裝配式復合夾芯外掛墻板連接節點的抗拉壓性能研究

完海鷹，李亮亮 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

本文研究的夾心復合外掛墻板與鋼框架連接節點是依托實際工程為裝配式鋼結構住宅配套研制而成的，主要為了便于復合外墻板與鋼框架的連接。在實際工程中，復合外墻板分別通過2個上節點和2個下節點與鋼框架相連，2個下節點承受主要的豎向荷載。為了研究外掛墻板與主體結構連接節點在墻板自重、風荷載效應、地震作用下的節點承載性能，根據設計墻板采用“平移+轉動”的受力模式，實驗在簡化計算分析基礎上擬通過抗拉、抗壓試驗來檢驗墻板上節點、下節點的承載性能，考察上節點、下節點在抗拉、抗壓狀態下的破壞形式、極限承載力，從而檢驗上節點、下節點是否滿足實際工程的要求，也為夾心復合外掛墻板與鋼框架連接節點在裝配式鋼結構住宅工程的安全應用提供科學依據。

1 研究背景

近年來,隨著我國城鄉建設一體化進程的加速,住建部提出大力發展裝配式建筑的號召,住宅產業化速度不斷加快[1]。作為較早進行住宅產業化改革的國家,曰本裝配式的發展居于世界前沿,有很多值得借鑒之處。1955年,住宅產業化的概念首次在日本提出,隨后,日本政府制定了建設10年計劃,在快速發展后,進入了穩定平緩期[2]。1975年《工業化住宅性能認定規程》W及《工業化住宅性能認定技術基準》等規程在日本相繼出臺[3]。由于制定了完整適宜的住宅性能認定體系,預制裝配式建筑在日本如雨后春第般快速發展并在產業化的過程中起了引導作用,使得日本住宅的建設水平大大提高。如今,日本己建立SI體系[4],預制裝配精度極髙,遠遠領先其他國家。美國的住宅產業化起源于20世紀30年代[5]。20世紀50年代后,美國人口大幅増長,對于安置房的需求日益增加,住房資源極其稀缺。因此,人們將目光放在了汽車住房上,并在其基礎上,改進發展了裝配式住宅。NMHCSA于1976年由美國國會表決通過。同年,HUD出臺了一系列相關的建筑規范標準。如今,在美國,每16人中就有1人居住在裝配式住宅中。住宅用構件和部品標準化程度接近100%[6-8]。

2 實際工程6層建筑外墻板受力計算

工程背景：墻板尺寸為2.9m×4.5m，建筑高度為80m，B類場地，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g。

第一部分荷載分析

①計算圍護結構的風荷載標準值，按下式計算：

式中：ωk——風荷載標準值（kN/m2）；

βgz——高度z處的陣風系數；

μsl——風荷載局部體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

ω0——基本風壓（kN/m2）。

查規范可得，βgz=1.51，μsl=1.4，μz=1.87，ω0=0.35kN/m2

計算可得，風荷載反向標準值：ω-

k=1.38kN/m2

風荷載正向標準值：ω+k=0.99kN/m2

②計算外掛墻板的地震作用標準值可采用等效側力法，按下式計算：

式中：FEhk——施加于外掛墻板重心處的水平地震作用標準值；

βE——動力放大系數，可取5.0；

αmax——水平多遇地震影響系數最大值，應符合現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB50010的有關規定；

Gk——外掛墻板的重力荷載標準值（kN）；

A——外掛墻板的平面面積（m2）。

豎向地震作用標準值可取水平地震作用標準值的0.65倍。

查規范可得，βE=5.0，αmax=0.08，Gk=33.93kN

計算可得，FEhk=13.572kN

③作用組合

a.持久設計狀況

當風荷載效應起控制作用時：

當永久荷載效應起控制作用時：

b.地震設計狀況

在水平地震作用下：

在豎向地震作用下：

計算可得，在持久設計狀況下，當風荷載效應起控制作用時：

S-=65.93kN，S+=58.77kN

當永久荷載效應起控制作用時：

S-=60.93kN，S+=56.64kN

地震設計狀況下，在水平地震作用下：

S-Eh=63.40kN,S+Ev=61.97kN,

在豎向地震作用下：

SEV=52.18kN

比較可得：

對水平吸力來說，起控制作用的是持久設計狀況下，風荷載起控制作用時：S-=65.93kN

對水平壓力來說，起控制作用的是地震設計狀況下，在水平地震作用時：S+Ev=61.97kN

對豎向壓力來說，起控制作用的是在豎向地震作用下：SEV=52.18kN

3 試驗目的

①研究上節點、下節點在外荷載作用下的極限承載力，并與由規范計算得出的地震及風荷載作用下的節點承載力做對比；

②研究上節點、下節點在外荷載作用下的荷載-位移關系曲線規律；

③通過試驗研究得出相關結論，為夾芯復合外墻板與鋼框架的連接節點的推廣應用提供依據。

4 試驗加載裝置及加載制度

夾心復合外掛墻板與鋼框架連接節點性能試驗在合肥工業大學材料試驗室進行。上節點水平向抗拉試驗、下節點水平向抗拉試驗在拉力試驗機上進行，上節點水平向抗壓試驗、下節點水平向抗壓試驗、下節點豎向抗壓試驗在壓力試驗機上進行，加載方式為分級加載。

在正式加載之前先空載靜置2min，其目的在于使構件各部位接觸良好，使荷載與變形關系趨于穩定以及觀測儀表工作是否正常等。

下節點豎向抗壓試驗和水平向抗壓試驗：每級加載10KN，試驗前先空載靜置2min，然后進行加載，每級加載后靜置時間為5min，然后繼續加載直到試件破壞為止。

下節點水平向抗拉試驗：0kN～10kN每級加載2kN，10kN以后每級加載5kN，試驗前先空載靜置2min，然后進行加載，每級加載后靜置時間為5min，然后繼續加載直到試件破壞為止。

上節點水平向抗拉試驗和上節點水平向抗壓試驗：每級加載5kN，試驗前先空載靜置2min，然后進行加載，每級加載后靜置時間為5min，然后繼續加載直到試件破壞為止。

5 試驗量測及測點布置

通過在構件上布置應變片，采用DHDAS動態信號采集分析系統記錄試驗過程中試件關鍵部位發生的應變；通過在構件上布置百分表，來記錄試驗過程中關鍵部位發生的位移。

各節點的加載示意圖如圖1所示。

6 荷載-撓度關系曲線

各節點荷載位移關系曲線如圖2所示。

圖1 各節點加載點示意圖

7 結論

本文圍繞墻板的連接節點的抗拉壓性能進行了分析，得出的以下主要結論：

①節點在加載過程中首先處于彈性階段，位移隨著荷載的增加而均勻增大，當加載到一定值后，節點變形進入塑性階段，荷載位移曲線的斜率逐漸變小，位移隨著荷載的變化而變化加快。

②實驗的節點構件的抗拉壓承載力遠遠大于由規范計算得出的承載力，滿足規范設計要求。

圖2 各節點荷載位移關系曲線