蒸壓加氣混凝土墻板柔性節點力學性能研究

周學軍，許國棟，王越，張藝凡，李明洋

(山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

大力倡導和發展裝配式建筑，既是實現我國建筑業轉型升級的重要途徑之一，又是實現我國建筑工業化的重要推手，發展裝配式建筑具有重大意義[1]。 2017 年3 月，住建部發布《建筑節能與綠色建筑發展‘十三五’規劃》，要求大力發展裝配式建筑，完善裝配式建筑相關政策、標準及技術體系，積極發展鋼結構建筑結構體系[2]。 國家大力發展鋼結構、混凝土等裝配式建筑，加氣混凝土墻板優秀的性能和高附加值的性價比，使其成為鋼結構居住建筑的主流部品[3]。 隨著我國房屋材料革新不斷深入和建筑節能的需要，我國輕型復合板的發展已形成品種多、發展快的局面，部分輕質板、輕型復合板已形成了相當大規模的生產能力。 蒸壓加氣混凝土板是以水泥、石灰和砂等為主要原料的一種輕質、多孔的新型綠色環保的建筑板材，具有自重輕、耐火、隔音、隔熱和保溫等優點，目前越來越多地應用于多高層建筑結構以及工業廠房建筑中[4]。 裝配式輕質混凝土外墻板的推廣與應用將推進綠色建筑和住宅產業的發展，對實現經濟和社會的可持續發展有著重要的意義[5]。

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板是以陶瓷廢渣粉為主要原料，采用焊接鋼筋網片配筋，以生石灰、水泥作鈣質材料，鋁粉(膏)作發氣劑，經蒸壓養護而成的自身熱工性能即能滿足現行節能標準要求的輕質板材。 板材在滿足自身強度和剛度的前提下，又具有良好的保溫隔熱性能，在工程界應用廣泛。 輕質墻板與主體結構的連接節點是該墻板工程應用的關鍵，因此文章提出一種墻板與主體結構連接的柔性節點，并對節點的抗拉拔性能進行了試驗研究。

1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構造及其節點構造

1.1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板是一種新型輕質環保節能的綠色建材，主要組成材料為陶瓷廢渣粉、石灰和水泥等，依據不同用途和具體結構性能的要求，布置不同數量的鋼筋。 鋼筋需經過防腐處理，布置完成后，焊接成網片組成鋼筋骨架。 墻板構造如圖1所示。

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板質量輕、強度高，用于混凝土結構或者鋼結構的外圍護墻時，相比傳統墻體而言，蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板的保溫以及隔熱效果會更好；作為建筑結構的內隔墻使用時，蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板的隔聲吸音性能要優于傳統墻體，而且能起到防火阻燃的作用。 新型墻板還具有綠色環保、安裝便捷、工廠加工方便、耐久性能好等優點，現在已經越來越廣泛的應用于多、高層民用與工業建筑中[6]。

圖1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構造圖/mm

1.2 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板節點

目前，裝配式墻板與主體結構之間主要采用的連接方式為柔性連接。 柔性連接是采用預埋在墻板內的U 形卡槽通過螺栓和角鋼等連接件安裝在結構框架上的一種連接方式。 柔性節點連接時，使連接部位能夠產生良好的協調變形，有外力作用時，墻板與主體結構協調變形，避免墻體開裂和變形，或節點破壞導致墻板脫落造成災害的情況發生[7]。

文章研發的蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與主體結構的連接節點是一種三維空間可調的柔性連接節點構造。 墻板連接節點、預埋件和連接件如圖2所示。

圖2 墻板柔性連接節點構造圖

柔性連接節點由預埋在墻板中的U 形卡槽、帶豎向和橫向長圓孔的角鋼以及可轉換方向的扁頭螺栓組成。 主體結構受外力產生變形時，墻板下部的豎向預埋件和連接角鋼的豎向長圓孔，會允許墻板產生縱向的移位變形；墻板上部的橫向預埋件和連接角鋼的橫向長圓孔的存在，使得在主體結構發生變形時，墻板允許產生橫向的移位變形；而可轉換方向的扁頭螺栓中的彈簧構造，又實現了墻板隨主體結構變形允許墻板產生平面外的移位變形。 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板柔性連接節點的這種三維可調性，使主體結構在受力產生位移變形的擠壓作用下，蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與主體結構之間可以實現較好的協調移位變形，不宜造成墻板開裂；連接節點處不宜產生應力集中現象，這在一定程度上避免了由于節點的變形破壞而導致墻體脫落的現象。

(1) 墻板與鋼結構連接節點構造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與鋼結構鋼梁連接節點的具體構造形式，主要包括墻板外掛式連接節點和墻板內嵌式連接節點，如圖3 所示。

圖3 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與鋼結構連接節點圖/mm

(2) 墻板與混凝土結構連接節點構造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與混凝土結構梁的連接節點的具體構造形式，也主要包括墻板外掛式連接節點和墻板內嵌式連接節點，如圖4 所示。

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板作為一種非結構構件，除了需要承受自身重量、風荷載和水平地震作用外[8-9]，還需要將墻板承受的豎向荷載和水平荷載等有效的傳遞給主體結構；柔性連接節點是保證墻體(板)與框架共同作用的關鍵因素[10]，因此墻板節點的受力性能是工程應用中必須要解決的問題，采用文章提出的U 形卡槽螺栓柔性連接節點，其關鍵是預埋件的抗拉拔承載力，因此通過試驗研究墻板與主體結構柔性連接節點的力學性能，將會具有重要的工程實用意義。

圖4 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與混凝土結構連接節點圖/mm

2 墻板節點承載力需求分析

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板主要作用為圍護體系，雖然整體結構計算時，認為圍護作用墻板和整體結構框架不共同參與受力，但是在工程實際使用中，風荷載會直接作用在蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板上。因此在工程實際應用過程中，墻板的柔性連接節點需要具有一定的承受荷載能力，通過計算風荷載在墻板產生的作用力，驗算每個節點承載力能否滿足使用的要求。

選用實際工程常用的蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板規格，尺寸為3 000 mm×600 mm×200 mm，計算垂直于建筑物表面上的風荷載標準值時，按照標準GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[11]規定，外墻風荷載標準值由式(1)表示為

式中:ωk為風荷載標準值；βgz為高度z處的陣風系數；μsl為風荷載局部體型系數；μz為高度z處的風荷載體型系數；ω0為基本風壓，kN/m2。

依據GB 50009—2012[11]規定，0.6 kN/m2為國內基本風壓的最大值，各地區均不超過該數值，因此取基本風壓為0.6 kN/m2，可以基本符合國內大面積地區的使用要求。 對地面粗糙度類別為B、房屋高度在10～100 m 范圍時的風荷載作用下蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板柔性連接節點上的作用力進行計算分析[12-13]。 在實際工程常用的蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板規格中，單塊墻板平面尺寸為3 000 mm×600 mm，面積A＝1.8 m2。 地面粗糙度為B 類地區的風荷載作用力，計算結果見表1，其中ω為風荷載設計值，按ω＝1.4ωk計算；F為風荷載設計值與墻板面積相乘計算得出的風荷載總作用力。

由表1 可知，地面粗糙度為B 類、高度100 m 處風荷載作用下墻板產生的總拉拔力最大值為7.25 kN。 同樣方法，可以計算地面粗糙度為C 類、高度100 m 處風荷載作用下墻板產生的總拉拔力最大值為6.14 kN。 考慮到墻板在實際工程安裝或者使用時會出現的各種不利狀況，每一塊蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與主體結構連接時采用4 個節點(上下各2 點)，假如采用下托上掛方式，則只有兩個節點主要受側力，所以認為墻板兩個節點承載力應滿足在墻板的使用要求[14]。 取地面粗糙度為B 類、高度為100 m 處的風荷載作用下產生的總水平作用力7.25 kN 來驗算節點承載力，可以得到每個節點的承載力至少需要F＝7.25/2≈3.63(kN)才能滿足使用要求。

表1 地面粗糙度為B 類地區風荷載作用力表

3 柔性連接節點抗拉拔試驗研究

3.1 材料與方法

為了準確把握該新型柔性連接節點的抗拉拔性能，設計了5 種墻板試件進行節點的拉拔力試驗。3.1.1 材料構造與試件設計

5 種蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板及節點試件按照密度、厚度不同分別編號，見表2。 U 型卡槽為墻板柔性連接節點的墻內預埋件，可以轉換方向的扁頭螺栓為墻板的柔性節點連接螺栓，如圖5 所示。

表2 同強度等級的密度、厚度不同的柔性節點墻板試件表

圖5 U 形卡槽預埋件、可轉換方向的扁頭螺栓圖

3.1.2 試驗設備及加載方案

試驗裝置主要由20 t 錨桿液壓拉拔儀、數顯峰值壓力表、可轉換方向的扁頭螺栓、螺母以及相關試驗所需配件組成，試驗裝置圖、試件加載節點位置圖(試件③)如圖6、7 所示。

圖6 墻板拉拔力試驗裝置圖

圖7 墻板試件節點加載位置圖/mm

試驗開始之前，做好試驗前期準備工作，需要先查驗試驗過程中所需設備的準確性，檢查試件以及配件的完好性，拉拔儀器是否能正常使用，校準壓力表等工作。 試驗準備工作完成，進行墻板試件的放置、柔性節點的安置以及加載儀器的安裝。 試驗時將蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板試件水平放置，再把可轉換方向的扁頭螺栓安裝到墻板試件內部預埋的U 型卡槽的相應位置中，再依次安裝實驗所需的鋼墊板以及連接可轉換方向的扁頭螺栓與螺母，最后放置試驗加載拉拔儀器。 安裝好加載儀器以及試驗前期準備工作完成，開始進行試驗。

試驗加載方案為:試驗加載前期，手動控制加載儀器，錨桿液壓拉拔儀慢速增加荷載。 試驗進行過程中，時刻查看墻板試件柔性節點以及節點周圍墻板的變化，記錄墻板節點出現響聲時的荷載；記錄節點周圍試件的裂縫狀態以及相應荷載；記錄節點破壞時的現象以及荷載。 慢速加載，直到墻板柔性節點處于破壞狀態時結束，記錄下墻板節點各個加載階段的現象以及數字顯示峰值壓力表在各個加載階段下的荷載數值，試驗結束。

3.2 試驗現象

由于5 個墻板試件的試驗現象基本相同，現以墻板①為例具體描述。 試驗墻板①的4 個柔性節點依次標號為1-1、1-2、1-3、1-4，節點布置情況如圖8 所示。

前期施加荷載階段，手動控制加載儀器，慢速增加荷載，載荷數值比較小，節點周圍以及墻板并沒有明顯變形。 隨著試驗進行，施加荷載數值不斷變大，節點周圍墻板出現裂縫；在柔性節點1-1 儀器加載到26.0 kN，柔性節點1-2 儀器加載到20.0 kN，柔性節點1-3 儀器加載到16.4 kN，柔性節點1-4 儀器加載到15.3 kN 時，節點周圍墻板裂縫變大，鋼墊板下節點墻板混凝土出現外鼓現象，節點墻板附近變形非常嚴重，而且伴隨之的剪切破壞出現在鋼墊板四周附近，同時數值顯示壓力表上的數字不再變化，墻板節點的破壞狀態，如圖9 所示[15]。

圖8 墻板①節點布置圖/mm

圖9 墻板①節點試驗現象圖

3.3 結果與分析

根據蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板柔性節點拉拔力試驗，整理試驗結果和記錄的相關數據，可以得到每塊墻板試件的柔性節點拉拔力試驗數據，見表3。

表3 墻板柔性節點承載力試驗數據表/kN

由試驗現象和表3 可以看出，墻板節點承載力與墻板的密度、厚度和可轉換方向的扁頭螺栓連接位置等因素有關。 墻板厚度增加，節點承載力變大；墻板密度增加，節點承載力隨之變大。

為了消除試驗誤差因素影響，節點承載力取值時去掉墻板①拉拔力數據中的最大值和最小值，因此單個節點的承載力強度可取10 kN。

4 結論

通過對墻板節點承載力需求分析和5 塊蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板節點抗拉拔力試驗分析，主要得出以下結論:

(1) 墻板節點承載力與墻板的密度、厚度和可轉換方向的扁頭螺栓連接位置等因素有關。 墻板厚度增加，節點承載力變大；墻板密度增加，節點承載力隨之變大；同一墻板試件中，布置節點的位置不同，節點的承載力也不同。

(2) 每個節點的承載能力至少需要3.63 kN；試驗所得蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板每個節點的抗拉拔承載力可取10 kN，當基本風壓取0.6 kN/m2時，該墻板柔性節點強度可以滿足地面粗糙度為B、C 類地區、高度100 m 及以下的房屋建筑使用，并且柔性節點承載力存在一定的強度安全儲備。 理論分析和試驗表明，研發的U 形卡槽式螺栓柔性連接節點能夠滿足工程實際需求。