蒸壓加氣混凝土墻板柔性節(jié)點力學(xué)性能研究

周學(xué)軍，許國棟，王越，張藝凡，李明洋

(山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250101)

0 引言

大力倡導(dǎo)和發(fā)展裝配式建筑，既是實現(xiàn)我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑之一，又是實現(xiàn)我國建筑工業(yè)化的重要推手，發(fā)展裝配式建筑具有重大意義[1]。 2017 年3 月，住建部發(fā)布《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展‘十三五’規(guī)劃》，要求大力發(fā)展裝配式建筑，完善裝配式建筑相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系，積極發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系[2]。 國家大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等裝配式建筑，加氣混凝土墻板優(yōu)秀的性能和高附加值的性價比，使其成為鋼結(jié)構(gòu)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(jié)能的需要，我國輕型復(fù)合板的發(fā)展已形成品種多、發(fā)展快的局面，部分輕質(zhì)板、輕型復(fù)合板已形成了相當(dāng)大規(guī)模的生產(chǎn)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(zhì)、多孔的新型綠色環(huán)保的建筑板材，具有自重輕、耐火、隔音、隔熱和保溫等優(yōu)點，目前越來越多地應(yīng)用于多高層建筑結(jié)構(gòu)以及工業(yè)廠房建筑中[4]。 裝配式輕質(zhì)混凝土外墻板的推廣與應(yīng)用將推進(jìn)綠色建筑和住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)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(wǎng)片配筋，以生石灰、水泥作鈣質(zhì)材料，鋁粉(膏)作發(fā)氣劑，經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)而成的自身熱工性能即能滿足現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求的輕質(zhì)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(yīng)用廣泛。 輕質(zhì)墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是該墻板工程應(yīng)用的關(guān)鍵，因此文章提出一種墻板與主體結(jié)構(gòu)連接的柔性節(jié)點，并對節(jié)點的抗拉拔性能進(jìn)行了試驗研究。

1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構(gòu)造及其節(jié)點構(gòu)造

1.1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構(gòu)造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板是一種新型輕質(zhì)環(huán)保節(jié)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(jù)不同用途和具體結(jié)構(gòu)性能的要求，布置不同數(shù)量的鋼筋。 鋼筋需經(jīng)過防腐處理，布置完成后，焊接成網(wǎng)片組成鋼筋骨架。 墻板構(gòu)造如圖1所示。

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板質(zhì)量輕、強度高，用于混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)的外圍護(hù)墻時，相比傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的內(nèi)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(yōu)于傳統(tǒng)墻體，而且能起到防火阻燃的作用。 新型墻板還具有綠色環(huán)保、安裝便捷、工廠加工方便、耐久性能好等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于多、高層民用與工業(yè)建筑中[6]。

圖1 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板構(gòu)造圖/mm

1.2 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板節(jié)點

目前，裝配式墻板與主體結(jié)構(gòu)之間主要采用的連接方式為柔性連接。 柔性連接是采用預(yù)埋在墻板內(nèi)的U 形卡槽通過螺栓和角鋼等連接件安裝在結(jié)構(gòu)框架上的一種連接方式。 柔性節(jié)點連接時，使連接部位能夠產(chǎn)生良好的協(xié)調(diào)變形，有外力作用時，墻板與主體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，避免墻體開裂和變形，或節(jié)點破壞導(dǎo)致墻板脫落造成災(zāi)害的情況發(fā)生[7]。

文章研發(fā)的蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是一種三維空間可調(diào)的柔性連接節(jié)點構(gòu)造。 墻板連接節(jié)點、預(yù)埋件和連接件如圖2所示。

圖2 墻板柔性連接節(jié)點構(gòu)造圖

柔性連接節(jié)點由預(yù)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(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓組成。 主體結(jié)構(gòu)受外力產(chǎn)生變形時，墻板下部的豎向預(yù)埋件和連接角鋼的豎向長圓孔，會允許墻板產(chǎn)生縱向的移位變形；墻板上部的橫向預(yù)埋件和連接角鋼的橫向長圓孔的存在，使得在主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，墻板允許產(chǎn)生橫向的移位變形；而可轉(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓中的彈簧構(gòu)造，又實現(xiàn)了墻板隨主體結(jié)構(gòu)變形允許墻板產(chǎn)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(jié)點的這種三維可調(diào)性，使主體結(jié)構(gòu)在受力產(chǎn)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(jié)構(gòu)之間可以實現(xiàn)較好的協(xié)調(diào)移位變形，不宜造成墻板開裂；連接節(jié)點處不宜產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這在一定程度上避免了由于節(jié)點的變形破壞而導(dǎo)致墻體脫落的現(xiàn)象。

(1) 墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與鋼結(jié)構(gòu)鋼梁連接節(jié)點的具體構(gòu)造形式，主要包括墻板外掛式連接節(jié)點和墻板內(nèi)嵌式連接節(jié)點，如圖3 所示。

圖3 蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點圖/mm

(2) 墻板與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板與混凝土結(jié)構(gòu)梁的連接節(jié)點的具體構(gòu)造形式，也主要包括墻板外掛式連接節(jié)點和墻板內(nèi)嵌式連接節(jié)點，如圖4 所示。

蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板作為一種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除了需要承受自身重量、風(fēng)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(jié)構(gòu)；柔性連接節(jié)點是保證墻體(板)與框架共同作用的關(guān)鍵因素[10]，因此墻板節(jié)點的受力性能是工程應(yīng)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(jié)點，其關(guān)鍵是預(yù)埋件的抗拉拔承載力，因此通過試驗研究墻板與主體結(jié)構(gòu)柔性連接節(jié)點的力學(xué)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(jié)構(gòu)連接節(jié)點圖/mm

2 墻板節(jié)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(hù)體系，雖然整體結(jié)構(gòu)計算時，認(rèn)為圍護(hù)作用墻板和整體結(jié)構(gòu)框架不共同參與受力，但是在工程實際使用中，風(fēng)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(yīng)用過程中，墻板的柔性連接節(jié)點需要具有一定的承受荷載能力，通過計算風(fēng)荷載在墻板產(chǎn)生的作用力，驗算每個節(jié)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(guī)格，尺寸為3 000 mm×600 mm×200 mm，計算垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時，按照標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[11]規(guī)定，外墻風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值由式(1)表示為

式中:ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)；μz為高度z處的風(fēng)荷載體型系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

依據(jù)GB 50009—2012[11]規(guī)定，0.6 kN/m2為國內(nèi)基本風(fēng)壓的最大值，各地區(qū)均不超過該數(shù)值，因此取基本風(fēng)壓為0.6 kN/m2，可以基本符合國內(nèi)大面積地區(qū)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(fēng)荷載作用下蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板柔性連接節(jié)點上的作用力進(jìn)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(guī)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(qū)的風(fēng)荷載作用力，計算結(jié)果見表1，其中ω為風(fēng)荷載設(shè)計值，按ω＝1.4ωk計算；F為風(fēng)荷載設(shè)計值與墻板面積相乘計算得出的風(fēng)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(fēng)荷載作用下墻板產(chǎn)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(fēng)荷載作用下墻板產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)連接時采用4 個節(jié)點(上下各2 點)，假如采用下托上掛方式，則只有兩個節(jié)點主要受側(cè)力，所以認(rèn)為墻板兩個節(jié)點承載力應(yīng)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(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的總水平作用力7.25 kN 來驗算節(jié)點承載力，可以得到每個節(jié)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(qū)風(fēng)荷載作用力表

3 柔性連接節(jié)點抗拉拔試驗研究

3.1 材料與方法

為了準(zhǔn)確把握該新型柔性連接節(jié)點的抗拉拔性能，設(shè)計了5 種墻板試件進(jìn)行節(jié)點的拉拔力試驗。3.1.1 材料構(gòu)造與試件設(shè)計

5 種蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板及節(jié)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(jié)點的墻內(nèi)預(yù)埋件，可以轉(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓為墻板的柔性節(jié)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(jié)點墻板試件表

圖5 U 形卡槽預(yù)埋件、可轉(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓圖

3.1.2 試驗設(shè)備及加載方案

試驗裝置主要由20 t 錨桿液壓拉拔儀、數(shù)顯峰值壓力表、可轉(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓、螺母以及相關(guān)試驗所需配件組成，試驗裝置圖、試件加載節(jié)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(jié)點加載位置圖/mm

試驗開始之前，做好試驗前期準(zhǔn)備工作，需要先查驗試驗過程中所需設(shè)備的準(zhǔn)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(zhǔn)壓力表等工作。 試驗準(zhǔn)備工作完成，進(jìn)行墻板試件的放置、柔性節(jié)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(zhuǎn)換方向的扁頭螺栓安裝到墻板試件內(nèi)部預(yù)埋的U 型卡槽的相應(yīng)位置中，再依次安裝實驗所需的鋼墊板以及連接可轉(zhuǎn)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(zhǔn)備工作完成，開始進(jìn)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(jìn)行過程中，時刻查看墻板試件柔性節(jié)點以及節(jié)點周圍墻板的變化，記錄墻板節(jié)點出現(xiàn)響聲時的荷載；記錄節(jié)點周圍試件的裂縫狀態(tài)以及相應(yīng)荷載；記錄節(jié)點破壞時的現(xiàn)象以及荷載。 慢速加載，直到墻板柔性節(jié)點處于破壞狀態(tài)時結(jié)束，記錄下墻板節(jié)點各個加載階段的現(xiàn)象以及數(shù)字顯示峰值壓力表在各個加載階段下的荷載數(shù)值，試驗結(jié)束。

3.2 試驗現(xiàn)象

由于5 個墻板試件的試驗現(xiàn)象基本相同，現(xiàn)以墻板①為例具體描述。 試驗墻板①的4 個柔性節(jié)點依次標(biāo)號為1-1、1-2、1-3、1-4，節(jié)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(shù)值比較小，節(jié)點周圍以及墻板并沒有明顯變形。 隨著試驗進(jìn)行，施加荷載數(shù)值不斷變大，節(jié)點周圍墻板出現(xiàn)裂縫；在柔性節(jié)點1-1 儀器加載到26.0 kN，柔性節(jié)點1-2 儀器加載到20.0 kN，柔性節(jié)點1-3 儀器加載到16.4 kN，柔性節(jié)點1-4 儀器加載到15.3 kN 時，節(jié)點周圍墻板裂縫變大，鋼墊板下節(jié)點墻板混凝土出現(xiàn)外鼓現(xiàn)象，節(jié)點墻板附近變形非常嚴(yán)重，而且伴隨之的剪切破壞出現(xiàn)在鋼墊板四周附近，同時數(shù)值顯示壓力表上的數(shù)字不再變化，墻板節(jié)點的破壞狀態(tài)，如圖9 所示[15]。

圖8 墻板①節(jié)點布置圖/mm

圖9 墻板①節(jié)點試驗現(xiàn)象圖

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板柔性節(jié)點拉拔力試驗，整理試驗結(jié)果和記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到每塊墻板試件的柔性節(jié)點拉拔力試驗數(shù)據(jù)，見表3。

表3 墻板柔性節(jié)點承載力試驗數(shù)據(jù)表/kN

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

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

4 結(jié)論

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

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

(2) 每個節(jié)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(jié)點的抗拉拔承載力可取10 kN，當(dāng)基本風(fēng)壓取0.6 kN/m2時，該墻板柔性節(jié)點強度可以滿足地面粗糙度為B、C 類地區(qū)、高度100 m 及以下的房屋建筑使用，并且柔性節(jié)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(fā)的U 形卡槽式螺栓柔性連接節(jié)點能夠滿足工程實際需求。