NL墻板與鋼結構連接節點的試驗研究

王立軍，胡一龍

(1.張家口職業技術學院，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000)

引言

氮氣發泡自保溫混凝土墻板(簡稱NL墻板)，是一種以水泥為基材，植入特殊介質，經特殊加工工藝制成的能實現保溫、節能，且具有高強、防火、隔音、防水、長壽命等特點的新型建筑墻板。而且氮氣發泡自保溫混凝土墻板的材料是一種純無機的節能材料，墻體厚度是300 mm，傳熱系數0.13～0.15 W/(m2·K)，節能效果可達90 %以上。造價在2000～3000元/m2左右，性能優越且成本低廉，適用于大規模推廣。

此外，國內外對輕質墻板和鋼結構的連接方式研究比較少，所以本文提出了一種NL墻板與鋼結構相連的半柔性節點，并對此節點的抗風荷承載力進行了試驗研究。

1 NL墻板構造及墻板參數

1.1 墻板構造

氮氣發泡自保溫混凝土墻板是一種新型輕質環保節能的綠色建材，材料內部由極為微小的蜂窩狀泡孔進行填充，均勻致密且互不相通，泡孔內植入特殊介質。泡孔阻隔了熱能傳導，增強了建筑保溫隔熱性能，材料密度只有普通混凝土的1/5，比普通混凝土節材80 %。墻板如圖1所示。

圖1 NL墻板圖

由于其保溫性能優越、吸水率低、隔音抗震、防火輕質等特點，可代替市場上現有的粉煤灰加氣塊或是砂加氣塊等需要外貼保溫層的圍護結構產品，可以廣泛應用于民用建筑、商場、大型場館、廠房、倉庫、公共設施等各個領域。

1.2 墻板基礎參數

根據 GB/T23451—2009《建筑用輕質隔墻條板》規范[1]，對墻板基礎性能進行試驗，試驗結果匯總見表1。結果表明此次試驗墻板滿足規范的要求。

表 1 墻板基礎性能

2 新型連接節點構造及承載力計算

2.1 新型連接節點的構造

本文提出的新型連接節點，通過對螺栓施加預緊力，控制節點移動范圍，使連接節點在小震作用下不發生滑動、在中震作用下可滑動耗能、在大震作用下通過節點板限制位移，從而實現圍護系統的“小震不壞、中震可修、大震不倒”性能設計[2]。

新型節點主要包括S壓板、專用托件、鋼管錨固螺栓三個構件。構件詳圖見圖2、3、4、5。此節點可以分為上節點和下節點兩部分，上節點在S壓板下部開有一個水平橢圓孔，下節點在S壓板上部開有一個豎直方向橢圓孔。上節點橫向橢圓孔有利于墻板的左右滑動，下節點豎向橢圓孔可以在施工安裝時調整誤差。錨固鋼筋在安裝時嵌入氮氣發泡自保溫混凝土墻板中。該節點可認定為半柔性節點，在鋼框架結構受力較小時，該種新型連接節點無法克服節點與墻板間的摩擦力，節點與墻板之間無相對滑動，表現為剛性節點；當受力逐漸增大，墻體相對鋼結構通過S壓板上的橢圓孔發生滑移，滑移過程中通過摩擦力和移動變形消耗一部分能量，避免了墻板的破壞，此時可認為節點是柔性連接。當受力繼續增大時，墻板開始與鋼結構共同受力，提高了鋼結構的抗震能力和耗能效果。

圖2 壓板1 圖3 壓板2

圖4 鋼管錨剖視圖 圖5 專用托件

2.2 新型節點承載力計算

氮氣發泡自保溫混凝土墻板在實際工程中作為圍護墻板，對鋼結構體系計算時，主要由鋼框架承受荷載，NL墻板并不參與受力。但是，對于高層建筑來說，NL墻板會受到平面外的風荷載。所以，在實際工程應用中，墻板與鋼框架的連接節點需要有抗風荷的能力。因此，驗算此連接節點的承載力能否滿足實際工程的使用要求。

計算時選用氮氣發泡自保溫混凝土墻板規格尺寸為3100 mm*600 mm*300 mm，按照標準GB50009—2012《建筑結構荷載規范》[4]規定，當計算垂直于建筑物表面上的風荷載標準值時，外墻所受風荷載標準值由下式(1)表示

ωk=βgzμslμzω0

(1)

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。

根據GB50009—2012《建筑結構荷載規范》規定可知，國內基本風壓的最大值為0.6kN/m2，其他地區的基本風壓值均小于該數值。為增大實際工程安全儲備，此次驗算選取基本風壓為0.6kN/m2。選用房屋高度范圍在5～100m，地面粗糙度類別為B的風荷載，作用到氮氣發泡自保溫混凝土墻板連接節點上的承載力進行計算。在實際工程生產的氮氣發泡自保溫混凝土墻板規格中，墻板承受風荷載的平面尺寸最大為3100mm×600mm，計算其表面積為1.86m2。地面粗糙度為B類地區的風荷載作用力，計算結果見表2，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[3]。

表 2 地面粗糙度B類地區風荷載

2.3 風荷載對連接節點作用力的分析

氮氣發泡自保溫混凝土墻板與鋼結構的連接方式中，墻板上有兩個節點，也有四個節點(上下各兩個節點)。為了確保實際施工的安全性，所以要確保在墻板上有2個節點時，節點的極限承載力也需滿足施工要求。由表2可知，當高度為100 m、地面粗糙度為B類時，風荷載對墻板的作用力最大為7.50 KN。由此可以得到每個節點至少需要承受3.75KN的力才能達到應用需求。

3 新型節點與墻板的拉拔試驗

3.1 墻板與鋼結構連接的節點構造

圖6 節點與墻板連接圖

3.2 試驗設計

本次試驗共設計兩組變量，連接節點預埋深度分別為150 mm和200 mm。考慮實際工程墻板較大，現場澆筑工作量較大，養護工序復雜，所以此次試驗截取連接節點周圍400 mm*300 mm*300 mm的試塊代替。為了避免試驗的偶然性，每組變量準備了3塊構件。構件參數見下表。

表 3 構件參數表

其中，試驗裝置主要由20 t錨桿液壓拉拔儀、數顯峰值壓力表、NL墻板、新型連接節點以及試驗相關所需配件組成，試驗裝置圖、試件加載節點位置圖如下。

圖7 試驗裝置圖 圖8 節點放置圖

3.3 試驗現象

當節點預埋深度為150 mm時，以質量為40.75 kg、尺寸400*402*303 mm為例。采用拉拔儀加載，在加載數值達到10 KN之前，試塊無任何變化。繼續加載，數值達到15.40 KN時，試塊內部發出“簌簌”聲響，同時預埋節點產生一小段位移，繼續加載到16.39 KN時，試塊發出“咔、咔”聲響，預埋節點產生肉眼可見的位移，同時在試塊側表面出現一條細長裂縫，在節點周圍出現環繞節點的裂縫。此時，繼續對試塊加載，拉拔儀讀數增長緩慢，幾乎不變。試塊側表面細長裂縫變寬到裂開，預埋節點被拉出，停止加載。觀察節點沒有肉眼可見的形變。

圖9 節點處裂縫15.40 KN 圖10 側面破壞裂縫15.40 KN

當節點預埋深度為200 mm時。以質量為40.15 kg，尺寸400*401*302 mm為例。采用拉拔儀加載，加載數值達到13.19 KN時，節點剛剛開始有微小位移，試塊表面無任何現象。繼續增加荷載時，預埋節點位移逐漸增加，同時節點周圍裂縫開始發展。繼續加載到20.63 KN時，預埋節點已經產生較小位移，同時在節點周圍出現環繞節點的裂縫。此時，繼續對試塊加載，拉拔儀讀數增長到24.62 KN時，試塊發出“咔”的一聲并且在側表面快速形成一條細長裂縫。停止加載。

表 4 試驗結果匯總

圖11 節點周圍裂縫24.62 KN 圖12 試塊表面裂縫24.62 KN

3.4 試驗結果分析

由于此墻板主要材料是氮氣發泡混凝土，澆筑之后會存在孔隙，在試驗拉拔過程中，連接節點擠壓發泡產生微小移動，此時對應的承載力為發泡混凝土的孔隙被壓縮而產生。當繼續加載時，連接節點繼續產生位移，此時對應的承載力為發泡混凝土被壓縮產生。由于試驗過程人工操作，現象由人眼觀察，存在一定試驗誤差，無法準確得到連接節點壓縮孔隙所對應的承載力。為增大實際工程安全儲備，在極限承載力范圍取值中，全部取其最小值。由此分別計算兩種不同深度的極限承載力為10.03 KN和13.40 KN。

由表4可知，預埋節點隨著錨固深度增加，周圍黏結的發泡混凝土增多，連接節點的預埋鋼筋受握裹力增加，試驗表現的極限承載力也隨之增加。所以可知新型節點預埋深度增加會提高連接節點的抗拉拔極限承載力。

結語

1.本試驗的新型預埋式節點可滿足地面粗糙度為B類地區、高度100 m及以下建筑圍護結構體系承受風荷載的要求。

2.每個預埋式節點的承載力至少要達到3.75 KN，才能保證實際工程中抗風性能的安全性。而由試驗所得氮氣發泡自保溫混凝土墻板每個節點的抗拉拔承載力可知，新型連接節點極限荷載是高層實際風荷載值的2.66～3.57倍，所以，新型連接節點的承載力在實際工程使用中存在一定的安全強度儲備。

3.新型節點預埋深度增加會提高連接節點的抗拉拔極限承載力。