裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)硫氧鎂復(fù)合外墻板抗彎承載能力研究

丁道軍，湯昊，夏睿，卜平，翁惠廉

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，為了滿足用電負(fù)荷，提高供電能力，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的要求，裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站具有占地少、工期短、造價低等優(yōu)勢，更容易滿足國家電網(wǎng)公司提出的“兩型一化”（資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化）和“三通一標(biāo)”（通用設(shè)計、通用造價、通用設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝）的要求，因此得到迅速推廣發(fā)展。

外墻板是裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)中重要的圍護(hù)部件，一般屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有保溫隔熱、遮風(fēng)擋雨以及裝飾功能，對節(jié)能減排，維持房屋內(nèi)的建筑環(huán)境具有重要作用。墻板安裝是否便捷，也在很大程度上影響裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工周期。

王靜峰等[1]對足尺寸輕鋼龍骨填充玻化微珠泡沫混凝土復(fù)合墻板施加均布荷載進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，研究復(fù)合墻板的荷載-撓度關(guān)系和破壞模式。谷倩等[2]對新型泡沫混凝土外掛墻和框架的連接點(diǎn)進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)，對比了不同形式的連接點(diǎn)對承載力的影響。張之曄[3]對新型裝配式預(yù)制夾芯保溫墻板的力學(xué)性能進(jìn)行靜力下的應(yīng)力應(yīng)變研究和反復(fù)加載下結(jié)構(gòu)的吸能作用，配合數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果對比，給出了墻板的設(shè)計建議。李婷婷等[4]對改性氯鎂板材的正截面抗彎承載力進(jìn)行試驗(yàn)，得到其裂縫產(chǎn)生、開裂荷載和抗彎極限荷載等。

裝配式硫氧鎂-冷彎薄壁型鋼復(fù)合墻板利用冷彎薄壁C型鋼作為承載骨架，以中低密度硫氧鎂作為填充料，以高密度硫氧鎂板材作為外墻材料。冷彎薄壁C 型鋼龍骨承載力高，便于安裝在框架梁上，連接節(jié)點(diǎn)承載力高；硫氧鎂水泥強(qiáng)度高，且無氯離子，對內(nèi)部龍骨無腐蝕性。墻板整體具有承載高、質(zhì)量輕、耐火性能好、隔熱性能好、裝配性好等優(yōu)點(diǎn)。

為充分了解復(fù)合墻板的受力性能，模擬墻板的實(shí)際工作狀態(tài)，對兩塊墻板試件及連接件進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)。墻板試件由上海鎂寶材料科技有限公司加工制作，共有兩塊，外廓尺寸均為3000 mm×1600 mm×160 mm，具體構(gòu)造如圖1 所示。其中1#墻板在圖示的三個位置布置了尺寸為650 mm×200 mm×40 mm 的聚苯減重塊以替換原來的中低密度硫氧鎂填充料，自重為540 kg；2#墻板的內(nèi)部填充材料全部為硫氧鎂聚苯減重材，自重557 kg。主龍骨（LG1）規(guī)格為C140×50×20×3.0，次龍骨（LG2）規(guī)格為C140×50×20×2.0，斜撐的規(guī)格為L40×40×3.0。按照GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼技術(shù)規(guī)范》計算得到龍骨體系的抗彎承載力為15.4 kN·m。

圖1 復(fù)合墻板構(gòu)造

1 裝配式硫氧鎂復(fù)合墻板抗彎承載能力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

墻板抗彎試驗(yàn)是為了研究墻板在垂直于板面的荷載（主要是風(fēng)荷載）作用下的承載能力，試驗(yàn)時用專門加工的節(jié)點(diǎn)連接件將墻板豎直固定在上、下加載鋼梁，以模擬外墻板在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的實(shí)際支承條件，加載鋼梁用M30 高強(qiáng)螺栓固定在反力架上。由于板處于直立狀態(tài)，無法在板面施加垂直于板面的均布荷載，故在墻板上、下支座節(jié)點(diǎn)之間的中線位置用千斤頂配合分配梁施加線荷載。

在試驗(yàn)過程中在墻板跨中設(shè)置3 個位移計（位移計9、10、11），在每個節(jié)點(diǎn)處安放2 個位移計測量節(jié)點(diǎn)處的位移和轉(zhuǎn)角。試驗(yàn)加載裝置和位移計布置如圖2 所示。圖中位移計的間距如表1 所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置和位移計布置

表1 節(jié)點(diǎn)抗彎試驗(yàn)位移計間距 mm

1.2 加載過程

檢查就緒后開始施加荷載，根據(jù)GB/T 30100—2013《建筑墻板試驗(yàn)方法》與JGT 169—2016《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》的加載要求，1#墻板在荷載達(dá)到20 kN 之前，每級加載5 kN，在20 kN 之后，每級加載2.5 kN，直至破壞。加載過程中未見墻板有明顯變形和肉眼可見的裂縫，直至荷載達(dá)到40 kN 時，有墻板發(fā)出“砰”的響聲，但是仔細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)有明顯破壞，考慮到是支座處連接的緊密度不足從而發(fā)生了滑移導(dǎo)致。繼續(xù)加載，當(dāng)荷載增至55 kN 時，墻板發(fā)生第二次響聲，墻板突然出現(xiàn)了寬度約為5 mm 的裂縫，墻板發(fā)生明顯變形[圖3（a）]。繼續(xù)加載至57.5 kN 時，墻板裂縫持續(xù)擴(kuò)大，千斤頂無法繼續(xù)施加荷載，裂縫寬度和墻板變形急劇增大，墻板的側(cè)面也可以看到近乎貫穿厚度方向的裂縫[圖3（b）]。停止加載后對節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)位置的龍骨進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的變形，可見所設(shè)計的節(jié)點(diǎn)與龍骨均具有較強(qiáng)的承載能力。

圖3 1#墻板破壞情況

基于1#墻板的試驗(yàn)過程與結(jié)果，2#墻板加載時，開始階段每級加載5 kN，當(dāng)荷載達(dá)到40 kN 后，每次加載2.5 kN。2#墻板與1#墻板的表現(xiàn)比較類似，最終破壞荷載為55 kN。墻板面沒有開裂，而是在龍骨破壞發(fā)生很大的變形之后，外貼面板與龍骨之間的自攻釘連接破壞。墻板破壞后，板與加載梁的連接件以及與連接件相連的C 型鋼龍骨也都沒有明顯的變形。2#墻板破壞時的照片如圖4 所示。

圖4 2#墻板破壞情況

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 板抗彎承載力

在跨中集中荷載作用下，硫氧鎂復(fù)合墻板表現(xiàn)出出色的承載能力，破壞荷載達(dá)到55 kN，此時跨中彎矩34.5 kN·m，約為墻板自重的10 倍，相當(dāng)于可以承擔(dān)20 倍墻板自重產(chǎn)生的彎矩。GB/T 30100—2013 對于墻板抗彎承載力的規(guī)定為板面堆載不低于墻板自重的1.5 倍，考慮到墻板豎放，通過千斤頂和分配梁施加的荷載產(chǎn)生的彎矩需要達(dá)到自重彎矩的2.5 倍即可，因此所試驗(yàn)的墻板抗彎承載力遠(yuǎn)大于GB/T 30100—2013 的要求。

2.2 節(jié)點(diǎn)連接件抗彎承載力

在試驗(yàn)過程中，墻板與加載鋼梁的節(jié)點(diǎn)連接件，包括龍骨與連接件的連接焊縫、螺栓、板件均未發(fā)生明顯變形，說明墻板節(jié)點(diǎn)連接件具有足夠的承載能力。

2.3 墻板變形

在跨中荷載作用下，墻板跨中的位移如圖5 所示。

由圖5（a）可見，當(dāng)荷載小于50 kN 時，荷載-位移曲線呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，復(fù)合墻板的龍骨處于彈性階段，達(dá)到彈性極限時，墻板的跨中位移約為20 mm；當(dāng)龍骨屈曲或者進(jìn)入塑性狀態(tài)后，板的變形急劇增加，迅速達(dá)到50 mm 以上，且荷載無法繼續(xù)增大。

圖5 墻板跨中荷載-位移曲線

2.4 節(jié)點(diǎn)處位移和轉(zhuǎn)角

兩塊墻板在上下部連接節(jié)點(diǎn)處的位移如圖6 所示。

圖6 墻板節(jié)點(diǎn)處位移

由圖6 可以看出，墻板上部連接節(jié)點(diǎn)處位移很小，不超過1.5 mm，下部節(jié)點(diǎn)在初始階段較小，存在部分位移跳動現(xiàn)象，說明此處連接緊密的緊密型需要進(jìn)一步加強(qiáng)，荷載達(dá)到一定值的時候會出現(xiàn)滑動，要改善這一狀況，需采用更緊密的連接方式。

兩塊墻板在上下部連接節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角如圖7 所示。

圖7 墻板節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)角

由圖7 可以看出，墻板上部節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角比較小，后期轉(zhuǎn)角發(fā)展是因?yàn)辇埞蔷植壳约八苄伟l(fā)展；下部節(jié)點(diǎn)開始的時候轉(zhuǎn)角也比較小，后期轉(zhuǎn)角較大，根據(jù)試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象觀察可知是龍骨發(fā)生局部屈曲和彎扭變形導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

通過對兩塊裝配式硫氧鎂復(fù)合墻板的抗彎試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）所進(jìn)行試驗(yàn)的墻板抗彎試驗(yàn)及墻板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)抗彎試驗(yàn)都表現(xiàn)出了很強(qiáng)的承載能力，遠(yuǎn)高于GB/T 30100—2013 的要求。

（2）1#墻板和2#墻板破壞時面板破壞情況不同，但破壞時的荷載很接近，可見裝配式復(fù)合墻板的面板對于抗彎承載力的貢獻(xiàn)不大，隨著龍骨破壞，抗彎面板也隨之開裂，或者面板與龍骨的連接發(fā)生破壞。

根據(jù)GB 50018—2002 計算得到龍骨的抗彎承載力為15.4 kN·m，而試驗(yàn)破壞荷載為55 kN，相當(dāng)于實(shí)際抗彎承載力為34.5 kN·m，遠(yuǎn)高于計算值。除了鋼材超強(qiáng)因素的影響之外，填充料和面板對冷彎薄壁型鋼的局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)可能有一定的貢獻(xiàn)，這方面需進(jìn)一步研究。

（3）當(dāng)墻板達(dá)到其抗彎承載力極限值時，墻板與鋼梁的連接件沒有破壞，但下掛點(diǎn)連接件不夠緊密，導(dǎo)致了沒有明顯規(guī)律的滑移?？梢姽?jié)點(diǎn)的抗彎承載力不是制約墻板抗彎承載力的因素，但在設(shè)計節(jié)點(diǎn)時不但要保證安裝方便，還要盡量使連接件結(jié)合緊密。