輕骨料夾芯復合墻板及連接節(jié)點力學性能試驗研究

國 偉，劉麗華，李九陽，王 坦，唐佳軍

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

輕骨料夾芯復合墻板及連接節(jié)點力學性能試驗研究

國 偉，劉麗華，李九陽，王 坦，唐佳軍

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

設計輕骨料夾芯復合墻板試件及與鋼結構的連接節(jié)點。通過采用低周反復加載試驗，研究其力學和抗震性能，確定其破壞形式，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)獲得了(p-Δ)滯回曲線和骨架曲線，分析耗能和變形性能等。為夾芯復合墻板在輕型鋼結構住宅中的應用提供了試驗依據(jù)。

夾芯復合墻板；節(jié)點連接；力學性能；抗震性能

0 前言

混凝土夾芯復合墻板是輕鋼結構住宅中常用的復合墻板之一，這種墻板可以實現(xiàn)工廠預制化生產(chǎn)、裝配化施工，還具有較高的強重比、良好的節(jié)能保溫等優(yōu)點。在輕型鋼結構體系中鋼框架與復合墻板的連接節(jié)點是關鍵問題，但目前國內針對復合墻板以及與輕鋼結構連接節(jié)點的受力性能研究還相對較少。因此，本文開展研究復合墻板以及復合墻板與鋼結構連接節(jié)點的力學和抗震性能。通過采用低周反復加載試驗，分析夾芯復合墻板和連接節(jié)點的受力性能，主要包括復合墻板和連接節(jié)點在擬靜力荷載作用下的(p-Δ)滯回曲線、骨架曲線、變形性能和耗能性能等。

1 受力性能試驗研究

1.1 試件設計

本次試驗選用兩種類型復合墻板，共2塊復合墻板模型。試件、結點的工況見表1。

2塊墻板模型試件尺寸及構造如圖1所示，其中試件Y1是長春市豫新公司的產(chǎn)品，試件G1為本課題研究的新型夾芯復合墻板，Y1復合墻板厚度為300 mm，內外兩側混凝土板厚為50 mm，EPS保溫層厚200 mm，鋼筋桁架采用Φ8的CRB500鋼筋，鋼絲網(wǎng)架釆用CRB500的Φ3@50鋼筋；新型夾芯復合墻板G1的厚度為250 mm，內外兩側混凝土板厚各為50 mm，XPS保溫層厚150 mm，鋼筋桁架采用Φ5的CRB500鋼筋，鋼筋網(wǎng)架釆用Φ5@200的CRB500鋼筋。兩種墻板均使用C20的火山渣砼。

表1 試驗工況模型

復合墻板與鋼結構的連接節(jié)點構造如圖2所示。節(jié)點GZ1：在墻板設計連接位置處預埋一槽型鋼框((10×10×10) cm，鋼板厚5 mm)，鋼框下翼緣預留螺栓孔((12+1.5) mm)；鋼梁設上翼處緣預留螺栓孔((12+1.5) mm)；墻板吊裝就位后，M12螺栓依次穿過鋼梁翼緣、加焊鋼板、鋼框的下翼緣，擰緊螺栓帽，最后用泡沫混凝土封堵鋼框。節(jié)點GZ2：在墻板設計連接位置處預埋一工型預埋件(預埋件由2塊鋼板和1根套筒組成，鋼板尺寸為150×120×6 mm，內層鋼板埋置于墻板外葉混凝土中；外層鋼板埋置于墻板內葉，與墻板內側面平齊；鋼套筒M14長210 mm，半側空心處與內側面平齊)；鋼梁上表面焊接連接角鋼L90×10，豎肢開設螺栓孔((14+1.5) mm)；墻板吊裝就位后，擰緊螺栓。

(a)豫新混凝土復合墻板

(b)夾芯復合墻板圖1 復合墻板構造圖

1.2 試件制作安裝

復合墻板試件制作和安裝過程如圖3～圖4所示，墻板由工廠制作，養(yǎng)護完后運輸?shù)介L春工程學院防震減災結構實驗室，在實驗室內與鋼框架進行連接安裝。墻板試件制作安裝過程:1)鋼筋網(wǎng)架、預埋件以及保溫板的加工；2)粘貼鋼筋和預埋件應變片；3)筋網(wǎng)架內填塞保溫板；4)澆筑混凝土，養(yǎng)護28 d；5)安裝鋼框架；6)安裝復合墻板在鋼框架上；7)安裝作動器和應變采集儀。

(a)Y1墻板連接節(jié)點GZ1示意圖

(b)G1墻板連接節(jié)點GZ2示意圖圖2 連接節(jié)點構造圖

圖3 填充保溫板和粘貼應變片

圖4 澆筑混凝土和安裝鋼框架

1.3 試驗加載方案

本次采用擬靜力低周反復加載試驗，加載方法采用力—位移混合加載法[1]。試件屈服前采用控制力法，以作動器水平推力為正方向，拉力為反方向。初始值為0 kN，以±5 kN為加載步長，逐級增加荷載，每級持時2 min[2]。試件屈服后采用控制位移法，以試件屈服位移±Δy為控制位移步長，逐級增大位移，每級位移持時2 min，直至構件被破壞[3]，試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場加載圖

2 試驗結果及分析

本試驗制作了2塊復合墻板試件，并進行了低周往復加載試驗[4]。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，2塊墻板試件在加載荷載初始時為彈性階段，隨著荷載的增加，試件逐漸進入彈塑性階段，最后發(fā)生屈服破壞。Y1試件在90 kN破壞時的位移值為10.7 mm；G1試件在120 kN破壞時的位移值為9.8 mm。從圖6～7可得，Y1試件達到極限承載力90 kN時，節(jié)點GZ1連接螺栓被剪斷，而墻板尚未達到破壞狀態(tài)，節(jié)點先于墻板破壞；試件G1達到極限承載力120 kN時，節(jié)點GZ2連接螺栓被剪斷，而墻板尚未達到完全破壞狀態(tài)，節(jié)點先于墻板破壞?？梢娺B接節(jié)點決定了結構整體的承載能力，這體現(xiàn)了“節(jié)點”的重要性。因此，墻板與鋼框架的連接節(jié)點是該結構體系的關鍵因素。

圖6 Y1試件破壞現(xiàn)象

圖7 G1試件破壞現(xiàn)象

2.1 滯回曲線和骨架曲線分析

在試驗中作動器加載系統(tǒng)記錄了試件在反復荷載作用下的(p-Δ)關系滯回曲線和骨架曲線[2,5]，如圖8～11所示。

圖8 Y1的(p-Δ)滯回曲線圖

圖9 G1的(p-Δ)滯回曲線圖

圖10 G1的(p-Δ)骨架曲線圖

通過滯回曲線的對比可以得出，2塊復合墻板的滯回曲線捏攏程度小，滯回曲線飽滿，說明其抗震性能好。相比Y1的曲線，G1的滯回曲線捏攏現(xiàn)象更低，反映出G1構件的塑性變形能力強，節(jié)點性能更好，能較好地吸收地震能量，具有良好的抗震能力

和耗能能力。

圖11 Y1的(p-Δ)骨架曲線圖

通過骨架曲線的對比可以得出：2條曲線在加載荷載初始時為彈性階段，隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸減小，試件逐漸進入彈塑性階段，最后發(fā)生屈服破壞。圖中試件的骨架曲線都較為平滑，說明試件的破壞是延性破壞，試件的變形能力良好。Y1試件在90 kN時發(fā)生破壞，G1試件在120 kN時發(fā)生破壞，G1承載力優(yōu)勢明顯，而且G1曲線更加光滑，說明G1連接節(jié)點變形和延性能力更好。

2.2 變形性能分析

本文通過采用位移延性系數(shù)μ和轉角延性系數(shù)μθ來研究結構變形能力的大小，依據(jù)JGJ 101—96《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[6]，計算得到試件的μ以及μθ，見表2所示。

表2 各試件的層間位移角θ及延性系數(shù)μ

表2表明：2個試件的開裂位移角在1/600～1/1 000左右，小于多、高層鋼結構彈性層間位移角限值θe=1/300；2個試件的屈服位移角在1/150～1/250之間，小于多、高層鋼結構彈塑性層間位移角限值θe=1/50，通過比較，2塊復合墻板具有良好的變形性能和延性。

2.3 耗能分析

在結構抗震試驗中，通常采用能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he來評定結構的耗能能力[7]，依圖12所示，能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he的計算見式(1)[7-8],計算結果見表3。

(1)

式中：S(ABC+CDA)為滯回環(huán)包圍面積；S(△OBE+△ODF)為滯回環(huán)峰值、坐標原點、橫坐標軸圍成的三角形面積。

圖12 等效黏滯阻尼系數(shù)計算圖

表3表明：1)在極限狀態(tài)時，試件G1的等效阻尼系數(shù)he值0.28和能量耗散系數(shù)E值1.759均為最大值，耗能性能最好；2)在屈服狀態(tài)時，試件Y1比G1的等效阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E大一些，Y1的he值0.158，耗能性能也較好。

表3 各試件能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he

3 結語

主要是對2個試件進行設計制作并進行擬靜力加載試驗，通過試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結論：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)獲得了(p-Δ)滯回曲線和骨架曲線、耗能性能和變形性能等，綜合評價了夾芯復合墻板的抗震性能，試驗結果表明本文新型復合墻板受力性能較好。連接節(jié)點的性能是實現(xiàn)墻板與鋼結構協(xié)同作用的前提，本文新型連接節(jié)點與豫新墻板連接節(jié)點相比，具有較好的性能，為夾芯復合墻板在輕型鋼結構住宅中的應用提供了試驗依據(jù)。

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[8] 李斌.裝配式剪力墻結構縱橫墻新型連接技術研究[D].長春：長春工程學院，2015.

The Experimental Study on Mechanical Properties of Lightweight Aggregate Sandwich Composite Panels and Joints

GUO Wei，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The design to lightweight aggregate sandwich composite wall panels and connection joints with steel structure has been made in this article.By the low cyclic loading tests，the study to the mechanical and seismic performance has been made to define the failure form.According to the test data，(p-Δ) hysteretic curves and skeleton curves are obtained，and the energy dissipation and deformation performance are analyzed to provide experimental basis for the application of sandwich composite panels in light steel structure house.

sandwich composite wall panels；joints；mechanical properties；seismic behavior

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.002

2016-11-24

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) 國家級大學生創(chuàng)新項目(201511437024)

國偉(1989-)，男(漢)，山東臨沂，碩士 主要研究建筑結構。

劉麗華

TU317.1

A

1009-8984(2017)01-0005-05