NL墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究

王立軍，胡一龍

(1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

引言

氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板(簡(jiǎn)稱NL墻板)，是一種以水泥為基材，植入特殊介質(zhì)，經(jīng)特殊加工工藝制成的能實(shí)現(xiàn)保溫、節(jié)能，且具有高強(qiáng)、防火、隔音、防水、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)的新型建筑墻板。而且氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板的材料是一種純無(wú)機(jī)的節(jié)能材料，墻體厚度是300 mm，傳熱系數(shù)0.13～0.15 W/(m2·K)，節(jié)能效果可達(dá)90 %以上。造價(jià)在2000～3000元/m2左右，性能優(yōu)越且成本低廉，適用于大規(guī)模推廣。

此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)輕質(zhì)墻板和鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相連的半柔性節(jié)點(diǎn)，并對(duì)此節(jié)點(diǎn)的抗風(fēng)荷承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 NL墻板構(gòu)造及墻板參數(shù)

1.1 墻板構(gòu)造

氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板是一種新型輕質(zhì)環(huán)保節(jié)能的綠色建材，材料內(nèi)部由極為微小的蜂窩狀泡孔進(jìn)行填充，均勻致密且互不相通，泡孔內(nèi)植入特殊介質(zhì)。泡孔阻隔了熱能傳導(dǎo)，增強(qiáng)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(jié)材80 %。墻板如圖1所示。

圖1 NL墻板圖

由于其保溫性能優(yōu)越、吸水率低、隔音抗震、防火輕質(zhì)等特點(diǎn)，可代替市場(chǎng)上現(xiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可以廣泛應(yīng)用于民用建筑、商場(chǎng)、大型場(chǎng)館、廠房、倉(cāng)庫(kù)、公共設(shè)施等各個(gè)領(lǐng)域。

1.2 墻板基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù) GB/T23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》規(guī)范[1]，對(duì)墻板基礎(chǔ)性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表1。結(jié)果表明此次試驗(yàn)墻板滿足規(guī)范的要求。

表 1 墻板基礎(chǔ)性能

2 新型連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及承載力計(jì)算

2.1 新型連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造

本文提出的新型連接節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)螺栓施加預(yù)緊力，控制節(jié)點(diǎn)移動(dòng)范圍，使連接節(jié)點(diǎn)在小震作用下不發(fā)生滑動(dòng)、在中震作用下可滑動(dòng)耗能、在大震作用下通過(guò)節(jié)點(diǎn)板限制位移，從而實(shí)現(xiàn)圍護(hù)系統(tǒng)的“小震不壞、中震可修、大震不倒”性能設(shè)計(jì)[2]。

新型節(jié)點(diǎn)主要包括S壓板、專用托件、鋼管錨固螺栓三個(gè)構(gòu)件。構(gòu)件詳圖見(jiàn)圖2、3、4、5。此節(jié)點(diǎn)可以分為上節(jié)點(diǎn)和下節(jié)點(diǎn)兩部分，上節(jié)點(diǎn)在S壓板下部開有一個(gè)水平橢圓孔，下節(jié)點(diǎn)在S壓板上部開有一個(gè)豎直方向橢圓孔。上節(jié)點(diǎn)橫向橢圓孔有利于墻板的左右滑動(dòng)，下節(jié)點(diǎn)豎向橢圓孔可以在施工安裝時(shí)調(diào)整誤差。錨固鋼筋在安裝時(shí)嵌入氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板中。該節(jié)點(diǎn)可認(rèn)定為半柔性節(jié)點(diǎn)，在鋼框架結(jié)構(gòu)受力較小時(shí)，該種新型連接節(jié)點(diǎn)無(wú)法克服節(jié)點(diǎn)與墻板間的摩擦力，節(jié)點(diǎn)與墻板之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，表現(xiàn)為剛性節(jié)點(diǎn)；當(dāng)受力逐漸增大，墻體相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)S壓板上的橢圓孔發(fā)生滑移，滑移過(guò)程中通過(guò)摩擦力和移動(dòng)變形消耗一部分能量，避免了墻板的破壞，此時(shí)可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)是柔性連接。當(dāng)受力繼續(xù)增大時(shí)，墻板開始與鋼結(jié)構(gòu)共同受力，提高了鋼結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板在實(shí)際工程中作為圍護(hù)墻板，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系計(jì)算時(shí)，主要由鋼框架承受荷載，NL墻板并不參與受力。但是，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，NL墻板會(huì)受到平面外的風(fēng)荷載。所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，墻板與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)需要有抗風(fēng)荷的能力。因此，驗(yàn)算此連接節(jié)點(diǎn)的承載力能否滿足實(shí)際工程的使用要求。

計(jì)算時(shí)選用氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板規(guī)格尺寸為3100 mm*600 mm*300 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]規(guī)定，當(dāng)計(jì)算垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，外墻所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值由下式(1)表示

ωk=βgzμslμzω0

(1)

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。

根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定可知，國(guó)內(nèi)基本風(fēng)壓的最大值為0.6kN/m2，其他地區(qū)的基本風(fēng)壓值均小于該數(shù)值。為增大實(shí)際工程安全儲(chǔ)備，此次驗(yàn)算選取基本風(fēng)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(fēng)荷載，作用到氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板連接節(jié)點(diǎn)上的承載力進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際工程生產(chǎn)的氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板規(guī)格中，墻板承受風(fēng)荷載的平面尺寸最大為3100mm×600mm，計(jì)算其表面積為1.86m2。地面粗糙度為B類地區(qū)的風(fēng)荷載作用力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其中ω為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，按ω=1.4ωk計(jì)算；F為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與墻板面積相乘計(jì)算得出的風(fēng)荷載總作用力[3]。

表 2 地面粗糙度B類地區(qū)風(fēng)荷載

2.3 風(fēng)荷載對(duì)連接節(jié)點(diǎn)作用力的分析

氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板與鋼結(jié)構(gòu)的連接方式中，墻板上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，也有四個(gè)節(jié)點(diǎn)(上下各兩個(gè)節(jié)點(diǎn))。為了確保實(shí)際施工的安全性，所以要確保在墻板上有2個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的極限承載力也需滿足施工要求。由表2可知，當(dāng)高度為100 m、地面粗糙度為B類時(shí)，風(fēng)荷載對(duì)墻板的作用力最大為7.50 KN。由此可以得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需要承受3.75KN的力才能達(dá)到應(yīng)用需求。

3 新型節(jié)點(diǎn)與墻板的拉拔試驗(yàn)

3.1 墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖6 節(jié)點(diǎn)與墻板連接圖

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩組變量，連接節(jié)點(diǎn)預(yù)埋深度分別為150 mm和200 mm?？紤]實(shí)際工程墻板較大，現(xiàn)場(chǎng)澆筑工作量較大，養(yǎng)護(hù)工序復(fù)雜，所以此次試驗(yàn)截取連接節(jié)點(diǎn)周圍400 mm*300 mm*300 mm的試塊代替。為了避免試驗(yàn)的偶然性，每組變量準(zhǔn)備了3塊構(gòu)件。構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)下表。

表 3 構(gòu)件參數(shù)表

其中，試驗(yàn)裝置主要由20 t錨桿液壓拉拔儀、數(shù)顯峰值壓力表、NL墻板、新型連接節(jié)點(diǎn)以及試驗(yàn)相關(guān)所需配件組成，試驗(yàn)裝置圖、試件加載節(jié)點(diǎn)位置圖如下。

圖7 試驗(yàn)裝置圖 圖8 節(jié)點(diǎn)放置圖

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)節(jié)點(diǎn)預(yù)埋深度為150 mm時(shí)，以質(zhì)量為40.75 kg、尺寸400*402*303 mm為例。采用拉拔儀加載，在加載數(shù)值達(dá)到10 KN之前，試塊無(wú)任何變化。繼續(xù)加載，數(shù)值達(dá)到15.40 KN時(shí)，試塊內(nèi)部發(fā)出“簌簌”聲響，同時(shí)預(yù)埋節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一小段位移，繼續(xù)加載到16.39 KN時(shí)，試塊發(fā)出“咔、咔”聲響，預(yù)埋節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的位移，同時(shí)在試塊側(cè)表面出現(xiàn)一條細(xì)長(zhǎng)裂縫，在節(jié)點(diǎn)周圍出現(xiàn)環(huán)繞節(jié)點(diǎn)的裂縫。此時(shí)，繼續(xù)對(duì)試塊加載，拉拔儀讀數(shù)增長(zhǎng)緩慢，幾乎不變。試塊側(cè)表面細(xì)長(zhǎng)裂縫變寬到裂開，預(yù)埋節(jié)點(diǎn)被拉出，停止加載。觀察節(jié)點(diǎn)沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的形變。

圖9 節(jié)點(diǎn)處裂縫15.40 KN 圖10 側(cè)面破壞裂縫15.40 KN

當(dāng)節(jié)點(diǎn)預(yù)埋深度為200 mm時(shí)。以質(zhì)量為40.15 kg，尺寸400*401*302 mm為例。采用拉拔儀加載，加載數(shù)值達(dá)到13.19 KN時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛剛開始有微小位移，試塊表面無(wú)任何現(xiàn)象。繼續(xù)增加荷載時(shí)，預(yù)埋節(jié)點(diǎn)位移逐漸增加，同時(shí)節(jié)點(diǎn)周圍裂縫開始發(fā)展。繼續(xù)加載到20.63 KN時(shí)，預(yù)埋節(jié)點(diǎn)已經(jīng)產(chǎn)生較小位移，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)周圍出現(xiàn)環(huán)繞節(jié)點(diǎn)的裂縫。此時(shí)，繼續(xù)對(duì)試塊加載，拉拔儀讀數(shù)增長(zhǎng)到24.62 KN時(shí)，試塊發(fā)出“咔”的一聲并且在側(cè)表面快速形成一條細(xì)長(zhǎng)裂縫。停止加載。

表 4 試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖11 節(jié)點(diǎn)周圍裂縫24.62 KN 圖12 試塊表面裂縫24.62 KN

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于此墻板主要材料是氮?dú)獍l(fā)泡混凝土，澆筑之后會(huì)存在孔隙，在試驗(yàn)拉拔過(guò)程中，連接節(jié)點(diǎn)擠壓發(fā)泡產(chǎn)生微小移動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的承載力為發(fā)泡混凝土的孔隙被壓縮而產(chǎn)生。當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)繼續(xù)產(chǎn)生位移，此時(shí)對(duì)應(yīng)的承載力為發(fā)泡混凝土被壓縮產(chǎn)生。由于試驗(yàn)過(guò)程人工操作，現(xiàn)象由人眼觀察，存在一定試驗(yàn)誤差，無(wú)法準(zhǔn)確得到連接節(jié)點(diǎn)壓縮孔隙所對(duì)應(yīng)的承載力。為增大實(shí)際工程安全儲(chǔ)備，在極限承載力范圍取值中，全部取其最小值。由此分別計(jì)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(yù)埋節(jié)點(diǎn)隨著錨固深度增加，周圍黏結(jié)的發(fā)泡混凝土增多，連接節(jié)點(diǎn)的預(yù)埋鋼筋受握裹力增加，試驗(yàn)表現(xiàn)的極限承載力也隨之增加。所以可知新型節(jié)點(diǎn)預(yù)埋深度增加會(huì)提高連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔極限承載力。

結(jié)語(yǔ)

1.本試驗(yàn)的新型預(yù)埋式節(jié)點(diǎn)可滿足地面粗糙度為B類地區(qū)、高度100 m及以下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系承受風(fēng)荷載的要求。

2.每個(gè)預(yù)埋式節(jié)點(diǎn)的承載力至少要達(dá)到3.75 KN，才能保證實(shí)際工程中抗風(fēng)性能的安全性。而由試驗(yàn)所得氮?dú)獍l(fā)泡自保溫混凝土墻板每個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力可知，新型連接節(jié)點(diǎn)極限荷載是高層實(shí)際風(fēng)荷載值的2.66～3.57倍，所以，新型連接節(jié)點(diǎn)的承載力在實(shí)際工程使用中存在一定的安全強(qiáng)度儲(chǔ)備。

3.新型節(jié)點(diǎn)預(yù)埋深度增加會(huì)提高連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔極限承載力。