李鋒 姬淑艷 姜寶龍 馮力強(qiáng) 牛昌林 陳鷙坤

摘 要：對(duì)外掛式 ALC 條形墻板與傳統(tǒng)鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)的破壞特征及受力機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn) 研究.針對(duì)上述連接方式不足，提出了在ALC墻板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)周圍布置加密鋼筋網(wǎng)的抗震措施，對(duì)加強(qiáng)墻板節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了研究.為此設(shè)計(jì)了不開窗洞墻板鋼框架、開窗洞墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)開窗洞墻板鋼框架四個(gè)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，利用有限元軟件ABAQUS 建立了實(shí)體模型，研究結(jié)果表明：洞口是墻體的薄弱環(huán)節(jié)，洞口周圍墻體最 容易先出現(xiàn)破壞，窗墻比對(duì)框架整體的滯回性能影響很小.對(duì)于采用傳統(tǒng)鉤頭螺栓連接的試件，當(dāng)層間位移角在1/250 rad以內(nèi)，墻板之間的灌漿勾縫處出現(xiàn)豎向裂縫，連接節(jié)點(diǎn)周圍出現(xiàn) 少量的水平裂縫，基本可以滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求.當(dāng)層間位移角達(dá)到1/75rad，墻板連接節(jié)點(diǎn)處裂縫斜向發(fā)展，周圍混凝土逐步擠壓破碎，墻板不能適應(yīng)主體框架的變形，罕遇地震下有掉落、坍塌的風(fēng)險(xiǎn).鋼筋加密網(wǎng)是一種可靠的抗震措施，對(duì)墻板受力貢獻(xiàn)較大，可以有效延 緩墻板開裂時(shí)的層間位移，減輕墻板的損傷程度，使墻板滿足鋼結(jié)構(gòu)較大的層間變形的需求，滿足規(guī)范中對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的抗震設(shè)防要求.

關(guān)鍵詞：鋼框架;ALC墻板;抗震性能;連接節(jié)點(diǎn);側(cè)向變形

中圖分類號(hào)：TU391;TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study onmechanical Behavior of Steel Frame with ALC Wall Panels and Its Connections

LI Feng1，JI Shuyan2?，JIANG Baolong1，F(xiàn)eng Liqiang3，NIU Changlin4，Chen Zhikun5

（1.School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing400045，China;

2.School of Constructionmanagement and Real Estate，Chongqing University，Chongqing400045，China;

3.Gansu Construction Investment（Holdings）Group Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;

4.Gansu Construction Investment Technology Research Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;

5.China Resources Land Limited，Chongqing400050，China）

Abstract：Quasi-static experiments were conducted to study the failuremode and bearingmechanismof exter-nal ALC wall panel and traditional hook blot connections.In view of the insufficiency of the above connections， theseismic detailmeasures of placing the densified steelmesh around the internal connections in ALC wall panels were proposed ， and themechanical performance of the connections is studied.For this purpose， wall panels with and with-out an opening and the panel reinforced with steelmesh were designed， and low-cycle loading tests were conducted on these specimens.The finite element software ABAQUS was used to conduct numerical simulation.The results showed that openings were the weak components of ALC panels and destroyed firstly， but the size of openings has little effect on steel frames seismic performance.For the specimens with traditional hook blot connections， when the story drift ratio was less than1/250 rad， there were vertical cracks on fillingmaterials between ALC panels and tiny horizontal cracks around blot connections， which satisfies the requirements of the serviceability limit state.When the story drift ratio reached1/75 rad，the cracks around connections develop obliquely， and the surrounding concrete was gradually compressed and crushed， so the panels were less likely to adapt to the deformation ofmain structures with the risk of dropping down and collapse under rare earthquake.However， thismeasure for the specimens embedded with reinforcing steelmesh in the panel was effective and reasonable， which provide enough force support for the pan-els， and can effectively delay the crack displacement of panels， satisfy the needs of relatively large structural lateral deformation and satisfied the requirement for seismic resistance of non-structure components in codes.

Key words：steel frames;ALC wall panels;seismic performance;connections;lateral deformation

目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅主體的設(shè)計(jì)技術(shù)趨于成熟，生產(chǎn)和安裝也基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但圍護(hù)體系相關(guān)研究的滯后制約其應(yīng)用和推廣[1].不少學(xué)者對(duì)圍護(hù)體系展開了研究，文獻(xiàn)[2-8]研究表明，內(nèi)嵌式 墻板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的初始剛度和承載力均有一定貢 獻(xiàn);外掛式墻板對(duì)整體框架的滯回性能影響相對(duì)較小[9]，連接節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵部位，是保證墻板和主體框架 協(xié)同工作的前提[10-12]，如果采用剛性連接或者在地 震作用下墻板不能適應(yīng)主體框架的變形，往往導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，墻板可能從高空脫落，對(duì)人員生命安 全造成威脅.針對(duì)外掛式墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)的問題，文獻(xiàn)[13-15]設(shè)計(jì)了不同形式的柔性節(jié)點(diǎn)，研究 發(fā)現(xiàn)3種節(jié)點(diǎn)均有較高的承載力和一定的變形能力，能夠適應(yīng)多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅在地震作用下發(fā)生大的側(cè) 向變形，但是上述連接節(jié)點(diǎn)的形式多樣，構(gòu)造相對(duì)復(fù) 雜，難以符合構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、建筑工業(yè)化的發(fā)展要求.

鉤頭螺栓固定工法是鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板常采用的連接節(jié)點(diǎn)形式，該連接構(gòu)造相對(duì)簡單，施工方便，便 于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，但是當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生較大側(cè)向彈塑性變形，該節(jié)點(diǎn)的適用性和可靠性需要進(jìn)一步研究.如圖集《蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（NALC）構(gòu)造詳圖》（03SG715-1）[16]規(guī)定：鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)僅適用于層間位移和剛度中等大小的鋼結(jié)構(gòu)體系，沒有詳細(xì)說明當(dāng)結(jié)構(gòu)層間位移角超越1/120 rad時(shí)，墻板和節(jié)點(diǎn)的工作性能和損傷狀態(tài).圖集《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》（13J104）[17]第2.3.2小節(jié)規(guī)定：墻板作為填充墻時(shí)，對(duì)于超過24m的鋼結(jié)構(gòu)建筑，需要按照 工程實(shí)際情況個(gè)體設(shè)計(jì).以上兩本圖集對(duì)鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)的適用范圍給出了限制，不便在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系應(yīng)用.

此外，墻板在實(shí)際應(yīng)用過程中需要滿足一定使用要求，如開窗洞口.墻板窗洞會(huì)對(duì)受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的剛度和承載力產(chǎn)生重要影響，文獻(xiàn)[18-20]對(duì)內(nèi)嵌 式墻板開窗洞的位置、面積等參數(shù)進(jìn)行了有限元分析，窗洞宜布置在兩邊緣柱中間的墻板，洞口應(yīng)遠(yuǎn)離 邊緣柱;隨著墻板開洞面積的增大，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力均呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì).以上研究主要是利用有限元計(jì)算，分析了內(nèi)嵌式開洞墻板對(duì)鋼框架抗震性能的影響，對(duì)外掛式墻板開洞的研究較少，相關(guān)試驗(yàn) 研究資料缺乏.

基于以上兩點(diǎn)，對(duì)外掛式墻板采用傳統(tǒng)鉤頭螺 栓連接的鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)，側(cè)重分析柔性鋼框架發(fā)生較大水平變形時(shí)，墻板的損傷狀態(tài)、裂縫開展情況、窗洞對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力性能的影響等，填補(bǔ)了相關(guān) 圖集和目前研究空缺;其次根據(jù)鉤頭螺栓受力特點(diǎn) 及節(jié)點(diǎn)的局部損壞情況，提出了墻板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)孔周 圍布置加密鋼筋網(wǎng)的抗震構(gòu)造措施，并對(duì)加強(qiáng)后墻 板及鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析，為外掛墻板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考意見，以期在高烈度區(qū)或高度更大的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用.

1試驗(yàn)方案

1.1試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)以典型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系為原型，參照設(shè)計(jì)圖集《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》（13J104）中鉤頭螺栓及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，不同之處是本文未設(shè)置專用托板，墻板的自重由鉤頭螺栓承擔(dān).共設(shè)計(jì)加工了4個(gè)足尺試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，試件編號(hào)為S1、S2、S3和S4，分別對(duì)應(yīng)不開窗洞墻板鋼框架、開窗洞墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)開窗洞墻板鋼框架.

試件均為單層單跨平面鋼框架，鋼框架的高度和跨度為2 950mm×5 040mm，柱采用箱型鋼柱，截面尺寸為□400mm×400mm×14mm，梁采用H型鋼梁，截面尺寸為H350mm×180mm×8mm×10mm，梁、柱均采用Q345B 級(jí)鋼材，梁柱焊接連接在一起，框架與地梁采用m27高強(qiáng)螺栓連接.試件信息詳見 表1，開洞尺寸為1800mm×1000mm，試件S2（S4）的尺寸詳圖見圖1，試件S1和S3 沒有開窗洞口，表2 給出了不同厚度Q345B 級(jí)鋼材的力學(xué)性能.

1.2 外掛ALC 墻板豎裝及節(jié)點(diǎn)加密鋼筋網(wǎng)

蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（ALC 板）委托重慶泰日建材有限公司進(jìn)行生產(chǎn)，墻板強(qiáng)度等級(jí)為A5.0，墻板 干密度級(jí)別為B06，干密度為625kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.0mPa，干燥收縮值為0.50mm/m，導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W/（m·k），截面尺寸寬度和厚度為600mm×150mm，高度為2 990mm.墻板之間的填縫材料選用水灰比0.25的粘結(jié)砂漿，上部、下部鉤頭螺栓均與角鋼焊 接，角鋼與鋼梁或鋼地梁焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)見圖2，鉤頭 螺栓見圖3.

ALC墻板選擇 TU板或企口形板，斷面圖見圖4，縱向受力鋼筋的直徑均為8mm，橫向分布鋼筋直徑為6.5mm，其中試件S3和S4對(duì)墻板連接節(jié)點(diǎn)處洞口進(jìn)行了局部加強(qiáng)，由于墻板內(nèi)存在鋼筋保護(hù)層，橫向鋼筋網(wǎng)片之間距離為110mm，在ALC墻板內(nèi)鋼筋網(wǎng) 之間的洞口位置，沿厚度方向每 20mm設(shè)置加密的鋼筋網(wǎng)，因此在每個(gè)墻板內(nèi)部螺栓孔洞處，沿厚度方 向均設(shè)置了5 片加密鋼筋網(wǎng)，每片加密鋼筋網(wǎng)構(gòu)造如圖5所示，試件S1和S2沒有采用加強(qiáng)措施.

1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

在試件的關(guān)鍵部位布置了位移計(jì)和應(yīng)變片，詳 見圖6.位移計(jì)WYJ-1放置在地梁的中心線處，測(cè)量 地梁的滑移值;位移計(jì)WYJ-2放置在右側(cè)箱型鋼柱的底部，測(cè)量柱底部的滑移值;位移計(jì)WYJ-3 放置在最左側(cè)墻板的頂部，記錄結(jié)構(gòu)的整體變形情況.應(yīng)變片是左右對(duì)稱布置，鋼梁左側(cè)上翼緣、腹板和下翼 緣分別為LB-1、LB-2和LB-3，鋼梁右側(cè)對(duì)稱位置的應(yīng)變片記為RB-1、RB-2和RB-3，左側(cè)鋼柱柱腳應(yīng)變片為LC-1～LC-4，右側(cè)柱腳應(yīng)變片為RC-1～RC-4，通過應(yīng)變片了解鋼構(gòu)件的內(nèi)力發(fā)展和屈服時(shí)序.

1.4 試驗(yàn)加載裝置及加載方案

試驗(yàn)在重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用200 t千 斤頂在試件頂部施加低周反復(fù)荷載，在框架的面外 設(shè)置了側(cè)向支撐，防止出現(xiàn)面外失穩(wěn)的現(xiàn)象.同時(shí)對(duì)外掛 ALC墻板進(jìn)行了編號(hào)，從右往左序號(hào)依次為1～9，9號(hào)板側(cè)邊的兩塊墻板序號(hào)為10、11，總計(jì)11塊墻 板，見圖7.

試驗(yàn)采用位移控制加載，在試驗(yàn)正式開始前先進(jìn)行預(yù)加載，水平方向施加反復(fù)荷載1次，層間位移角取值1/750 rad.正式加載是通過控制層間位移 角實(shí)現(xiàn)的，第一階段的層間位移角分別為1/1000、1/750和1/500 rad，這三級(jí)荷載均僅循環(huán)1次，第二 階段的層間位移角分別為1/250、1/150、1/100、1/75、1/50 rad，這五級(jí)荷載（除1/50 rad外）各循環(huán) 2次，見 圖8.當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一，停止試驗(yàn)，1）試驗(yàn)水平荷載達(dá)到極限荷載的85%;2）鋼框架的側(cè)向彈塑性變形超過1/50 rad.

2試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1試件S1

當(dāng)層間位移角達(dá)到1/500 rad時(shí)，3號(hào)和4號(hào)板材之間勾縫開始出現(xiàn)0.53mm的裂縫，往復(fù)荷載作用下，裂縫逐漸開展，控制位移達(dá)到1/250 rad時(shí)，4號(hào)板 材下部螺栓節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)微小的斜向裂縫，且各板材豎向勾縫均有拉通延長的現(xiàn)象，墻板出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng).層間位移角增加到1/150 rad時(shí)，5、6號(hào)板材下部形成了貫通螺栓孔的裂縫，螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，層間位移角 增加到1/100 rad時(shí)，1～8號(hào)各板底部均出現(xiàn)明顯貫 通的斜裂縫，且伴隨混凝土剝落，墻板發(fā)生較大的錯(cuò)動(dòng)滑移，墻板的破壞形態(tài)呈現(xiàn)鋸齒狀（層間位移 角1/75 rad）.整個(gè)加載過程中，螺栓沒有發(fā)生較大變形，螺栓和角鋼的焊縫連接依然可靠，試件S1的破壞形態(tài)見圖9.鋼框架基本處于彈性狀態(tài)，梁上翼緣 左側(cè)應(yīng)變片 LB-1測(cè)得應(yīng)變最大，應(yīng)力為275mPa.

2.2試件S2

與試件S1不同的是，試件S2 在4號(hào)、5號(hào)和6號(hào) 墻板上開了窗洞.初次加載的層間位移角為1/1000 rad，3號(hào)整板與4號(hào)上下兩塊分板以及 7號(hào)整板與6號(hào)上下兩塊分板之間，出現(xiàn)了約2mm寬的裂縫.當(dāng)層間位移角增加到1/500 rad時(shí)，窗洞四角的裂縫豎 向延伸和開展，同時(shí)洞口周圍的螺栓孔處出現(xiàn)微小裂縫.層間位移角增加到1/250 rad時(shí)，1號(hào)與2號(hào)板 間的勾縫產(chǎn)生了通長裂縫，墻板之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，6號(hào) 板下部螺栓孔洞處出現(xiàn)裂縫.當(dāng)加載級(jí)達(dá)到1/75rad時(shí)，窗口鉤頭螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，有一定程度變形，但是螺 栓沒有剪斷，仍然保持良好的工作狀態(tài)，3號(hào)墻板底部 出現(xiàn)貫通的裂縫，混凝土被壓碎，部分脫落.最終破壞的整體圖形如圖10所示，靠近窗洞的螺栓孔處混凝 土擠壓破壞嚴(yán)重，但是整個(gè)加載過程中，其余部位沒有出現(xiàn)明顯裂縫和破壞.最大應(yīng)力發(fā)生在梁上翼緣 左側(cè)，達(dá)到 269mPa，鋼框架基本處于彈性狀態(tài).

2.3試件S3和S4

通過試件S1和S2的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：層間位移角達(dá)到1/250 rad時(shí)，墻板底部的螺栓連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫;層間位移角達(dá)到1/75 rad時(shí)，螺栓孔周圍的混凝土容易 壓潰和脫落，說明該螺栓連接節(jié)點(diǎn)不能適應(yīng)主體鋼框架發(fā)生較大的側(cè)向變形.文獻(xiàn)[21]指出，墻板的配 筋質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力影響較大，合適的鋼筋保 護(hù)層厚度和焊接良好的縱橫鋼筋網(wǎng)，有助于提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力，因此為了提高節(jié)點(diǎn)周圍墻板的承載力，增強(qiáng)混凝土受拉強(qiáng)度，本文提出了在墻板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)周圍布置加密鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造措施，試件S3和S4的ALC 墻板采用了如圖5所示的加強(qiáng)措施，其余和試件S1和S2 均一樣.

試件S3 試驗(yàn)現(xiàn)象如下：當(dāng)層間位移角從1/1000 rad 增加到1/500 rad時(shí)，4號(hào)板、5號(hào)板、8號(hào)板和9號(hào) 板之間填縫砂漿出現(xiàn)微小的豎向裂縫，隨著控制位移的增加，裂縫不斷擴(kuò)展，砂漿出現(xiàn)掉落，墻板發(fā)生微小錯(cuò)動(dòng)滑移，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/150 rad時(shí)，1號(hào) 板下部的節(jié)點(diǎn)首次出現(xiàn)水平裂縫;當(dāng)層間位移角達(dá) 到1/100 rad時(shí)，4號(hào)板下部螺栓孔也出現(xiàn)了細(xì)小裂 縫，延伸至墻板底端;當(dāng)層間位移角達(dá)到1/50 rad時(shí)，鋼框架左柱焊縫出現(xiàn)裂紋，8號(hào)板螺栓孔周圍出現(xiàn)水平裂縫，但是混凝土脫落很少，與試件S1相比，螺栓 孔周圍裂縫的數(shù)量大大減少，僅有兩塊墻板底部各出現(xiàn)一條裂縫，同時(shí)螺栓松動(dòng)程度降低，墻板損壞程 度較輕，整體破壞形態(tài)見圖11，此時(shí)以墻板之間，豎 向裂紋為主，每塊墻板自身有良好的整體性.

試件S4 試 驗(yàn) 現(xiàn) 象如下：當(dāng)層間位移 角 加至1/1000 rad時(shí)，3號(hào)整板與4號(hào)上下兩塊分板以及 7號(hào)整板與6號(hào)上下兩塊分板之間勾縫，均出現(xiàn)了明顯的豎向裂縫;層間位移角增加到1/250 rad時(shí)，6號(hào) 上塊分板 靠 近 窗 洞 部 位，出 現(xiàn)了斜 裂 縫 ;當(dāng)層間位移 角 達(dá) 到1/150 rad時(shí)，窗洞處的扁鋼與墻板脫 落，8號(hào)與9號(hào)板及 9號(hào)與10號(hào)板之間裂縫發(fā)展成通長縫;當(dāng)層間位移角達(dá)到1/75 rad時(shí)，鉤頭螺栓出現(xiàn)一定變形，沒有發(fā)生破壞，仍可以正常工作，8號(hào)板螺 栓孔周圍的混凝土部分脫落，墻板的整體性相對(duì)較好.應(yīng)變片 LB-1計(jì)算得到最大應(yīng)力為441mPa，發(fā)生在鋼梁左側(cè)上翼緣處，鋼框架部分進(jìn)入屈服狀態(tài).

2.4 變形特點(diǎn)及破壞狀態(tài)總結(jié)

窗洞是薄弱部位，窗洞的角部容易率先出現(xiàn)斜 向裂縫，可能會(huì)影響建筑的正常使用;層間位移角達(dá) 到1/150～1/75 rad，墻板的破壞主要集中在下部螺栓節(jié)點(diǎn)周圍，罕遇地震下可能引發(fā)墻板脫落.構(gòu)件的破壞順序?yàn)椋捍岸矗ü?jié)點(diǎn)和角部）斜裂縫—ALC 墻板節(jié)點(diǎn)周圍貫通裂縫 —鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)屈服并形成塑性鉸.

由試件S3和S4可以發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)后的墻板損傷狀 態(tài)有明顯改善，下部螺栓周圍出現(xiàn)裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角從1/250 rad 增大到1/100 rad，墻板裂縫數(shù)量顯著減少，有效地減輕了墻板的開裂和局部塑性損傷程度.當(dāng)控制層間位移角達(dá)到1/75 rad時(shí)，鋼框 架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服階段，同時(shí)鉤頭螺栓仍可以正 常工作，墻板不會(huì)掉落.《建筑幕墻》（GB/T 21086— 2007）[22]規(guī)定建筑幕墻抗震設(shè)計(jì)時(shí)，平面內(nèi)變形能力應(yīng)不小于主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角控制值（1/300）的3倍，即主體框架層間位移角達(dá)到1/100 rad時(shí)，墻 板不應(yīng)出現(xiàn)破壞.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 20011— 2010）[23]對(duì)建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)設(shè)定了高、中、低層次3個(gè)要求，其中高要求指出：外觀可能損壞而不影響使用功能和防火能力，可經(jīng)受相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)1.4倍以上設(shè)計(jì)撓度（約1/150 rad）的變形，即墻板在設(shè)防地震下需要滿足功能要求，并且當(dāng)相連框架變形達(dá)到1/107 rad時(shí)，墻板不發(fā)生破壞.試件S3和S4 均滿足上述要求，表明在ALC 墻板內(nèi)部設(shè) 置局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)可以有效地提高墻板的受力性能，這是一種可靠的抗震措施.

對(duì)比4次試驗(yàn)墻板的上部和下部連接節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，下部節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)貫通螺栓孔的裂縫，裂縫數(shù)量多，但是上部節(jié)點(diǎn)裂縫較少，裂縫寬 度不大.上部節(jié)點(diǎn)和下部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相同，區(qū)別在于螺栓孔距離墻板短邊邊界的距離，下部節(jié)點(diǎn)距離?。?9mm），上部為460mm，更靠近墻板底側(cè)邊界，見圖5.初步分析，當(dāng)框架發(fā)生較大的側(cè)向變形，墻板節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)圓孔的應(yīng)力集中，引起的應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá) 到1.5倍的孔口尺寸，而下部節(jié)點(diǎn)距離墻板邊界非常 近，受到圓孔高峰應(yīng)力的影響，因此實(shí)際工程應(yīng)適當(dāng) 增大下部連接節(jié)點(diǎn)到墻板邊界的距離.

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1鋼框架滯回曲線

鋼框架滯回曲線，即荷載-位移曲線如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)：

1）4個(gè)試件的滯回曲線相似，形狀均為S 形或 Z 形，加載初始階段，滯回曲線均接近直線，滯回環(huán)包 圍的面積小，因?yàn)楦鳂?gòu)件基本處于彈性階段，殘余變形較小.隨著位移增大，包絡(luò)線的面積開始增加，曲 線穩(wěn)定，但是曲線均沒有出現(xiàn)下降段，承載力一直增 加，主要原因?yàn)榉戒摴苤目箯澇休d力較高，鋼框架 抗側(cè)剛度較大，僅有部分構(gòu)件（如梁柱節(jié)點(diǎn)）進(jìn)入屈 服階段，此外試驗(yàn)中沒有考慮在柱頂施加軸力.

2）試件S1和S2的滯回曲線幾乎重合，試件S3和S4 滯回曲線正向加載部分重合度也很高，表明外 掛墻板開洞口對(duì)框架整體的滯回性能影響很小，可以忽略.原因是外掛式墻板通過鉤頭螺栓“掛”在鋼梁上，與內(nèi)嵌式墻板不同，不直接參與抵抗側(cè)向力.需要說明的是，負(fù)向加載時(shí)，試件S3和S4 荷載相差較大，最高達(dá)到 50.7%，主要因?yàn)樵谪?fù)向加載過程中，試件S3的地梁存在滑移.

3）試件S2和S4的滯回曲線形狀相似，負(fù)向加載時(shí)，試件S4的曲線斜率比 S2 略大，對(duì)應(yīng)的荷載數(shù)值 也略高，表明節(jié)點(diǎn)設(shè)置加密鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造措施對(duì)主體框架的滯回性能存在一定影響，可以略微提高承載力.兩條曲線在正向加載的后3個(gè)加載級(jí)存在一定差異，導(dǎo)致滯回耗能面積相差 24.6%，原因同 2），試件S4的地梁出現(xiàn)小滑移，荷載沒有完全加到框 架上.

3.2 骨架曲線和剛度退化曲線

圖14 是試件S1、S2和S4的骨架曲線，由于試件S3的地梁發(fā)生滑移，對(duì)荷載的數(shù)值影響較大，后續(xù)分析不采用試件S3的數(shù)據(jù)，圖15 是對(duì)應(yīng)的剛度退化 曲線，可以發(fā)現(xiàn)：

1）3個(gè)試件骨架曲線特點(diǎn)很相似.加載初期，工 字鋼梁、鋼柱等構(gòu)件處在彈性階段，荷載增長較快;隨著位移增大，骨架曲線的斜率開始下降，這是因?yàn)樯俨糠謽?gòu)件截面達(dá)到屈服應(yīng)變，開始進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，荷載增速放緩;當(dāng)層間位移角達(dá)到1/50 rad（59.9mm），墻板已經(jīng)發(fā)生了破壞，但是骨架曲線均沒有出現(xiàn)下降段，說明方鋼管柱-鋼框架具有良好的變形能力和較高的承載力，外掛式 墻板對(duì)框架的受力性能影響很小.

2）試件S1和S2的骨架曲線幾乎重合，剛度的大小和變化趨勢(shì)很接近，表明開窗洞對(duì)框架的承載力影響很小，可以忽略.試件S4的負(fù)向荷載比 S2和S1略高，如在層間位移角為1/75 rad時(shí)，試件S4 比 S2 承載力高7%，可以看出加強(qiáng)墻板的連接節(jié)點(diǎn)對(duì)框架的承載力也略有提高.試件S4的剛度退化曲線存在突變，原因是正向加載的最后3個(gè)加載級(jí)，地梁出現(xiàn)了小滑移.

3.3 能量耗散系數(shù)曲線

鋼框架的能量耗散能力是通過滯回曲線的面積 來衡量，本文采用能量耗散系數(shù)Edc 指標(biāo)來評(píng)價(jià).圖16 是試件S1、S2和S4的能量耗散系數(shù)曲線，可以看出，試件S1、S2、S4的能量耗散系數(shù)總體呈現(xiàn)增大的趨 勢(shì)，因?yàn)殡S著側(cè)向位移增大，梁柱節(jié)點(diǎn)及柱腳應(yīng)力逐 漸達(dá)到屈服，材料進(jìn)入非線性，耗散能量.試件S4 地 梁出現(xiàn)小的滑移，導(dǎo)致荷載沒有完全加上，滯回曲線不如預(yù)期的飽滿，耗能系數(shù)下降，出現(xiàn)一定波動(dòng).能量耗散系數(shù)最大值為0.65，遠(yuǎn)小于1，表明鋼框架整 體塑性發(fā)展程度不高.

4有限元模型建立

4.1單元類型及網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件ABAQUS，建立開窗洞墻板鋼框架 S2和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)開窗洞墻板鋼框架 S4的實(shí)體模型.墻板的截面尺寸、墻板內(nèi)鋼筋的直徑、布置和局 部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)尺寸等參數(shù)選自1.2小節(jié)，鉤頭螺栓選 用m12，型號(hào)為鉤頭160，角鋼規(guī)格為L63×6.

墻板、鉤頭螺栓、角鋼、鋼梁和鋼柱均采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元 C3D8R 模擬，墻板內(nèi)豎向受力鋼筋、橫向分布鋼筋和局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片均采用桁架單元 Truss 模擬.經(jīng)過多次試算，鋼梁和鋼柱網(wǎng) 格尺寸為60，墻板網(wǎng)格尺寸為80，墻板節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了多次切割，細(xì)分網(wǎng)格，使螺栓孔和周圍墻板單元之 間合理過渡，確保網(wǎng)格質(zhì)量，鉤頭螺栓采用Sweep 劃分技術(shù)和medial axis算法，減小網(wǎng)格尺寸差異，受力鋼筋和局部加密鋼筋網(wǎng)格尺寸分別為50和15.

4.2材料本構(gòu)關(guān)系

ALC 墻板本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS有限元軟件中提供的混凝土 CDP損傷塑性模型，通過損傷因子 dt 和dc 來表征輕質(zhì)混凝土的剛度退化和非彈性行為，參數(shù)的確定參考文獻(xiàn)[24]，ALC 墻板材應(yīng)力-應(yīng)變曲 線參考文獻(xiàn)[25]，材料峰值抗壓強(qiáng)度σt 取3.6mPa，峰值抗壓強(qiáng)度σc 取0.44mPa，彈性模量 Ec為1.658×103mPa，ALC 墻板密度為625kg/m3.由于混凝土為脆性材料，當(dāng)墻板拉應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，判定墻板發(fā)生開裂，應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖17.

ALC 墻板內(nèi)配筋采用HPB300鋼筋，屈服強(qiáng)度為300mPa，彈性模量 E1取 2.1×105mPa，角鋼及鉤頭螺 栓均采用Q235B 級(jí)鋼材，屈服點(diǎn)為235mPa，彈性模 量 E2 取 2.1×105mPa，本構(gòu)關(guān)系均為雙斜線隨動(dòng)強(qiáng)化 模型，塑性模量均為0.01倍的彈性模量，鋼梁及鋼柱的本構(gòu)關(guān)系按照表2，泊松比為0.3，采用Vonmises 屈服準(zhǔn)則，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖18.

4.3 邊界條件

鉤頭螺栓與螺栓孔接觸，法向設(shè)置“Hard Con-tact”，切向摩擦系數(shù)為0.3，鉤頭螺栓端部與角鋼進(jìn)行綁定Tie，下部角鋼采用嵌固邊界，上部角鋼只釋 放水平位移，即Ux ≠0，Uy=Uz=θx=θy=θz=0.橫、豎鋼筋網(wǎng)以及局部加強(qiáng)鋼筋使用“Embedded Region”，直接嵌 入到墻板內(nèi)，不考慮鋼筋和混凝土之間滑移.

鋼梁和鋼柱之間采用Tie模擬焊接，對(duì)鋼梁面外 自由度進(jìn)行約束，即Uz=0，以此考慮側(cè)向約束，試驗(yàn)中鋼柱底部焊接了矩形鋼板，使用螺栓將矩形鋼板 及上部鋼柱固定在鋼地梁上，有限元模型中對(duì)螺栓 簡化處理，矩形鋼板一面與鋼柱 Tie，另一面采用嵌 固邊界.

模型中不考慮 ALC墻板與填縫材料的作用，各塊墻板之間相互接觸，法向設(shè)置“Hard Contact”，切 向摩擦系數(shù)為0.44[4].

試件S4的有限元模型以及網(wǎng)格劃分見圖19，ALC墻板螺栓洞口的精細(xì)化模型見圖20，在墻板內(nèi)布置了5層加強(qiáng)的鋼筋網(wǎng)片.

5有限元模型驗(yàn)證及受力機(jī)理分析

5.1有限元模型結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

以試件S2和S4為例，鋼框架在水平荷載下的骨 架曲線見圖21，初始彈性剛度有一定差異，軟件計(jì)算結(jié)果均大于試驗(yàn)結(jié)果，主要原因是鋼地梁在加載 方向存在一定滑移，極限承載力的誤差相對(duì)較小.此 外，對(duì)比試件S2或 S4與純鋼框架（未布置ALC墻板）的骨架曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線幾乎重合，表明外掛 式的墻板對(duì)主體框架的初始剛度、承載力等指標(biāo)影 響小，同時(shí)也說明窗墻比的大小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較小，可以忽略.

圖22 是試件S4 墻板的第一主拉應(yīng)力云圖和第三主壓應(yīng)力云圖，對(duì)應(yīng)的層間位移角為1/100 rad，可以發(fā)現(xiàn)，局部螺栓洞口和窗洞周圍主應(yīng)力較高，是高峰應(yīng)力集中的部位，當(dāng)層間位移角進(jìn)一步增加，容易 出現(xiàn)墻板局部開裂，但墻板整體壓應(yīng)力相對(duì)較低，因 而墻板可以保持良好的整體性.試件S4層間位移角 達(dá)到1/75 rad時(shí)，在墻板螺栓孔周圍主拉應(yīng)力和主壓 應(yīng)力均較高，形成了明顯的高峰應(yīng)力區(qū)，值得注意的是，底部螺栓孔由于距離底部邊緣較近，底部邊緣仍 然在高峰應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，圖23顯示了兩塊相鄰墻板底 部螺栓孔的應(yīng)力云圖，將以上計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)的破壞特征對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文采用的建模方法是合 理的.

5.2應(yīng)力分析

對(duì)有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到試件S4各部件在每個(gè)加載級(jí)下最大的應(yīng)力值，見圖24.圖24（a）當(dāng)層間位移角為1/1000 rad時(shí)，外掛墻板達(dá) 到了峰值拉應(yīng)力，且主要集中在窗洞螺栓孔周圍，因 此試驗(yàn)中窗洞附近螺栓孔容易最先出現(xiàn)貫穿裂縫.圖24（b）是不考慮螺栓孔周圍小區(qū)域的墻板最大壓 應(yīng)力，墻板壓應(yīng)力隨著側(cè)向位移增大而增大，一直處 于上升趨勢(shì)，但低于墻板的峰值壓應(yīng)力，表明墻板整 體壓應(yīng)力較低，因此加載過程中墻板可以保持良好的整體性能.圖24（c）當(dāng)層間位移角達(dá)到1/800 rad，窗洞附近的鉤頭螺栓最先達(dá)到屈服應(yīng)力，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/125 rad時(shí)，鋼柱發(fā)生屈服，由此可知，構(gòu)件破壞的順序可能為：窗洞斜裂縫—ALC 墻板節(jié)點(diǎn) 周圍貫通裂縫，鉤頭螺栓屈服—鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)屈 服并形成塑性鉸，圖中鉤頭螺栓應(yīng)力一直上升是因?yàn)槁菟字車姆e分點(diǎn)應(yīng)力集中.圖24（d）中隨著位移增大，墻板內(nèi)橫向和縱向鋼筋的應(yīng)力一直在增加，但并未達(dá)到屈服，因?yàn)閴Π逭w應(yīng)力比較小，螺 栓孔周圍加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)在層間位移角為1/152 rad時(shí)達(dá) 到屈服，并一直穩(wěn)定在屈服狀態(tài)，表明加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)可以和墻板協(xié)同工作，共同承擔(dān)拉應(yīng)力，因此可以減少 裂縫的數(shù)量和減小寬度.

5.3 外掛墻板適應(yīng)鋼框架變形能力分析

為了研究水平荷載下，外掛墻適應(yīng)主體框架變形的情況，δ1為S4鋼框架加載點(diǎn)側(cè)向變形，δ2為同一高度外掛墻板側(cè)向變形，δ為兩者之差，即δ=δ1-δ2，由圖25可知，墻板和鋼框架的相對(duì)變形隨著位移增大而增加，但最大不超過1.7mm，外掛墻板和鋼框架的側(cè)向變形基本一致，鉤頭螺栓使兩者能夠協(xié)同變形.

受力機(jī)理分析如下：水平荷載下鋼框架會(huì)發(fā)生一定的側(cè)向變形，外掛 ALC條板采用鉤頭螺栓兩點(diǎn) 連接支承方式與主體結(jié)構(gòu)連接，外掛墻板在面內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形，這是與內(nèi)嵌 墻板的本質(zhì)區(qū)別，因此墻板的整體應(yīng)力相對(duì)較低，但是在螺栓孔周圍存在較大的拉應(yīng)力，裂縫通常集中在螺栓孔，對(duì)此可以考慮本文提出的局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的抗震措施，共同承擔(dān)螺栓孔的拉應(yīng)力，此外也可 考慮增大螺栓孔至墻板底邊的距離，遠(yuǎn)離應(yīng)力區(qū).

6 結(jié)論

通過對(duì)4 榀裝配式外掛墻板鋼框架的試驗(yàn)研究和有限元分析，得到如下結(jié)論：

1）窗洞是墻板的薄弱部位，如果多遇地震下窗 洞螺栓孔附近也可能出現(xiàn)裂縫，需要引起重視，窗墻 比對(duì)框架整體的抗震性能影響很小，可以忽略.

2）墻板圖集中的鉤頭螺栓工法適用于多層或底層住宅的墻板連接構(gòu)造，墻板和框架可以協(xié)同工作，有如下變形特點(diǎn)：層間位移角在1/1000～1/500 rad時(shí)，墻板之間的填縫材料開始出現(xiàn)豎向裂縫，其余構(gòu)件保持完好;層間位移角達(dá)到1/300～1/250 rad，填縫 材料的豎向裂縫開展，數(shù)量增加，相鄰墻板發(fā)生較小錯(cuò)動(dòng)，部分墻板下部連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，鋼梁鋼柱部分截面進(jìn)入屈服階段;當(dāng)層間位移角達(dá) 到1/75～1/50 rad，各墻板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，墻板之間互相擠 壓，端部呈現(xiàn)鋸齒狀形態(tài)，連接節(jié)點(diǎn)松動(dòng)，節(jié)點(diǎn)周圍 混凝土脫落，該節(jié)點(diǎn)難以適應(yīng)鋼框架較大的變形.

3）加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片是一種可靠的抗震措施，能夠 改善混凝土墻板螺栓孔洞處的受力狀態(tài)，滿足罕遇 地震下對(duì)外掛墻板的抗震性能要求.

4）連接節(jié)點(diǎn)到墻板底邊或頂邊的距離對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能有很大影響，建議增加相應(yīng)距離，避免高峰 應(yīng)力影響.

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