裝配式復(fù)合夾芯外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的抗拉壓性能研究

完海鷹，李亮亮 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

本文研究的夾心復(fù)合外掛墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)是依托實(shí)際工程為裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅配套研制而成的，主要為了便于復(fù)合外墻板與鋼框架的連接。在實(shí)際工程中，復(fù)合外墻板分別通過(guò)2個(gè)上節(jié)點(diǎn)和2個(gè)下節(jié)點(diǎn)與鋼框架相連，2個(gè)下節(jié)點(diǎn)承受主要的豎向荷載。為了研究外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)在墻板自重、風(fēng)荷載效應(yīng)、地震作用下的節(jié)點(diǎn)承載性能，根據(jù)設(shè)計(jì)墻板采用“平移+轉(zhuǎn)動(dòng)”的受力模式，實(shí)驗(yàn)在簡(jiǎn)化計(jì)算分析基礎(chǔ)上擬通過(guò)抗拉、抗壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)墻板上節(jié)點(diǎn)、下節(jié)點(diǎn)的承載性能，考察上節(jié)點(diǎn)、下節(jié)點(diǎn)在抗拉、抗壓狀態(tài)下的破壞形式、極限承載力，從而檢驗(yàn)上節(jié)點(diǎn)、下節(jié)點(diǎn)是否滿足實(shí)際工程的要求，也為夾心復(fù)合外掛墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的安全應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究背景

近年來(lái),隨著我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)一體化進(jìn)程的加速,住建部提出大力發(fā)展裝配式建筑的號(hào)召,住宅產(chǎn)業(yè)化速度不斷加快[1]。作為較早進(jìn)行住宅產(chǎn)業(yè)化改革的國(guó)家,曰本裝配式的發(fā)展居于世界前沿,有很多值得借鑒之處。1955年,住宅產(chǎn)業(yè)化的概念首次在日本提出,隨后,日本政府制定了建設(shè)10年計(jì)劃,在快速發(fā)展后,進(jìn)入了穩(wěn)定平緩期[2]。1975年《工業(yè)化住宅性能認(rèn)定規(guī)程》W及《工業(yè)化住宅性能認(rèn)定技術(shù)基準(zhǔn)》等規(guī)程在日本相繼出臺(tái)[3]。由于制定了完整適宜的住宅性能認(rèn)定體系,預(yù)制裝配式建筑在日本如雨后春第般快速發(fā)展并在產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中起了引導(dǎo)作用,使得日本住宅的建設(shè)水平大大提高。如今,日本己建立SI體系[4],預(yù)制裝配精度極髙,遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他國(guó)家。美國(guó)的住宅產(chǎn)業(yè)化起源于20世紀(jì)30年代[5]。20世紀(jì)50年代后,美國(guó)人口大幅増長(zhǎng),對(duì)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(chǔ)上,改進(jìn)發(fā)展了裝配式住宅。NMHCSA于1976年由美國(guó)國(guó)會(huì)表決通過(guò)。同年,HUD出臺(tái)了一系列相關(guān)的建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。如今,在美國(guó),每16人中就有1人居住在裝配式住宅中。住宅用構(gòu)件和部品標(biāo)準(zhǔn)化程度接近100%[6-8]。

2 實(shí)際工程6層建筑外墻板受力計(jì)算

工程背景：墻板尺寸為2.9m×4.5m，建筑高度為80m，B類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。

第一部分荷載分析

①計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按下式計(jì)算：

式中：ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；

βgz——高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；

μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ω0——基本風(fēng)壓（kN/m2）。

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

計(jì)算可得，風(fēng)荷載反向標(biāo)準(zhǔn)值：ω-

k=1.38kN/m2

風(fēng)荷載正向標(biāo)準(zhǔn)值：ω+k=0.99kN/m2

②計(jì)算外掛墻板的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可采用等效側(cè)力法，按下式計(jì)算：

式中：FEhk——施加于外掛墻板重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

βE——?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)，可取5.0；

αmax——水平多遇地震影響系數(shù)最大值，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的有關(guān)規(guī)定；

Gk——外掛墻板的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

A——外掛墻板的平面面積（m2）。

豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可取水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的0.65倍。

查規(guī)范可得，βE=5.0，αmax=0.08，Gk=33.93kN

計(jì)算可得，F(xiàn)Ehk=13.572kN

③作用組合

a.持久設(shè)計(jì)狀況

當(dāng)風(fēng)荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)：

當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)：

b.地震設(shè)計(jì)狀況

在水平地震作用下：

在豎向地震作用下：

計(jì)算可得，在持久設(shè)計(jì)狀況下，當(dāng)風(fēng)荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)：

S-=65.93kN，S+=58.77kN

當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)：

S-=60.93kN，S+=56.64kN

地震設(shè)計(jì)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(duì)水平吸力來(lái)說(shuō)，起控制作用的是持久設(shè)計(jì)狀況下，風(fēng)荷載起控制作用時(shí)：S-=65.93kN

對(duì)水平壓力來(lái)說(shuō)，起控制作用的是地震設(shè)計(jì)狀況下，在水平地震作用時(shí)：S+Ev=61.97kN

對(duì)豎向壓力來(lái)說(shuō)，起控制作用的是在豎向地震作用下：SEV=52.18kN

3 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

①研究上節(jié)點(diǎn)、下節(jié)點(diǎn)在外荷載作用下的極限承載力，并與由規(guī)范計(jì)算得出的地震及風(fēng)荷載作用下的節(jié)點(diǎn)承載力做對(duì)比；

②研究上節(jié)點(diǎn)、下節(jié)點(diǎn)在外荷載作用下的荷載-位移關(guān)系曲線規(guī)律；

③通過(guò)試驗(yàn)研究得出相關(guān)結(jié)論，為夾芯復(fù)合外墻板與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

4 試驗(yàn)加載裝置及加載制度

夾心復(fù)合外掛墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)材料試驗(yàn)室進(jìn)行。上節(jié)點(diǎn)水平向抗拉試驗(yàn)、下節(jié)點(diǎn)水平向抗拉試驗(yàn)在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上節(jié)點(diǎn)水平向抗壓試驗(yàn)、下節(jié)點(diǎn)水平向抗壓試驗(yàn)、下節(jié)點(diǎn)豎向抗壓試驗(yàn)在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方式為分級(jí)加載。

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

下節(jié)點(diǎn)豎向抗壓試驗(yàn)和水平向抗壓試驗(yàn)：每級(jí)加載10KN，試驗(yàn)前先空載靜置2min，然后進(jìn)行加載，每級(jí)加載后靜置時(shí)間為5min，然后繼續(xù)加載直到試件破壞為止。

下節(jié)點(diǎn)水平向抗拉試驗(yàn)：0kN～10kN每級(jí)加載2kN，10kN以后每級(jí)加載5kN，試驗(yàn)前先空載靜置2min，然后進(jìn)行加載，每級(jí)加載后靜置時(shí)間為5min，然后繼續(xù)加載直到試件破壞為止。

上節(jié)點(diǎn)水平向抗拉試驗(yàn)和上節(jié)點(diǎn)水平向抗壓試驗(yàn)：每級(jí)加載5kN，試驗(yàn)前先空載靜置2min，然后進(jìn)行加載，每級(jí)加載后靜置時(shí)間為5min，然后繼續(xù)加載直到試件破壞為止。

5 試驗(yàn)量測(cè)及測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)在構(gòu)件上布置應(yīng)變片，采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中試件關(guān)鍵部位發(fā)生的應(yīng)變；通過(guò)在構(gòu)件上布置百分表，來(lái)記錄試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵部位發(fā)生的位移。

各節(jié)點(diǎn)的加載示意圖如圖1所示。

6 荷載-撓度關(guān)系曲線

各節(jié)點(diǎn)荷載位移關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 各節(jié)點(diǎn)加載點(diǎn)示意圖

7 結(jié)論

本文圍繞墻板的連接節(jié)點(diǎn)的抗拉壓性能進(jìn)行了分析，得出的以下主要結(jié)論：

①節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)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(dāng)加載到一定值后，節(jié)點(diǎn)變形進(jìn)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(shí)驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的抗拉壓承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由規(guī)范計(jì)算得出的承載力，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖2 各節(jié)點(diǎn)荷載位移關(guān)系曲線