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

杜漢華，劉麗華，李九陽，國 偉

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

吉林省輕鋼住宅外圍護體系構(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2，國 偉2

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

設(shè)計出適合吉林省輕鋼住宅外圍護體系的墻板及與主體結(jié)構(gòu)的連接方案，針對此方案對其力學(xué)性能進行了試驗研究和有限元數(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)使用墻板對比，在承載和耗能能力上具有更優(yōu)性能。

外圍護墻板；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)用的價值和空間，在我國正積極推進。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)相對成熟，外圍護體系的研究則起步較晚，技術(shù)成熟度相對滯后，而輕鋼結(jié)構(gòu)住宅對墻體要求高，逐步向著輕質(zhì)、保溫、高強、一體化和預(yù)制化發(fā)展[1]。本文設(shè)計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)點連接方案，對其力學(xué)性能進行了試驗研究和有限元數(shù)值模擬。

1 SJ墻板及結(jié)點連接構(gòu)造設(shè)計

設(shè)計依據(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%的標準及8度區(qū)的抗震設(shè)防要求。

1.1 SJ墻板構(gòu)造設(shè)計

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立連接件。其中XPS板的厚度是依據(jù)吉林省節(jié)能65%的標準，由平均傳熱系數(shù)Km=0.40 W/m2·K計算確定的R0，采用加權(quán)平均法計入了獨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)點構(gòu)造設(shè)計

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的焊接工字鋼長度80 mm，預(yù)埋于混凝土中，2個螺桿長度為50 mm的M12C級普通螺栓把焊接工字鋼與150 mm長等邊角鋼L80×8連接成一個整體，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)點構(gòu)造圖

2 力學(xué)性能試驗和結(jié)果分析

2.1 試驗試件制作

試驗試件都采用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個連接節(jié)點，連接節(jié)點設(shè)置于水平1/4寬度，豎直75 mm高度上，如圖3所示。對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，對比墻板縮尺試件稱為試件二，墻板尺寸和連接節(jié)點布置如圖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個連接節(jié)點，連接節(jié)點設(shè)置于1/4寬度，豎直25 mm高度上。其構(gòu)造依次為一個內(nèi)徑14 mm的套筒，內(nèi)置于混凝土肋中，一個M14的普通C級螺栓，一塊5 mm厚開孔15 mm的70×400 mmQ235長條狀鋼板，螺栓通過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)點構(gòu)造如圖6所示。

圖3 試件一墻板尺寸和連接節(jié)點布置圖

2.2 力學(xué)試驗研究

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

圖4 試件二墻板尺寸和連接節(jié)點布置圖

圖5 墻板構(gòu)造圖

圖6 節(jié)點構(gòu)造圖

圖7 加載裝置示意圖

2.3 力學(xué)試驗結(jié)果分析

通過試驗我們可以觀察得到各試件中節(jié)點部分的破壞順序和破壞形態(tài)，并通過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)試件一在試驗過程中，當節(jié)點發(fā)生破壞時，螺栓桿被剪斷，節(jié)點處混凝土出現(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，可通過適當增大螺栓桿的直徑來提高試件的整體承載能力。

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

圖12 兩試件骨架曲線對比

3)通過數(shù)據(jù)處理對比分析后，發(fā)現(xiàn)試件一的節(jié)點屈服荷載、承載能力和耗能能力要大于試件二，且其還可以通過增大螺栓桿直徑來提高其節(jié)點的承載能力，表明相對于本地生產(chǎn)的外圍護墻板和其配套連接，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。

3 有限元分析

采用有限元軟件ABAQUS對試件一進行模擬分析，模擬其在荷載作用下的變形情況，并與實驗結(jié)果相對照分析(如圖13),計算模型為1.5×1.45的墻板與鋼梁采用4個連接節(jié)點連接。從圖中我們可以看到：

表1 能量耗散系數(shù)

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

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

3)數(shù)值模擬試件一屈服強度約為60 kN，最大承載能力約為120 kN，試驗得到屈服強度約為70 kN，最大承載能力約為130 kN，得到二者的差值在屈服時約為17%，試驗得到二者的差值在峰值時約為8%，則試驗解在屈服和達到峰值時受力約是軟件計算解的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，試件一達到最大承載能力位移約為12.4 mm，試驗得到屈服位移約為4 mm，最大承載能力位移約為15.6 mm，數(shù)值計算解位移小于試驗解。一方面可能是由于數(shù)值計算使用的材料本構(gòu)參數(shù)與實際有一定的出入，實際破壞時，材料達到理論上的破壞應(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程中精度不足導(dǎo)致的，但在整體上趨于吻合。

圖13 試驗結(jié)果和軟件計算結(jié)果比較

4 結(jié)語

基于以上力學(xué)性能試驗結(jié)果和數(shù)值模擬分析，

主要結(jié)論和建議有如下幾點：

1)試件一在試驗過程中，當節(jié)點發(fā)生破壞時，螺栓桿被剪斷，節(jié)點處混凝土出現(xiàn)裂縫，但尚未達到破壞狀態(tài)，可通過適當增大螺栓桿的直徑來提高試件的整體承載能力。試件一的節(jié)點屈服荷載、極限承載能力和耗能能力要優(yōu)于試件二。

2)用ABAQUS軟件進行模擬計算，并與試驗解進行比較，發(fā)現(xiàn)模擬的試件剛度要大于試驗的試件剛度，且試驗解在屈服和達到峰值時受力約是軟件計算解的1.1倍，試驗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于已生產(chǎn)應(yīng)用的墻板及配套連接有一定的優(yōu)勢。

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

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(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：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗方法規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(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)展計劃項目(20140203014SF) 吉林省教育廳項目(2015第296號)

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