高層鋼結構與裝配式清水混凝土外墻掛板連接節點的抗震性能試驗研究

喬天順 王慶偉 李虎彬

1. 安陽市人民醫院 河南 安陽 455000；2. 河南省第二建設集團有限公司 河南 新鄉 453000

裝配式鋼結構住宅作為住宅產業化的重要形式之一，其以預制鋼構件為主的結構形式大大提升了建筑的綜合性能[1]，使得這一結構形式的整體性能遠大于傳統住宅結構。但裝配式鋼結構住宅的圍護結構材料和配套設施不完善[2-3]，包括外墻掛板與鋼結構的連接方式，因此解決外掛墻板的裝配問題，實現連接節點設計生產的標準化、產業化，是裝配式鋼結構住宅推廣中的關鍵問題之一。

國內外學者對墻板連接節點的受力性能、破壞模式等方面進行了一定的研究。孫立建等[4]對單層單跨1∶3縮尺的鋼框架外掛再生混凝土墻板試件進行了擬靜力試驗，重點研究該結構中外掛節點的破壞模式，對外掛節點形式提出了改進建議。王靜峰等[5]采用螺栓連接外掛復合墻板的半剛性鋼管混凝土框架試件，表明其具有良好的滯回性能，可以安全可靠地確保復合墻板與組合框架在地震作用下共同工作。劉學春等[6]研究了地震作用下U形連接節點和T形吊掛可控滑移節點連接的外掛預制墻板鋼框架的抗震性能、受力特征和失效模式，外掛預制墻板和鋼框架結構整體表現出良好的抗震性能和變形能力。谷倩等[7]對單面錨板節點與雙錨板節點進行節點抗彎試驗以及節點抗剪試驗研究，系統分析其受力機理及破壞模式。邱增美等[8]提出一種蒸壓輕質加氣混凝土外墻板與鋼梁之間的新型連接形式，該連接可避免在墻體上貫穿打孔，防止冷、熱橋現象的產生，并且在梁的下翼緣采用鉸接連接，與結構的隨動性更好，利于抗震。孫立建等[9]在外掛再生混凝土墻板鋼框架結構擬靜力試驗研究的基礎上，采用有限元程序對試件進行了非線性分析，對外掛墻板掛點位置、外掛墻板厚度和高跨比等參數進行了拓展分析。李九陽等[10]設計了復合墻板與鋼框架的柔性螺栓連接方式，并通過Abaqus軟件模擬和試驗分析了其在低周往復荷載作用下的承載力，得到了單個螺栓連接時的抗震承載力和極限位移。Wang B等[11]對外墻板鋼管混凝土框架結構進行了低周反復荷載試驗研究。張超[12]、林澤鑫[13]等研究了裝配式拼裝型減震墻板框架結構的抗震性能。FANG M J[14]、NAGAE[15]等通過足尺振動臺試驗，對ALC外墻板連接框架結構進行分析。邱繼生[16]、吳函恒[17]、郭宏超[18]等對墻板結構進行擬靜力荷載作用下的試驗研究，研究其在地震荷載作用下的受力特點和破壞機制。

現有的研究主要集中在墻板與框架連接整體性能方面，而節點連接的可靠性直接影響著結構的整體性能，針對這方面的研究卻相對較少。因此，本文提出一種新型可靠的清水混凝土外墻掛板與鋼結構框架的連接方式，開展連接節點試件平面內及平面外低周反復荷載試驗，測定連接節點平面內受力性能與變形能力。通過研究外掛連接節點在水平荷載（風荷載、地震荷載）作用下的受力性能、變形能力和破壞損傷模式，評估設防烈度下新型清水混凝土外墻掛板節點連接方式的安全性和適用性。

1 鋼框架與清水混凝土外墻掛板連接介紹

依托的某項目主體為25層裝配式純鋼框架-支撐結構，其圍護結構采用清水混凝土外墻掛板裝配式建造。在主體結構中，清水混凝土外墻掛板主要起圍護和裝飾作用，不考慮其分擔主體結構所承受的荷載和作用，只承受作用于其本身的荷載，包括自重、風荷載、地震荷載以及施工階段的荷載。

傳統預制混凝土外掛板板厚均在150 mm以上，自重較大，且連接節點復雜。高層鋼結構屬于對變形比較敏感的結構體系，在結構受力變形時，較大剛度的外圍護構件與結構主體無法協調變形，節點復雜也會造成后期維護困難，這些都會給結構帶來一定的安全隱患。

本文設計的外掛板采用薄板與肋梁相結合的形式，在滿足受力要求的前提下，比普通平板式掛板減少質量約1/2。外墻掛板的連接方式為平移式，簡化的連接節點均設置在肋梁位置，保證連接節點有足夠的強度，連接節點采用在連接件和預埋件之間設置帶有長圓孔的滑移墊片，形成平面內可滑移的支座，保證了外墻掛板在地震時能適應主體結構的最大層間位移角（圖1）。

掛板與主體結構連接設置4個支撐點：下部2個為承重點，主要承擔掛板自重；上部2個為非承重點，主要控制掛板的側向移動，如圖2所示。

清水混凝土外墻掛板通過角鋼和螺栓與主體結構連接，角鋼與主體結構之間設置聚四氟乙烯墊片，外墻掛板的連接方式為平移式。為保證外墻掛板在地震時適應主體結構的最大層間位移角，點支撐的連接節點一般采用在連接件和預埋件之間設置帶有長圓孔的滑移墊片，形成平面內可滑移的支座。

圖1 清水混凝土外墻掛板示意

圖2 掛板與主體結構連接示意

2 試驗方案

2.1 節點試件

節點試件分為2組，每組3個，共計6個。其中3個節點試件進行平面內抗側試驗，另外3個節點試件進行平面外抗側試驗，分別測定清水混凝土外墻掛板連接節點平面內、平面外的受力性能與變形能力。

6個節點試件均采用足尺比例制作，如圖3、圖4所示，鋼筋及混凝土的力學性能試驗如表1所示。

圖3 節點試件示意

圖4 節點連接示意

表1 鋼筋及混凝土力學性能

2.2 測點布置

主要量測內容包括：水平荷載值；清水混凝土外墻掛板水平位移（位移角）；角鋼轉角；角鋼關鍵部位應變；角鋼附件區域混凝土應變。具體測點布置情況如表2所示。1）平面內加載測點布置方案如圖5～圖7所示。2）平面外加載測點布置方案如圖8～圖10所示。

2.3 加載方案

參考JGJ 101—2015《建筑抗震試驗方法規程》和美國材料與試驗協會ASTM E2126—2011中的相關規定，采用位移控制方法。加載過程中，應保持反復加載的連續性和均勻性，加載和卸載的速度保持一致。具體方案如下：

表2 測點布置情況

圖5 位移傳感器布置方案

圖6 應變計布置方案 （角鋼四周混凝土）

圖7 應變計布置方案 （角鋼）

圖8 位移傳感器布置方案

圖9 應變計布置方案 （角鋼四周混凝土）

圖10 應變計布置方案 （角鋼）

1）采用位移控制加載。

2）采用25 t的MTS電液伺服作動器施加水平位移。

3）根據位移角確定各級加載的水平位移值，節點試件計算高度為1 400 mm，按照彈塑性位移角為1/50計算極限位移，極限位移為1 400/50=28 mm。

4）加載階段，以設計荷載的2.5%、5%、7.5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%、120%依次加載（即位移為0.7、1.4、2.1、2.8、5.6、11.2、16.8、22.4、28、33.6 mm），各級加載循環3次；加載速率為1 mm/s。

5）試件出現較明顯的損傷破壞或承載力下降到峰值荷載85%時試驗中止，每次加載保持相同的時間間隔，每次穩載3 min后采集數據。

2.4 清水混凝土外墻掛板節點試驗加載過程

分別對2組清水混凝土外墻掛板節點進行平面外和平面內加載，試件編號SP03、SP04、SP05開展節點試件平面外加載試驗，試件編號SP01、SP02、SP06開展節點試件平面內加載試驗，其加載過程如圖11所示。

圖11 清水混凝土外墻掛板節點試驗

3 試驗結果及分析

3.1 節點試件受力結果

1）SP01未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為－0.99 kN，角鋼應變為300 με，邊肋底部混凝土應變為300 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）時，最大荷載為－1.11 kN，角鋼應變為600 με，邊肋底部混凝土應變為200 με，角鋼均未屈服。

2）SP02未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為－1.08 kN，角鋼應變為400 με，邊肋底部混凝土應變為200 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）時，最大荷載為－1.18 kN，角鋼應變為500 με，邊肋底部混凝土應變為300 με，角鋼均未屈服。

3）SP03未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為－1.99 kN，角鋼應變為1 600 με，邊肋底部混凝土應變為100 με，均未屈服。因試驗過程中，SP03試件發生面外傾斜，故1.2倍極限位移加載量級取消。

4）SP04未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為2.06 kN，角鋼應變為1 700 με，邊肋底部混凝土應變為300 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）時，最大荷載為2.16 kN，角鋼應變為1 900 με（接近屈服），邊肋底部混凝土應變為250 με，均未屈服。

5）SP05未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為3.04 kN，角鋼應變為1 900 με，邊肋底部混凝土應變為200 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）時，最大荷載為3.28 kN，角鋼應變為2 300 με（接近屈服），邊肋底部混凝土應變為300 με。

6）SP06未發現明顯裂縫。施加位移±28 mm（1/50位移角）時，最大荷載為－1.04 kN，角鋼應變為700 με，邊肋底部混凝土應變為100 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）時，最大荷載為1.20 kN，角鋼應變為900 με，邊肋底部混凝土應變為100 με，角鋼均未屈服。

從最終的結果得出：平面內加載下，清水混凝土外墻掛板節點試件變形能力可達到1/42位移角；平面外加載下，清水混凝土外墻掛板節點試件變形能力也可達到1/42位移角。

3.2 滯回曲線分析

各試件水平荷載-水平位移關系滯回曲線如圖12所示，滯回曲線整體比較飽滿，反映出清水混凝土外墻掛板在地震作用下耗能較好，具有較好的抗震性能。從滯回曲線可以看出，試件的正反向加、卸載曲線各自呈現出一定的特點。

圖12 清水混凝土外墻掛板節點試件滯回曲線

對試件進行加載時，隨著荷載的增大，曲線的斜率減小；各向同次加載的曲線斜率越來越小，說明結構剛度退化。開始時荷載的卸載曲線斜率大，少有殘余變形；當試件屈服后，曲線斜率逐漸減小，殘余變形變大。加載過程中連接角鋼均未屈服，可滿足大震下外掛墻板連接節點的受力與變形要求。

3.3 骨架曲線分析

清水混凝土外墻掛板平面內及平面外的骨架曲線對比如圖13所示。在水平位移加至5.6 mm后，平面外試件的承載力基本保持穩定，而平面內試件的承載力持續增加，未出現承載力下降的現象，說明沿連接節點平面內方向，較好地約束了外墻掛板的變形，使外墻掛板始終沒有達到極限狀態，增大了結構的峰值和破壞位移。骨架曲線在發生小位移時出現“跳躍”的異常現象，這是加載前期外墻掛板的滑移滯后問題，待其后連接節點正常滑移后，其曲線呈現平穩或增加趨勢。因此，從骨架曲線結果可以得出，試驗連接節點具有良好的受力性能，連接可靠。

3.4 剛度退化特性對比分析

為了反映清水混凝土外墻掛板在水平低周反復荷載作用下的剛度退化特性，采用割線剛度法研究試件的剛度退化。

清水混凝土外墻掛板平面內及平面外的剛度退化曲線對比如圖14所示。隨著位移增加，塑性變形增大，剛度退化速度變慢。整個剛度衰減比較均勻，沒有明顯的剛度突變。

圖13 連接節點平面內、外 骨架曲線

圖14 剛度退化曲線

在試驗加載初期，清水混凝土外墻掛板連接部位出現裂縫并逐步擴展，導致結構抵抗水平荷載的能力迅速降低，剛度退化速度嚴重。到后期剛度退化曲線趨于平緩，說明在外墻掛板開裂破壞后，絕大部分退出工作，結構剛度主要由連接節點提供。

4 結語

結合設計圖紙及相關技術資料，根據相關規范以及試驗結果，通過清水混凝土外墻掛板連接節點受力性能試驗，得出如下結論：

1）平面內加載下，清水混凝土外墻掛板節點試件變形能力可達到1/42位移角；平面外加載下，清水混凝土外墻掛板試件變形能力也可達到1/42位移角；加載過程中連接角鋼均未屈服，可滿足大震下外掛墻板連接節點的受力與變形要求，因此，此種清水混凝土外墻掛板的連接節點可以在類似工程中推廣應用。

2）清水混凝土外墻掛板在高層鋼結構中的應用，在提高建筑裝配率的同時，解決了傳統建筑存在的自重大、構件跨度小、承載力低、整體延性差等問題，在未來的預制裝配式建筑中具有更好的適用性與更廣泛的推廣應用價值。