending tests

3 易损性分析

易损性分析是指系统或构件遭遇不同强度地震作用时超越某一损伤极限状态的失效概率，假定失效概率服从对数正态分布[18]。设易损性函数为Fdm(edp) ， 其中dm为 损伤极限状态，edp为工程需求参数，试件达到某一损伤状态时的工程需求参数的中位值和对数标准差分别为xm和 β，则易损性函数可表示为：

式中： Φ为标准正态分布累积分布函数；M为试件数；i为试件序号；ri为第i个试件损伤时对应的工程 需 求 参 数； βu是 β的修正系数，取βu=0.25[19]。

主次龙骨节点在剪力或弯矩作用下表现为脆性破坏特征，且在破坏之前无其他明显的损伤状态，其损伤破坏状态与承载力密切相关，因此采用节点剪力或弯矩作为评价节点损伤的工程需求参数。主次龙骨节点受剪时，取节点剪力为EDP；主次龙骨节点受弯时，取节点弯矩为EDP。定义节点受剪或受弯破坏时的状态一种损伤状态DS1，DS1 的限值取节点破坏时对应的承载力。表4 给出了主次龙骨节点的易损性参数。

表4 主次龙骨节点的易损性参数Table 4 Fragility parameters of main-cross tee joints

主次龙骨节点受剪和受弯的易损性曲线如图12所示，由图可知：① 主次龙骨节点受剪时，50%超越概率下的主轴受剪承载力和次轴受剪承载力分别为1.037 kN 和0.312 kN，说明主次龙骨节点次轴受剪时更容易破坏；② 主次龙骨节点受弯时，50%超越概率下的主轴受弯承载力和次轴受弯承载力分别为7.967 和19.512，说明主次龙骨节点主轴受弯时易损性更高。需要说明的是，不同产品的主次龙骨节点在细部构造和材料性能等方面会存在差异，节点会表现出不同的受力性能，因此本文获得的易损性参数和易损性曲线只适用于与本文相同产品的节点。

图12 主次龙骨节点的易损性曲线Fig. 12 Fragility curves of main-cross tee joints

4 结论

本文对矿棉板吊顶中的主次龙骨节点进行了受剪和受弯性能试验和易损性分析，得到的主要结论如下：

(1) 主次龙骨节点主轴受剪时的破坏模式为节点剪切破坏，次轴受剪时的破坏模式为节点面外弯曲并脱出；主次龙骨节点受弯时的破坏模式为节点脱出破坏，加载方向对节点受弯破坏模式影响小。

(2) 与主轴受剪相比，主次龙骨节点次轴受剪时的节点强度更低，但次轴受剪时变形能力更强。与主轴受弯相比，主次龙骨节点次轴受弯时的节点强度更高，但次轴受弯时节点转动能力略低。

(3) 除主次龙骨节点次轴受剪外，节点在其余加载模式下荷载-位移滞回曲线的骨架曲线与单调加载曲线比较一致；节点受剪和受弯时的滞回曲线不饱满，有捏拢现象，耗能有限；节点次轴受弯时因破坏时刻的随机性有2 种滞回模式。

(4) 易损性分析表明，主次龙骨节点次轴受剪和主轴受弯时易损性更高。

(5) 鉴于主次龙骨节点容易发生脆性破坏，延性性能较差，节点次轴受剪及主轴受弯的承载力较弱，因此建议节点可从改进节点的构造形式等方面提高节点的延性性能和承载能力。在主次龙骨节点连接的过程中，应保证可以听到“咔嚓”的声音，只有这样才表明节点安装到位。吊顶的矿棉板上方不应放置重物，否则在地震作用下，矿棉板产生的较大惯性力会对节点的受力性能产生不利的影响。在吊顶实际的安装过程中，应保证吊顶与吊顶隐蔽层中的机电设备、消防管道和通风设施等有足够的间距，避免在地震作用下两者发生剧烈碰撞造成主次龙骨节点的破坏。