杜漢華，劉麗華，李九陽(yáng)，國(guó) 偉

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院研究生院，長(zhǎng)春130012； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

吉林省輕鋼住宅外圍護(hù)體系構(gòu)造連接技術(shù)及力學(xué)性能研究

杜漢華1，劉麗華2，李九陽(yáng)2，國(guó) 偉2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院研究生院，長(zhǎng)春130012； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

設(shè)計(jì)出適合吉林省輕鋼住宅外圍護(hù)體系的墻板及與主體結(jié)構(gòu)的連接方案，針對(duì)此方案對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬，滿足保溫節(jié)能及8度抗震設(shè)防要求。與吉林省已生產(chǎn)使用墻板對(duì)比，在承載和耗能能力上具有更優(yōu)性能。

外圍護(hù)墻板；連接；力學(xué)性能

0 引言

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅自重輕、抗震性能好、空間利用率高、施工便捷、工期短，符合新型綠色建筑及工業(yè)化建筑的發(fā)展需求，具有應(yīng)用的價(jià)值和空間，在我國(guó)正積極推進(jìn)。輕鋼住宅主體結(jié)構(gòu)類型包括輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系和輕鋼龍骨體系，技術(shù)相對(duì)成熟，外圍護(hù)體系的研究則起步較晚，技術(shù)成熟度相對(duì)滯后，而輕鋼結(jié)構(gòu)住宅對(duì)墻體要求高，逐步向著輕質(zhì)、保溫、高強(qiáng)、一體化和預(yù)制化發(fā)展[1]。本文設(shè)計(jì)了適合吉林省輕鋼住宅的外墻板(以下稱為SJ墻板)及與主體結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)連接方案，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬。

1 SJ墻板及結(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)依據(jù)JGJ 209—2010《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》[2]，適用于多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，滿足吉林省節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)及8度區(qū)的抗震設(shè)防要求。

1.1 SJ墻板構(gòu)造設(shè)計(jì)

墻板構(gòu)造如圖1所示，構(gòu)造由內(nèi)到外依次為CCA板、火山渣輕質(zhì)混凝土、XPS板、黏結(jié)砂漿、CCA板，厚度依次為8 mm、85 mm、90 mm、8 mm、8 mm，采用不銹鋼棒與鋼板焊接做成獨(dú)立連接件。其中XPS板的厚度是依據(jù)吉林省節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)，由平均傳熱系數(shù)Km=0.40 W/m2·K計(jì)算確定的R0，采用加權(quán)平均法計(jì)入了獨(dú)立連接件中不銹鋼的影響系數(shù)。

圖1 墻板構(gòu)造圖

1.2 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

SJ墻板與主體框架結(jié)構(gòu)采用完全外掛的連接形式，構(gòu)造如圖2所示。150×85×8的焊接工字鋼長(zhǎng)度80 mm，預(yù)埋于混凝土中，2個(gè)螺桿長(zhǎng)度為50 mm的M12C級(jí)普通螺栓把焊接工字鋼與150 mm長(zhǎng)等邊角鋼L80×8連接成一個(gè)整體，角鋼下側(cè)焊接于鋼梁上。因角鋼焊接于鋼梁上，所以可消除大部分的施工誤差。焊接工字鋼上開孔位置與角鋼相同，開孔直徑d0=13 mm，螺栓開孔至邊緣距離的允許范圍為(2～4)d，取45 mm，中心距離的允許范圍為3d-12t，取60 mm，所以在角鋼和焊接工字鋼一側(cè)上的開孔位置為(45，40)、(105，40)處。

圖2 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

2 力學(xué)性能試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)試件制作

試驗(yàn)試件都采用1︰2縮尺模型。SJ墻板的試件稱為試件一，尺寸為1 500 mm×1 450 mm。采用完全外掛的連接形式，與上下梁連接固定，共4個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置于水平1/4寬度，豎直75 mm高度上，如圖3所示。對(duì)比墻板是吉林省某公司生產(chǎn)的預(yù)制火山渣輕質(zhì)混凝土夾芯保溫外墻板，對(duì)比墻板縮尺試件稱為試件二，墻板尺寸和連接節(jié)點(diǎn)布置如圖4所示。墻板構(gòu)造如圖5所示，中間為200 mm厚的EPS板，EPS板四周有50 mm厚的火山渣輕質(zhì)混凝土，內(nèi)嵌Φ3@50的HRB335鋼絲網(wǎng)片和Φ8@475的HRB400的主受力鋼筋，兩者相互配合作為墻板的受力承載部分，尺寸為1 400 mm×1 350 mm。墻板的連接形式亦為與上下梁連接固定，共4個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置于1/4寬度，豎直25 mm高度上。其構(gòu)造依次為一個(gè)內(nèi)徑14 mm的套筒，內(nèi)置于混凝土肋中，一個(gè)M14的普通C級(jí)螺栓，一塊5 mm厚開孔15 mm的70×400 mmQ235長(zhǎng)條狀鋼板，螺栓通過(guò)鋼板上的孔與套筒相擰緊，鋼板焊接于墻板預(yù)埋件工字鋼的鋼板之上，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖6所示。

圖3 試件一墻板尺寸和連接節(jié)點(diǎn)布置圖

2.2 力學(xué)試驗(yàn)研究

對(duì)試件一和試件二進(jìn)行擬靜力低周反復(fù)試驗(yàn)，確定兩種試件整體屈服荷載和極限承載荷載，研究其受力過(guò)程和破壞形態(tài)。反復(fù)推拉力直接作用于墻板上，再通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)傳至主體結(jié)構(gòu)，加載裝置示意圖如圖7所示，試驗(yàn)照片如圖8所示，依據(jù)JGJ 101—96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[3]的要求，加載機(jī)制如圖9所示。

圖4 試件二墻板尺寸和連接節(jié)點(diǎn)布置圖

圖5 墻板構(gòu)造圖

圖6 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

圖7 加載裝置示意圖

2.3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)我們可以觀察得到各試件中節(jié)點(diǎn)部分的破壞順序和破壞形態(tài)，并通過(guò)滯回曲線和骨架曲線(如圖10～12)，得到其屈服荷載和承載能力峰值及能量耗散系數(shù)(見表1)，并得出以下結(jié)論：

圖8 試驗(yàn)照片

圖9 加載路徑示意圖

圖10 試件一滯回曲線

圖11 試件二滯回曲線

1)試件一在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)，螺栓桿被剪斷，節(jié)點(diǎn)處混凝土出現(xiàn)斜向下延伸至底部的裂縫，但離完全破壞還有一定的距離，可通過(guò)適當(dāng)增大螺栓桿的直徑來(lái)提高試件的整體承載能力。

2)試件二在試驗(yàn)過(guò)程中，連接鋼板先于節(jié)點(diǎn)混凝土達(dá)到屈服，荷載逐漸增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)混凝土出現(xiàn)裂紋并持續(xù)擴(kuò)大，混凝土部分參與節(jié)點(diǎn)耗能，使墻板整體的耗能能力上升。發(fā)生破壞時(shí)，鋼板小部分發(fā)生撕裂，節(jié)點(diǎn)處預(yù)埋件邊緣混凝土發(fā)生明顯的破壞。

圖12 兩試件骨架曲線對(duì)比

3)通過(guò)數(shù)據(jù)處理對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)試件一的節(jié)點(diǎn)屈服荷載、承載能力和耗能能力要大于試件二，且其還可以通過(guò)增大螺栓桿直徑來(lái)提高其節(jié)點(diǎn)的承載能力，表明相對(duì)于本地生產(chǎn)的外圍護(hù)墻板和其配套連接，SJ墻板和配套連接在承載和耗能能力上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 有限元分析

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)試件一進(jìn)行模擬分析，模擬其在荷載作用下的變形情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照分析(如圖13),計(jì)算模型為1.5×1.45的墻板與鋼梁采用4個(gè)連接節(jié)點(diǎn)連接。從圖中我們可以看到：

表1 能量耗散系數(shù)

1)試驗(yàn)解和軟件計(jì)算解都有3個(gè)共同經(jīng)歷的階段，即彈性階段、屈服階段和彈塑性強(qiáng)化階段。在彈性階段，位移小，力隨位移增長(zhǎng)接近于線性，其殘余變形量很小，在進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段后，則無(wú)法按線性增長(zhǎng)，證明殘余變形在不斷增大，使其偏離了原來(lái)的增長(zhǎng)軌跡。

2)試件在屈服前和彈塑性強(qiáng)化階段數(shù)值模擬解的斜率要大于試驗(yàn)結(jié)果，表明模擬的試件其剛度相對(duì)較大。

3)數(shù)值模擬試件一屈服強(qiáng)度約為60 kN，最大承載能力約為120 kN，試驗(yàn)得到屈服強(qiáng)度約為70 kN，最大承載能力約為130 kN，得到二者的差值在屈服時(shí)約為17%，試驗(yàn)得到二者的差值在峰值時(shí)約為8%，則試驗(yàn)解在屈服和達(dá)到峰值時(shí)受力約是軟件計(jì)算解的1.1倍。從圖中我們也看到數(shù)值模擬的試件一屈服位移約為3.1 mm，試件一達(dá)到最大承載能力位移約為12.4 mm，試驗(yàn)得到屈服位移約為4 mm，最大承載能力位移約為15.6 mm，數(shù)值計(jì)算解位移小于試驗(yàn)解。一方面可能是由于數(shù)值計(jì)算使用的材料本構(gòu)參數(shù)與實(shí)際有一定的出入，實(shí)際破壞時(shí)，材料達(dá)到理論上的破壞應(yīng)力后，應(yīng)力值仍能繼續(xù)上升，使試件整體受到的應(yīng)力—位移值都有所增大，另一方面可能是由于試件在制作過(guò)程中精度不足導(dǎo)致的，但在整體上趨于吻合。

圖13 試驗(yàn)結(jié)果和軟件計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)語(yǔ)

基于以上力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析，

主要結(jié)論和建議有如下幾點(diǎn)：

1)試件一在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)，螺栓桿被剪斷，節(jié)點(diǎn)處混凝土出現(xiàn)裂縫，但尚未達(dá)到破壞狀態(tài)，可通過(guò)適當(dāng)增大螺栓桿的直徑來(lái)提高試件的整體承載能力。試件一的節(jié)點(diǎn)屈服荷載、極限承載能力和耗能能力要優(yōu)于試件二。

2)用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)解進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬的試件剛度要大于試驗(yàn)的試件剛度，且試驗(yàn)解在屈服和達(dá)到峰值時(shí)受力約是軟件計(jì)算解的1.1倍，試驗(yàn)解位移值也略大于軟件解，但整體上趨于吻合。

3)SJ墻板及配套連接，在承載和耗能上相對(duì)于已生產(chǎn)應(yīng)用的墻板及配套連接有一定的優(yōu)勢(shì)。

[1] 財(cái)政部住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.關(guān)于加快推動(dòng)我國(guó)綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見[J]. 上海建材,2012,40(7):1-2.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 209—2010輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

The Study on Structural Connection Technology and Mechanical Property of Outer Walls for Light Steel Residential Buildings in Jilin Province China

DU Han-Hua,et al.

(TheGraduateSchool，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this article，the wall panel and the connection structure with the main structure of light steel residential exterior protection system are designed.According to this scheme，the mechanical properties have been made experimental study and finite element numerical simulation，to meet the energy-saving insulation and 8 degree seismic fortification requirements.By contrasting with the wall panels have been produced and used in Jilin province China，this kind of external wall panel has better property in the carrying capacity and energy consumption.

external wall panel；connection；mechanical property

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.001

2016-10-30

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140203014SF) 吉林省教育廳項(xiàng)目(2015第296號(hào))

杜漢華(1992-)，男(漢)，浙江紹興，碩士 主要研究結(jié)構(gòu)工程。

TU392.5

A

1009-8984(2016)04-0001-04