外掛ALC 組合式搖擺節(jié)點試驗研究與數(shù)值模擬

崔建華，縱 達

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

建筑綠色低碳化發(fā)展，可以提升建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展質(zhì)量和效益[1]。近些年，裝配式建筑作為綠色建筑的一種得到了普遍應用，但與西方國家相比仍然有較大的差距[2]。現(xiàn)有主體結(jié)構(gòu)的設計、施工、運輸和安裝已經(jīng)基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是墻體施工以現(xiàn)場的濕作業(yè)為主，這會導致生產(chǎn)成本提高和建筑原材料浪費，對預制圍護墻體的研究勢在必行。有學者通過替換或添加蒸壓加氣混凝土（ALC）板中的原材料來研究它們的力學性能，改造后的ALC 板材抗拉和抗壓強度都有了明顯提升[3]。采用纖維材料進行平面內(nèi)加固可以提高結(jié)構(gòu)的抗剪和抵抗變形的能力[4-5]，ALC 墻板拼縫之間的粘結(jié)強度也可以通過改變填縫劑的材料來實現(xiàn)[6]。構(gòu)件之間的連接方式會影響結(jié)構(gòu)的受力性能，對于ALC 連接件的研究主要還是集中在U 型卡節(jié)點、鉤頭螺栓節(jié)點、滑動螺栓節(jié)點等傳統(tǒng)節(jié)點。但是對類似于梁柱連接、組合梁連接、疊合板拼縫之間的連接方式創(chuàng)新較少[7-12]。

基于上述情況，本文提出了一種ALC 外掛組合式搖擺節(jié)點，該節(jié)點不僅解決了施工誤差和節(jié)點安裝的問題，還優(yōu)化了外掛ALC 墻板，鋼框架組合結(jié)構(gòu)的受力性能。將其與傳統(tǒng)的外掛鉤頭螺栓節(jié)點組進行對比，分析滯回性能、骨架曲線、剛度退化、耗能能力等指標，同時對兩組節(jié)點進行有限元仿真分析，驗證兩組節(jié)點的抗震性能。

1 試驗設計

1.1 試件設計

通過對阜陽職業(yè)技術(shù)學院新校區(qū)建設項目中的ALC 外墻板安裝工程進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的ALC 墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接主要把角鋼固定在主體結(jié)構(gòu)上，再對ALC 墻板進行現(xiàn)場鉆孔和切槽，將墻板吊裝到位，通過螺栓孔道使用鉤頭螺栓與角鋼進行焊接。施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于螺栓孔道定位不精確導致鉤頭螺栓與角鋼無法準確焊接，以及工人按照經(jīng)驗隨意開槽導致過度損壞ALC 墻板。這不僅不利于保證墻板的整體性，還有可能導致墻板在地震中脫落，造成二次失穩(wěn)?；谏鲜龃嬖诘膯栴}，本文提出了一種組合式搖擺連接件，主要由上下兩部分組成，上部Z 節(jié)點的長圓孔一方面可以避免現(xiàn)場工人鉆孔不精準導致左右方向施工誤差；另一方面，在地震荷載作用下，突破螺栓摩擦力，螺栓在長圓孔中來回滑動，減少地震荷載對墻板的影響。上部Z 節(jié)點和L 節(jié)點的組合可以避免因為墻板螺栓孔道定位不準確導致的上下方向施工誤差。下部節(jié)點采用承托板與承重孔組合的形式，在地震的剪切波作用時，墻板將以下支托板為支點做擺動，適當減少地震荷載對墻板的影響，節(jié)點尺寸如圖1所示。

圖1 節(jié)點示意圖

1.2 試件設計

本試驗共制作了兩組試件FW1、FW2。其中：FW1 為 鉤 頭 螺 栓 外 掛ALC 墻 板 框 架，F(xiàn)W2 為組合式搖擺節(jié)點外掛ALC 墻板框架。試驗框架均為單層單跨，鋼梁與鋼柱采用栓焊連接，框架尺寸如圖2 所示。H 型鋼柱截面規(guī)格為H200×200×8×12，材料選用Q235B；H 型鋼梁截面規(guī)格為H244×175×7×11，材料選用Q235B。試件FW1、FW2 的墻板均采用5 塊規(guī)格相同的ALC 板材，ALC 板材的截面尺寸為3000 mm×600 mm×200 mm。

1.3 材性實驗

根據(jù)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的原則，本文設計的連接件選擇Q345 級鋼材，ALC 墻板選擇高迪生產(chǎn)的3.5 MPa 型蒸壓加氣混凝土板材。根據(jù)規(guī)范GB/T11969-2020《蒸壓加氣混凝土的試驗方法》[13]和GB/T228.1-2010《金屬材料-拉伸試驗》[14]對與試驗相同批次的ALC 墻板和鋼梁柱關(guān)鍵部位進行取材試驗，試驗結(jié)果見表1、表2。

表1 ALC 材性試驗結(jié)果

表2 鋼材材性試驗結(jié)果

1.4 試驗裝置

本次試驗在建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室進行，使用量程為±250kN 的MTS 作為加載裝置，如圖2 所示。依據(jù)規(guī)范GB50011-2019《建筑抗震設計規(guī)范》[15]采用1/600（5 mm）、1/500（6 mm）、1/400（7.5 mm）、1/350（8.6 mm）、1/300（10 mm）、1/250（12 mm）、1/200（15 mm）、1/100（30 mm）、1/75（40 mm）、1/50（60 mm）、75 mm、90 mm 和105 mm 等位移角，加載制度如圖3 所示。以推為正、以拉為負的方式進行位移加載，在試驗前采用米郎位移計和應變片采集關(guān)鍵位置的實時數(shù)據(jù)。

圖2 構(gòu)件安裝圖示意圖

圖3 加載制度圖

2 試驗現(xiàn)象與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試件的破壞主要分為以下幾個階段：①ALC墻板間拼縫砂漿的碎裂和脫落；②墻板出現(xiàn)小碎塊的脫落；③螺栓孔道被拉大或者出現(xiàn)八字形裂縫；④鋼梁柱連接處的焊縫出現(xiàn)斷裂。試驗現(xiàn)象之間的差異主要在于墻板破壞的產(chǎn)生時間和裂縫的開展程度，具體的試驗現(xiàn)象見表3 和圖4、圖5。

圖4 外掛鉤頭螺栓組試驗現(xiàn)象

圖5 組合式搖擺節(jié)點組試驗現(xiàn)象

表3 試驗現(xiàn)象

2.2 滯回曲線

試驗過程中MTS 系統(tǒng)自動記錄了各試件的滯回曲線，如圖6 所示。FW1 鉤頭螺栓組的極限荷載為168.88 KN，破壞荷載為143.55 KN；FW2 組合型新型連接節(jié)點組的極限荷載為200.1KN，破壞荷載為170.1 KN。新型節(jié)點的FW2 比FW1 的承載力更高，抵抗地震的能力更好。FW2 比FW1 的滯回曲線更加飽滿，包圍的面積更大，說明FW2 比FW1 耗能效果更好。從兩組曲線的對比中還可以觀察到它們的正向和反向數(shù)值都不對稱，其中反向的承載力值大于正向的承載力值。在加載初期，螺栓突破摩擦之后處于搖擺耗能狀態(tài)。當試驗進行到后期時，由于螺栓與長圓孔的邊界接觸，F(xiàn)W2 組表現(xiàn)出比FW1 組更高的剛度和承載能力。

圖6 滯回曲線

2.3 骨架曲線

在水平往復荷載作用下，荷載－位移曲線中各級加載第一次循環(huán)的峰值點所連接起來的外包絡線即為骨架曲線，可定性衡量結(jié)構(gòu)抗震性能，是研究非彈性構(gòu)件抗震性能的重要參數(shù)。對比圖7 兩組骨架曲線可知，加載初期FW1、FW2 骨架曲線趨勢相似，正向位移和反向位移不對稱。在到達彈塑性位移角1/50 之前，F(xiàn)W1 的承載力比FW2 的承載力小，這是由于螺栓在長圓孔中滑動，減少了地震荷載對墻板的沖擊。隨著位移增大，F(xiàn)W2 的峰值比FW1 的峰值提高了15.3%，此時FW2 組的螺栓孔道無明顯變化，而FW1 螺栓孔道周圍出現(xiàn)了明顯的八字形裂紋。FW2 組由于墻板表現(xiàn)出較好的隨動性能，延緩了梁柱連接處和ALC 墻板的破壞，保證了墻板的穩(wěn)定性和保溫性能。

圖7 骨架曲線

2.4 剛度退化

采用割線剛度（K）來反映兩組連接件在低周往復荷載加載作用下結(jié)構(gòu)累積損傷情況[16]，如下所示：

如圖8 所示，加載初期兩組構(gòu)件的斜率是定值且呈線性。經(jīng)過線彈性階段后，F(xiàn)W1 的數(shù)值略高于FW2，這是由于試件在長圓孔處產(chǎn)生滑移，有效釋放能量，避免墻板受到破壞。到了加載后期，F(xiàn)W2 下降斜率明顯小于FW1，說明螺栓到達限位后連接件可以提供很好的剛度。

圖8 剛度退化曲線

2.5 耗能分析

結(jié)構(gòu)耗散能量能力由力-位移曲線所封閉的面積（E）來衡量[16]，如式2 和圖9 所示：

圖9 耗散能力公式面積示意圖

式中，SABC為滯回曲線ABC 的面積；SCAD為滯回曲線CAD 的面積；SOBE為三角形OBE 的面積；SODF為三角形ODF 的面積。

結(jié)構(gòu)的能量耗散能力與滯回環(huán)的面積密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)耗散的能量越多，結(jié)構(gòu)就越安全，越不容易被損壞。如圖10 所示，兩組曲線的趨勢幾乎相同。在小位移時，因為構(gòu)件處于線彈性階段，兩曲線基本重合。隨著位移的增加，兩組曲線的分化逐漸明顯，F(xiàn)W2 的斜率大于FW1，尤其是在位移達到60 mm 之后，此時螺栓已經(jīng)和上部節(jié)點的長圓孔邊界接觸，繼續(xù)為構(gòu)件提供承載力和能量耗散的能力，在罕遇地震中，組合式搖擺節(jié)點可以更好減少墻板所受的不利荷載影響。

圖10 耗能曲線

3 組合式搖擺節(jié)點模型分析

為了充分反映帶有新型組合搖擺連接件構(gòu)件的受力機理，對外掛ALC-鋼框架組合結(jié)構(gòu)進行一系列的驗證分析。數(shù)據(jù)模擬分析采用ABAQUS 有限元軟件[17]。

3.1 模型建立過程

為了更好地還原試驗構(gòu)件的實際情況，對模型進行以下設置：鋼梁柱構(gòu)造、鋼筋位置分布、鋼筋直徑、ALC 板材等級方面均與實際構(gòu)件一致，詳見下表4、表5。首先在Part 選項里合理劃分構(gòu)件，確保畫出的網(wǎng)格規(guī)整。為提高仿真收斂和計算精度，鋼梁柱和連接件采用三折線模型，螺栓和內(nèi)置鋼筋網(wǎng)片采用雙折線模型。本模型采用塑性損傷模型模擬ALC 墻板的拉壓狀態(tài)。對于模型之間的相互作用，包括連接件與連接件之間、連接件與ALC 墻板之間、螺栓與墻板之間、螺栓與連接件之間和螺栓與鋼梁柱之間均采用硬接觸，并將摩擦系數(shù)設置為0.2；墻板與墻板之間采用摩擦系數(shù)為0.4 的硬接觸。在邊界條件中，令柱腳三個方向平動和轉(zhuǎn)動完全固定，即：U1=U2=U3=0，θ1=θ2=θ3=0。在梁端設以一個耦合點，并對耦合點施加反復循環(huán)荷載來模擬實際情況[18-19]，柱腳鋼梁柱、連接件、螺栓采用合適尺寸的C3D8R 實體單元，ALC 板內(nèi)鋼筋采用合適尺寸的桁架單元，模型網(wǎng)格劃分詳見圖11。

表4 蒸壓加氣混凝土損傷塑性模型參數(shù)

表5 ALC 材性參數(shù)

圖11 組合式節(jié)點組網(wǎng)格整體劃分

3.2 有限元結(jié)果分析

組合式搖擺節(jié)點組的有限元計算結(jié)果，如圖12 所示。構(gòu)件的應力集中點主要出現(xiàn)在梁柱連接周圍，模擬滯回曲線比試驗曲線更加豐滿，這是由于試驗構(gòu)件在安裝過程中會存在小的間隙，或者地梁產(chǎn)生滑移等。模擬和試驗的骨架曲線正反向的趨勢存在一定差異，這是由于在材料設置中只考慮了各向同性，而試驗過程中鋼梁柱和墻板等構(gòu)件在受拉和受壓過程中的變形和裂縫開展趨勢不同，構(gòu)件的“捏縮”效應大體相當。上述的誤差在合理范圍之內(nèi)，ABAQUS 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。

圖12 組合式搖擺節(jié)點試驗與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

通過對新提出的外掛ALC 板組合式搖擺節(jié)點進行試驗和模擬，得出以下結(jié)論：

（1）組合式搖擺節(jié)點組中長圓孔的設置有效推遲了ALC 墻板的破壞。具體來說，外掛鉤頭螺栓組在加載至6 mm 時，ALC 墻板之間的拼縫發(fā)生破壞，而組合式連接節(jié)點出現(xiàn)拼縫砂漿碎裂則發(fā)生在加載至40 mm 時，組合式搖擺節(jié)點的使用增強了外掛ALC 墻板-鋼框架組合結(jié)構(gòu)抗震性能。

（2）與外掛鉤頭螺栓組相比，組合式搖擺節(jié)點組的屈服荷載和峰值荷載分別增加了10.6%和15.3%，屈服位移和峰值位移分別增加了12.6%和29.9%，并且在到達峰值后仍然能提供比鉤頭螺栓更高的承載力。

（3）組合式搖擺節(jié)點的剛度退化現(xiàn)象明顯小于外掛鉤頭螺栓節(jié)點，并且前者的耗能能力優(yōu)于后者?？梢娊M合式搖擺節(jié)點能夠有效提高外掛ALC-鋼框架組合結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（4）本文建立了組合式螺栓節(jié)點組的有限元模型，并與試驗的應力云圖、滯回曲線和骨架曲線進行了比較，驗證了模型的準確性。