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    外掛ALC 墻板-鋼框架及連接節(jié)點(diǎn)受力性能研究

    2022-04-02 07:10:14李鋒姬淑艷姜寶龍馮力強(qiáng)牛昌林陳鷙坤
    關(guān)鍵詞:鉤頭墻板層間

    李鋒,姬淑艷,姜寶龍,馮力強(qiáng),牛昌林,陳鷙坤

    (1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045;2.重慶大學(xué) 建筑管理與房地產(chǎn)學(xué)院,重慶 400045;3.甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730000;4.甘肅建投科技研發(fā)有限公司,甘肅蘭州 730000;5.華潤置地(重慶)有限公司,重慶 400050)

    目前,裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅主體的設(shè)計(jì)技術(shù)趨于成熟,生產(chǎn)和安裝也基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化,但圍護(hù)體系相關(guān)研究的滯后制約其應(yīng)用和推廣[1].不少學(xué)者對(duì)圍護(hù)體系展開了研究,文獻(xiàn)[2-8]研究表明,內(nèi)嵌式墻板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的初始剛度和承載力均有一定貢獻(xiàn);外掛式墻板對(duì)整體框架的滯回性能影響相對(duì)較?。?],連接節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵部位,是保證墻板和主體框架協(xié)同工作的前提[10-12],如果采用剛性連接或者在地震作用下墻板不能適應(yīng)主體框架的變形,往往導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞,墻板可能從高空脫落,對(duì)人員生命安全造成威脅.針對(duì)外掛式墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)的問題,文獻(xiàn)[13-15]設(shè)計(jì)了不同形式的柔性節(jié)點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)3種節(jié)點(diǎn)均有較高的承載力和一定的變形能力,能夠適應(yīng)多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅在地震作用下發(fā)生大的側(cè)向變形,但是上述連接節(jié)點(diǎn)的形式多樣,構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,難以符合構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、建筑工業(yè)化的發(fā)展要求.

    鉤頭螺栓固定工法是鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板常采用的連接節(jié)點(diǎn)形式,該連接構(gòu)造相對(duì)簡單,施工方便,便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),但是當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生較大側(cè)向彈塑性變形,該節(jié)點(diǎn)的適用性和可靠性需要進(jìn)一步研究.如圖集《蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(NALC)構(gòu)造詳圖》(03SG715-1)[16]規(guī)定:鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)僅適用于層間位移和剛度中等大小的鋼結(jié)構(gòu)體系,沒有詳細(xì)說明當(dāng)結(jié)構(gòu)層間位移角超越1∕120 rad 時(shí),墻板和節(jié)點(diǎn)的工作性能和損傷狀態(tài).圖集《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》(13J104)[17]第2.3.2 小節(jié)規(guī)定:墻板作為填充墻時(shí),對(duì)于超過24 m 的鋼結(jié)構(gòu)建筑,需要按照工程實(shí)際情況個(gè)體設(shè)計(jì).以上兩本圖集對(duì)鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)的適用范圍給出了限制,不便在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系應(yīng)用.

    此外,墻板在實(shí)際應(yīng)用過程中需要滿足一定使用要求,如開窗洞口.墻板窗洞會(huì)對(duì)受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的剛度和承載力產(chǎn)生重要影響,文獻(xiàn)[18-20]對(duì)內(nèi)嵌式墻板開窗洞的位置、面積等參數(shù)進(jìn)行了有限元分析,窗洞宜布置在兩邊緣柱中間的墻板,洞口應(yīng)遠(yuǎn)離邊緣柱;隨著墻板開洞面積的增大,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力均呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì).以上研究主要是利用有限元計(jì)算,分析了內(nèi)嵌式開洞墻板對(duì)鋼框架抗震性能的影響,對(duì)外掛式墻板開洞的研究較少,相關(guān)試驗(yàn)研究資料缺乏.

    基于以上兩點(diǎn),對(duì)外掛式墻板采用傳統(tǒng)鉤頭螺栓連接的鋼框架進(jìn)行試驗(yàn),側(cè)重分析柔性鋼框架發(fā)生較大水平變形時(shí),墻板的損傷狀態(tài)、裂縫開展情況、窗洞對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力性能的影響等,填補(bǔ)了相關(guān)圖集和目前研究空缺;其次根據(jù)鉤頭螺栓受力特點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)的局部損壞情況,提出了墻板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)孔周圍布置加密鋼筋網(wǎng)的抗震構(gòu)造措施,并對(duì)加強(qiáng)后墻板及鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析,為外掛墻板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考意見,以期在高烈度區(qū)或高度更大的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用.

    1 試驗(yàn)方案

    1.1 試件設(shè)計(jì)

    本次試驗(yàn)以典型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系為原型,參照設(shè)計(jì)圖集《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》(13J104)中鉤頭螺栓及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,不同之處是本文未設(shè)置專用托板,墻板的自重由鉤頭螺栓承擔(dān).共設(shè)計(jì)加工了4 個(gè)足尺試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),試件編號(hào)為S1、S2、S3 和S4,分別對(duì)應(yīng)不開窗洞墻板鋼框架、開窗洞墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)墻板鋼框架、節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)開窗洞墻板鋼框架.

    試件均為單層單跨平面鋼框架,鋼框架的高度和跨度為2 950 mm×5 040 mm,柱采用箱型鋼柱,截面尺寸為□400 mm×400 mm×14 mm,梁采用H 型鋼梁,截面尺寸為H350 mm×180 mm×8 mm×10 mm,梁、柱均采用Q345B 級(jí)鋼材,梁柱焊接連接在一起,框架與地梁采用M27 高強(qiáng)螺栓連接.試件信息詳見表1,開洞尺寸為1 800 mm×1 000 mm,試件S2(S4)的尺寸詳圖見圖1,試件S1和S3沒有開窗洞口,表2給出了不同厚度Q345B級(jí)鋼材的力學(xué)性能.

    表1 試件信息Tab.1 Specimen information

    圖1 試件尺寸詳圖(單位:mm)Fig.1 Details of specimens(unit:mm)

    表2 鋼材材性試驗(yàn)Tab.2 Test results of steel materials

    1.2 外掛ALC墻板豎裝及節(jié)點(diǎn)加密鋼筋網(wǎng)

    蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(ALC 板)委托重慶泰日建材有限公司進(jìn)行生產(chǎn),墻板強(qiáng)度等級(jí)為A5.0,墻板干密度級(jí)別為B06,干密度為625 kg∕m3,抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa,干燥收縮值為0.50 mm∕m,導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W∕(m·k),截面尺寸寬度和厚度為600 mm×150 mm,高度為2 990 mm.墻板之間的填縫材料選用水灰比0.25 的粘結(jié)砂漿,上部、下部鉤頭螺栓均與角鋼焊接,角鋼與鋼梁或鋼地梁焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)見圖2,鉤頭螺栓見圖3.

    圖2 鉤頭螺栓連接構(gòu)造Fig.2 Hook bolt connections

    圖3 鉤頭螺栓Fig.3 Hook bolt

    ALC墻板選擇TU板或企口形板,斷面圖見圖4,縱向受力鋼筋的直徑均為8 mm,橫向分布鋼筋直徑為6.5 mm,其中試件S3和S4對(duì)墻板連接節(jié)點(diǎn)處洞口進(jìn)行了局部加強(qiáng),由于墻板內(nèi)存在鋼筋保護(hù)層,橫向鋼筋網(wǎng)片之間距離為110 mm,在ALC 墻板內(nèi)鋼筋網(wǎng)之間的洞口位置,沿厚度方向每20 mm 設(shè)置加密的鋼筋網(wǎng),因此在每個(gè)墻板內(nèi)部螺栓孔洞處,沿厚度方向均設(shè)置了5 片加密鋼筋網(wǎng),每片加密鋼筋網(wǎng)構(gòu)造如圖5所示,試件S1和S2沒有采用加強(qiáng)措施.

    圖4 ALC墻板斷面(單位:mm)Fig.4 Section of ALC panels(unit:mm)

    圖5 加密鋼筋網(wǎng)構(gòu)造(單位:mm)Fig.5 Size of the reinforcing steel mesh(unit:mm)

    1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

    在試件的關(guān)鍵部位布置了位移計(jì)和應(yīng)變片,詳見圖6.位移計(jì)WYJ-1放置在地梁的中心線處,測(cè)量地梁的滑移值;位移計(jì)WYJ-2 放置在右側(cè)箱型鋼柱的底部,測(cè)量柱底部的滑移值;位移計(jì)WYJ-3 放置在最左側(cè)墻板的頂部,記錄結(jié)構(gòu)的整體變形情況.應(yīng)變片是左右對(duì)稱布置,鋼梁左側(cè)上翼緣、腹板和下翼緣分別為LB-1、LB-2 和LB-3,鋼梁右側(cè)對(duì)稱位置的應(yīng)變片記為RB-1、RB-2 和RB-3,左側(cè)鋼柱柱腳應(yīng)變片為LC-1~LC-4,右側(cè)柱腳應(yīng)變片為RC-1~RC-4,通過應(yīng)變片了解鋼構(gòu)件的內(nèi)力發(fā)展和屈服時(shí)序.

    圖6 位移計(jì)和應(yīng)變片布置Fig.6 Layout of displacement sensors and strain gauges

    1.4 試驗(yàn)加載裝置及加載方案

    試驗(yàn)在重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,利用200 t 千斤頂在試件頂部施加低周反復(fù)荷載,在框架的面外設(shè)置了側(cè)向支撐,防止出現(xiàn)面外失穩(wěn)的現(xiàn)象.同時(shí)對(duì)外掛ALC 墻板進(jìn)行了編號(hào),從右往左序號(hào)依次為1~9,9號(hào)板側(cè)邊的兩塊墻板序號(hào)為10、11,總計(jì)11塊墻板,見圖7.

    圖7 試件安裝及編號(hào)Fig.7 Specimens installation and sequence

    試驗(yàn)采用位移控制加載,在試驗(yàn)正式開始前先進(jìn)行預(yù)加載,水平方向施加反復(fù)荷載1 次,層間位移角取值1∕750 rad.正式加載是通過控制層間位移角實(shí)現(xiàn)的,第一階段的層間位移角分別為1∕1 000、1∕750 和1∕500 rad,這三級(jí)荷載均僅循環(huán)1 次,第二階段的層間位移角分別為1∕250、1∕150、1∕100、1∕75、1∕50 rad,這五級(jí)荷載(除1∕50 rad 外)各循環(huán)2 次,見圖8.當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一,停止試驗(yàn),1)試驗(yàn)水平荷載達(dá)到極限荷載的85%;2)鋼框架的側(cè)向彈塑性變形超過1∕50 rad.

    圖8 加載制度Fig.8 Loading system

    2 試驗(yàn)現(xiàn)象

    2.1 試件S1

    當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕500 rad 時(shí),3 號(hào)和4 號(hào)板材之間勾縫開始出現(xiàn)0.53 mm 的裂縫,往復(fù)荷載作用下,裂縫逐漸開展,控制位移達(dá)到1∕250 rad時(shí),4號(hào)板材下部螺栓節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)微小的斜向裂縫,且各板材豎向勾縫均有拉通延長的現(xiàn)象,墻板出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng).層間位移角增加到1∕150 rad 時(shí),5、6 號(hào)板材下部形成了貫通螺栓孔的裂縫,螺栓出現(xiàn)松動(dòng),層間位移角增加到1∕100 rad 時(shí),1~8 號(hào)各板底部均出現(xiàn)明顯貫通的斜裂縫,且伴隨混凝土剝落,墻板發(fā)生較大的錯(cuò)動(dòng)滑移,墻板的破壞形態(tài)呈現(xiàn)鋸齒狀(層間位移角1∕75 rad).整個(gè)加載過程中,螺栓沒有發(fā)生較大變形,螺栓和角鋼的焊縫連接依然可靠,試件S1 的破壞形態(tài)見圖9.鋼框架基本處于彈性狀態(tài),梁上翼緣左側(cè)應(yīng)變片LB-1測(cè)得應(yīng)變最大,應(yīng)力為275 MPa.

    圖9 試件S1破壞形態(tài)Fig.9 Final damage state of specimen S1

    2.2 試件S2

    與試件S1 不同的是,試件S2 在4 號(hào)、5 號(hào)和6 號(hào)墻板上開了窗洞.初次加載的層間位移角為1∕1 000 rad,3 號(hào)整板與4 號(hào)上下兩塊分板以及7 號(hào)整板與6號(hào)上下兩塊分板之間,出現(xiàn)了約2 mm 寬的裂縫.當(dāng)層間位移角增加到1∕500 rad 時(shí),窗洞四角的裂縫豎向延伸和開展,同時(shí)洞口周圍的螺栓孔處出現(xiàn)微小裂縫.層間位移角增加到1∕250 rad 時(shí),1 號(hào)與2 號(hào)板間的勾縫產(chǎn)生了通長裂縫,墻板之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng),6 號(hào)板下部螺栓孔洞處出現(xiàn)裂縫.當(dāng)加載級(jí)達(dá)到1∕75 rad時(shí),窗口鉤頭螺栓出現(xiàn)松動(dòng),有一定程度變形,但是螺栓沒有剪斷,仍然保持良好的工作狀態(tài),3號(hào)墻板底部出現(xiàn)貫通的裂縫,混凝土被壓碎,部分脫落.最終破壞的整體圖形如圖10所示,靠近窗洞的螺栓孔處混凝土擠壓破壞嚴(yán)重,但是整個(gè)加載過程中,其余部位沒有出現(xiàn)明顯裂縫和破壞.最大應(yīng)力發(fā)生在梁上翼緣左側(cè),達(dá)到269 MPa,鋼框架基本處于彈性狀態(tài).

    圖10 試件S2破壞形態(tài)Fig.10 Final damage state of specimen S2

    2.3 試件S3和S4

    通過試件S1和S2的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):層間位移角達(dá)到1∕250 rad 時(shí),墻板底部的螺栓連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫;層間位移角達(dá)到1∕75 rad時(shí),螺栓孔周圍的混凝土容易壓潰和脫落,說明該螺栓連接節(jié)點(diǎn)不能適應(yīng)主體鋼框架發(fā)生較大的側(cè)向變形.文獻(xiàn)[21]指出,墻板的配筋質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力影響較大,合適的鋼筋保護(hù)層厚度和焊接良好的縱橫鋼筋網(wǎng),有助于提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力,因此為了提高節(jié)點(diǎn)周圍墻板的承載力,增強(qiáng)混凝土受拉強(qiáng)度,本文提出了在墻板內(nèi)部節(jié)點(diǎn)周圍布置加密鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造措施,試件S3 和S4的ALC 墻板采用了如圖5 所示的加強(qiáng)措施,其余和試件S1和S2均一樣.

    試件S3 試驗(yàn)現(xiàn)象如下:當(dāng)層間位移角從1∕1 000 rad 增加到1∕500 rad 時(shí),4 號(hào)板、5 號(hào)板、8 號(hào)板和9 號(hào)板之間填縫砂漿出現(xiàn)微小的豎向裂縫,隨著控制位移的增加,裂縫不斷擴(kuò)展,砂漿出現(xiàn)掉落,墻板發(fā)生微小錯(cuò)動(dòng)滑移,當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕150 rad 時(shí),1 號(hào)板下部的節(jié)點(diǎn)首次出現(xiàn)水平裂縫;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕100 rad 時(shí),4 號(hào)板下部螺栓孔也出現(xiàn)了細(xì)小裂縫,延伸至墻板底端;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕50 rad時(shí),鋼框架左柱焊縫出現(xiàn)裂紋,8號(hào)板螺栓孔周圍出現(xiàn)水平裂縫,但是混凝土脫落很少,與試件S1 相比,螺栓孔周圍裂縫的數(shù)量大大減少,僅有兩塊墻板底部各出現(xiàn)一條裂縫,同時(shí)螺栓松動(dòng)程度降低,墻板損壞程度較輕,整體破壞形態(tài)見圖11,此時(shí)以墻板之間,豎向裂紋為主,每塊墻板自身有良好的整體性.

    圖11 試件S3破壞形態(tài)Fig.11 Final damage state of specimen S3

    試件S4 試驗(yàn)現(xiàn)象如下:當(dāng)層間位移角加至1∕1 000 rad 時(shí),3 號(hào)整板與4 號(hào)上下兩塊分板以及7號(hào)整板與6 號(hào)上下兩塊分板之間勾縫,均出現(xiàn)了明顯的豎向裂縫;層間位移角增加到1∕250 rad 時(shí),6 號(hào)上塊分板靠近窗洞部位,出現(xiàn)了斜裂縫;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕150 rad 時(shí),窗洞處的扁鋼與墻板脫落,8 號(hào)與9 號(hào)板及9 號(hào)與10 號(hào)板之間裂縫發(fā)展成通長縫;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕75 rad 時(shí),鉤頭螺栓出現(xiàn)一定變形,沒有發(fā)生破壞,仍可以正常工作,8號(hào)板螺栓孔周圍的混凝土部分脫落,墻板的整體性相對(duì)較好.應(yīng)變片LB-1 計(jì)算得到最大應(yīng)力為441 MPa,發(fā)生在鋼梁左側(cè)上翼緣處,鋼框架部分進(jìn)入屈服狀態(tài).

    圖12 試件S4破壞形態(tài)Fig.12 Final damage state of specimen S4

    2.4 變形特點(diǎn)及破壞狀態(tài)總結(jié)

    窗洞是薄弱部位,窗洞的角部容易率先出現(xiàn)斜向裂縫,可能會(huì)影響建筑的正常使用;層間位移角達(dá)到1∕150~1∕75 rad,墻板的破壞主要集中在下部螺栓節(jié)點(diǎn)周圍,罕遇地震下可能引發(fā)墻板脫落.構(gòu)件的破壞順序?yàn)椋捍岸矗ü?jié)點(diǎn)和角部)斜裂縫—ALC 墻板節(jié)點(diǎn)周圍貫通裂縫—鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)屈服并形成塑性鉸.

    由試件S3和S4可以發(fā)現(xiàn),加強(qiáng)后的墻板損傷狀態(tài)有明顯改善,下部螺栓周圍出現(xiàn)裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角從1∕250 rad 增大到1∕100 rad,墻板裂縫數(shù)量顯著減少,有效地減輕了墻板的開裂和局部塑性損傷程度.當(dāng)控制層間位移角達(dá)到1∕75 rad 時(shí),鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服階段,同時(shí)鉤頭螺栓仍可以正常工作,墻板不會(huì)掉落.《建筑幕墻》(GB∕T 21086—2007)[22]規(guī)定建筑幕墻抗震設(shè)計(jì)時(shí),平面內(nèi)變形能力應(yīng)不小于主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角控制值(1∕300)的3 倍,即主體框架層間位移角達(dá)到1∕100 rad 時(shí),墻板不應(yīng)出現(xiàn)破壞.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 20011—2010)[23]對(duì)建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)設(shè)定了高、中、低層次3 個(gè)要求,其中高要求指出:外觀可能損壞而不影響使用功能和防火能力,可經(jīng)受相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)1.4 倍以上設(shè)計(jì)撓度(約1∕150 rad)的變形,即墻板在設(shè)防地震下需要滿足功能要求,并且當(dāng)相連框架變形達(dá)到1∕107 rad時(shí),墻板不發(fā)生破壞.試件S3和S4均滿足上述要求,表明在ALC墻板內(nèi)部設(shè)置局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)可以有效地提高墻板的受力性能,這是一種可靠的抗震措施.

    對(duì)比4 次試驗(yàn)墻板的上部和下部連接節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn),下部節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)貫通螺栓孔的裂縫,裂縫數(shù)量多,但是上部節(jié)點(diǎn)裂縫較少,裂縫寬度不大.上部節(jié)點(diǎn)和下部節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相同,區(qū)別在于螺栓孔距離墻板短邊邊界的距離,下部節(jié)點(diǎn)距離?。?9 mm),上部為460 mm,更靠近墻板底側(cè)邊界,見圖5.初步分析,當(dāng)框架發(fā)生較大的側(cè)向變形,墻板節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)圓孔的應(yīng)力集中,引起的應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá)到1.5倍的孔口尺寸,而下部節(jié)點(diǎn)距離墻板邊界非常近,受到圓孔高峰應(yīng)力的影響,因此實(shí)際工程應(yīng)適當(dāng)增大下部連接節(jié)點(diǎn)到墻板邊界的距離.

    3 試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1 鋼框架滯回曲線

    鋼框架滯回曲線,即荷載-位移曲線如圖13 所示,可以發(fā)現(xiàn):

    圖13 荷載-位移曲線Fig.13 Load-displacement hysteretic loops

    1)4 個(gè)試件的滯回曲線相似,形狀均為S 形或Z形,加載初始階段,滯回曲線均接近直線,滯回環(huán)包圍的面積小,因?yàn)楦鳂?gòu)件基本處于彈性階段,殘余變形較小.隨著位移增大,包絡(luò)線的面積開始增加,曲線穩(wěn)定,但是曲線均沒有出現(xiàn)下降段,承載力一直增加,主要原因?yàn)榉戒摴苤目箯澇休d力較高,鋼框架抗側(cè)剛度較大,僅有部分構(gòu)件(如梁柱節(jié)點(diǎn))進(jìn)入屈服階段,此外試驗(yàn)中沒有考慮在柱頂施加軸力.

    2)試件S1 和S2 的滯回曲線幾乎重合,試件S3和S4 滯回曲線正向加載部分重合度也很高,表明外掛墻板開洞口對(duì)框架整體的滯回性能影響很小,可以忽略.原因是外掛式墻板通過鉤頭螺栓“掛”在鋼梁上,與內(nèi)嵌式墻板不同,不直接參與抵抗側(cè)向力.需要說明的是,負(fù)向加載時(shí),試件S3 和S4 荷載相差較大,最高達(dá)到50.7%,主要因?yàn)樵谪?fù)向加載過程中,試件S3的地梁存在滑移.

    3)試件S2和S4的滯回曲線形狀相似,負(fù)向加載時(shí),試件S4 的曲線斜率比S2 略大,對(duì)應(yīng)的荷載數(shù)值也略高,表明節(jié)點(diǎn)設(shè)置加密鋼筋網(wǎng)的構(gòu)造措施對(duì)主體框架的滯回性能存在一定影響,可以略微提高承載力.兩條曲線在正向加載的后3 個(gè)加載級(jí)存在一定差異,導(dǎo)致滯回耗能面積相差24.6%,原因同2),試件S4 的地梁出現(xiàn)小滑移,荷載沒有完全加到框架上.

    3.2 骨架曲線和剛度退化曲線

    圖14 是試件S1、S2 和S4 的骨架曲線,由于試件S3的地梁發(fā)生滑移,對(duì)荷載的數(shù)值影響較大,后續(xù)分析不采用試件S3 的數(shù)據(jù),圖15 是對(duì)應(yīng)的剛度退化曲線,可以發(fā)現(xiàn):

    圖14 骨架曲線Fig.14 Skeleton curves

    圖15 剛度退化曲線Fig.15 Rigidity degradation curves

    1)3 個(gè)試件骨架曲線特點(diǎn)很相似.加載初期,工字鋼梁、鋼柱等構(gòu)件處在彈性階段,荷載增長較快;隨著位移增大,骨架曲線的斜率開始下降,這是因?yàn)樯俨糠謽?gòu)件截面達(dá)到屈服應(yīng)變,開始進(jìn)入彈塑性階段,結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低,荷載增速放緩;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕50 rad(59.9 mm),墻板已經(jīng)發(fā)生了破壞,但是骨架曲線均沒有出現(xiàn)下降段,說明方鋼管柱-鋼框架具有良好的變形能力和較高的承載力,外掛式墻板對(duì)框架的受力性能影響很小.

    2)試件S1和S2的骨架曲線幾乎重合,剛度的大小和變化趨勢(shì)很接近,表明開窗洞對(duì)框架的承載力影響很小,可以忽略.試件S4 的負(fù)向荷載比S2 和S1略高,如在層間位移角為1∕75 rad時(shí),試件S4比S2承載力高7%,可以看出加強(qiáng)墻板的連接節(jié)點(diǎn)對(duì)框架的承載力也略有提高.試件S4 的剛度退化曲線存在突變,原因是正向加載的最后3 個(gè)加載級(jí),地梁出現(xiàn)了小滑移.

    3.3 能量耗散系數(shù)曲線

    鋼框架的能量耗散能力是通過滯回曲線的面積來衡量,本文采用能量耗散系數(shù)Edc指標(biāo)來評(píng)價(jià).圖16是試件S1、S2和S4的能量耗散系數(shù)曲線,可以看出,試件S1、S2、S4 的能量耗散系數(shù)總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),因?yàn)殡S著側(cè)向位移增大,梁柱節(jié)點(diǎn)及柱腳應(yīng)力逐漸達(dá)到屈服,材料進(jìn)入非線性,耗散能量.試件S4 地梁出現(xiàn)小的滑移,導(dǎo)致荷載沒有完全加上,滯回曲線不如預(yù)期的飽滿,耗能系數(shù)下降,出現(xiàn)一定波動(dòng).能量耗散系數(shù)最大值為0.65,遠(yuǎn)小于1,表明鋼框架整體塑性發(fā)展程度不高.

    圖16 能量耗散系數(shù)曲線Fig.16 Energy dissipation coefficient curves

    4 有限元模型建立

    4.1 單元類型及網(wǎng)格劃分

    采用有限元軟件ABAQUS,建立開窗洞墻板鋼框架S2 和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)開窗洞墻板鋼框架S4 的實(shí)體模型.墻板的截面尺寸、墻板內(nèi)鋼筋的直徑、布置和局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)尺寸等參數(shù)選自1.2小節(jié),鉤頭螺栓選用M12,型號(hào)為鉤頭160,角鋼規(guī)格為L63×6.

    墻板、鉤頭螺栓、角鋼、鋼梁和鋼柱均采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元C3D8R 模擬,墻板內(nèi)豎向受力鋼筋、橫向分布鋼筋和局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片均采用桁架單元Truss 模擬.經(jīng)過多次試算,鋼梁和鋼柱網(wǎng)格尺寸為60,墻板網(wǎng)格尺寸為80,墻板節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了多次切割,細(xì)分網(wǎng)格,使螺栓孔和周圍墻板單元之間合理過渡,確保網(wǎng)格質(zhì)量,鉤頭螺栓采用Sweep 劃分技術(shù)和Medial axis 算法,減小網(wǎng)格尺寸差異,受力鋼筋和局部加密鋼筋網(wǎng)格尺寸分別為50和15.

    4.2 材料本構(gòu)關(guān)系

    ALC 墻板本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS 有限元軟件中提供的混凝土CDP 損傷塑性模型,通過損傷因子dt和dc來表征輕質(zhì)混凝土的剛度退化和非彈性行為,參數(shù)的確定參考文獻(xiàn)[24],ALC 墻板材應(yīng)力-應(yīng)變曲線參考文獻(xiàn)[25],材料峰值抗壓強(qiáng)度σt取3.6 MPa,峰值抗壓強(qiáng)度σc取0.44 MPa,彈性模量Ec為1.658×103MPa,ALC 墻板密度為625 kg∕m3.由于混凝土為脆性材料,當(dāng)墻板拉應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí),判定墻板發(fā)生開裂,應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖17.

    圖17 ALC板損傷塑性模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.17 Stress-strain curve of ALC concrete damage plasticity mode

    ALC 墻板內(nèi)配筋采用HPB300鋼筋,屈服強(qiáng)度為300 MPa,彈性模量E1取2.1×105MPa,角鋼及鉤頭螺栓均采用Q235B 級(jí)鋼材,屈服點(diǎn)為235 MPa,彈性模量E2取2.1×105MPa,本構(gòu)關(guān)系均為雙斜線隨動(dòng)強(qiáng)化模型,塑性模量均為0.01倍的彈性模量,鋼梁及鋼柱的本構(gòu)關(guān)系按照表2,泊松比為0.3,采用Von Mises屈服準(zhǔn)則,鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖18.

    圖18 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.18 Stress-strain curve of steel

    4.3 邊界條件

    鉤頭螺栓與螺栓孔接觸,法向設(shè)置“Hard Contact”,切向摩擦系數(shù)為0.3,鉤頭螺栓端部與角鋼進(jìn)行綁定Tie,下部角鋼采用嵌固邊界,上部角鋼只釋放水平位移,即Ux≠0,Uy=Uz=θx=θy=θz=0.橫、豎鋼筋網(wǎng)以及局部加強(qiáng)鋼筋使用“Embedded Region”,直接嵌入到墻板內(nèi),不考慮鋼筋和混凝土之間滑移.

    鋼梁和鋼柱之間采用Tie模擬焊接,對(duì)鋼梁面外自由度進(jìn)行約束,即Uz=0,以此考慮側(cè)向約束,試驗(yàn)中鋼柱底部焊接了矩形鋼板,使用螺栓將矩形鋼板及上部鋼柱固定在鋼地梁上,有限元模型中對(duì)螺栓簡化處理,矩形鋼板一面與鋼柱Tie,另一面采用嵌固邊界.

    模型中不考慮ALC 墻板與填縫材料的作用,各塊墻板之間相互接觸,法向設(shè)置“Hard Contact”,切向摩擦系數(shù)為0.44[4].

    試件S4 的有限元模型以及網(wǎng)格劃分見圖19,ALC 墻板螺栓洞口的精細(xì)化模型見圖20,在墻板內(nèi)布置了5層加強(qiáng)的鋼筋網(wǎng)片.

    圖19 試件S4有限元模型Fig.19 Finite element model of Specimen S4

    圖20 試件S4單片墻板有限元模型Fig.20 Finite element model of specimen S4 wall panel

    5 有限元模型驗(yàn)證及受力機(jī)理分析

    5.1 有限元模型結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

    以試件S2和S4為例,鋼框架在水平荷載下的骨架曲線見圖21,初始彈性剛度有一定差異,軟件計(jì)算結(jié)果均大于試驗(yàn)結(jié)果,主要原因是鋼地梁在加載方向存在一定滑移,極限承載力的誤差相對(duì)較小.此外,對(duì)比試件S2或S4與純鋼框架(未布置ALC墻板)的骨架曲線可以發(fā)現(xiàn),兩條曲線幾乎重合,表明外掛式的墻板對(duì)主體框架的初始剛度、承載力等指標(biāo)影響小,同時(shí)也說明窗墻比的大小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較小,可以忽略.

    圖21 試件S2和S4的試驗(yàn)與模擬結(jié)果比較Fig.21 Comparison of S2 and S4 test and FEM skeleton curves

    圖22 是試件S4 墻板的第一主拉應(yīng)力云圖和第三主壓應(yīng)力云圖,對(duì)應(yīng)的層間位移角為1∕100 rad,可以發(fā)現(xiàn),局部螺栓洞口和窗洞周圍主應(yīng)力較高,是高峰應(yīng)力集中的部位,當(dāng)層間位移角進(jìn)一步增加,容易出現(xiàn)墻板局部開裂,但墻板整體壓應(yīng)力相對(duì)較低,因而墻板可以保持良好的整體性.試件S4 層間位移角達(dá)到1∕75 rad時(shí),在墻板螺栓孔周圍主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力均較高,形成了明顯的高峰應(yīng)力區(qū),值得注意的是,底部螺栓孔由于距離底部邊緣較近,底部邊緣仍然在高峰應(yīng)力區(qū)域內(nèi),圖23 顯示了兩塊相鄰墻板底部螺栓孔的應(yīng)力云圖,將以上計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)的破壞特征對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),本文采用的建模方法是合理的.

    圖22 層間位移角1∕100 rad試件S4墻板應(yīng)力Fig.22 Panel stress of S4 at story drift ratio 1∕100 rad

    圖23 層間位移角1∕75 rad試件S4墻板螺栓孔破壞Fig.23 Panel holes of S4 at story drift ratio 1∕75 rad

    5.2 應(yīng)力分析

    對(duì)有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理,得到試件S4 各部件在每個(gè)加載級(jí)下最大的應(yīng)力值,見圖24.圖24(a)當(dāng)層間位移角為1∕1 000 rad 時(shí),外掛墻板達(dá)到了峰值拉應(yīng)力,且主要集中在窗洞螺栓孔周圍,因此試驗(yàn)中窗洞附近螺栓孔容易最先出現(xiàn)貫穿裂縫.圖24(b)是不考慮螺栓孔周圍小區(qū)域的墻板最大壓應(yīng)力,墻板壓應(yīng)力隨著側(cè)向位移增大而增大,一直處于上升趨勢(shì),但低于墻板的峰值壓應(yīng)力,表明墻板整體壓應(yīng)力較低,因此加載過程中墻板可以保持良好的整體性能.圖24(c)當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕800 rad,窗洞附近的鉤頭螺栓最先達(dá)到屈服應(yīng)力,當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕125 rad 時(shí),鋼柱發(fā)生屈服,由此可知,構(gòu)件破壞的順序可能為:窗洞斜裂縫—ALC 墻板節(jié)點(diǎn)周圍貫通裂縫,鉤頭螺栓屈服—鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)屈服并形成塑性鉸,圖中鉤頭螺栓應(yīng)力一直上升是因?yàn)槁菟字車姆e分點(diǎn)應(yīng)力集中.圖24(d)中隨著位移增大,墻板內(nèi)橫向和縱向鋼筋的應(yīng)力一直在增加,但并未達(dá)到屈服,因?yàn)閴Π逭w應(yīng)力比較小,螺栓孔周圍加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)在層間位移角為1∕152 rad時(shí)達(dá)到屈服,并一直穩(wěn)定在屈服狀態(tài),表明加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)可以和墻板協(xié)同工作,共同承擔(dān)拉應(yīng)力,因此可以減少裂縫的數(shù)量和減小寬度.

    圖24 各部件最大應(yīng)力-位移曲線Fig.24 Maximum stress-displacement curve of each component

    5.3 外掛墻板適應(yīng)鋼框架變形能力分析

    為了研究水平荷載下,外掛墻適應(yīng)主體框架變形的情況,δ1為S4 鋼框架加載點(diǎn)側(cè)向變形,δ2為同一高度外掛墻板側(cè)向變形,δ為兩者之差,即δ=δ1-δ2,由圖25 可知,墻板和鋼框架的相對(duì)變形隨著位移增大而增加,但最大不超過1.7 mm,外掛墻板和鋼框架的側(cè)向變形基本一致,鉤頭螺栓使兩者能夠協(xié)同變形.

    圖25 鋼框架和外掛墻板相對(duì)側(cè)向變形Fig.25 Relative deformation of frame and panels

    受力機(jī)理分析如下:水平荷載下鋼框架會(huì)發(fā)生一定的側(cè)向變形,外掛ALC 條板采用鉤頭螺栓兩點(diǎn)連接支承方式與主體結(jié)構(gòu)連接,外掛墻板在面內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形,這是與內(nèi)嵌墻板的本質(zhì)區(qū)別,因此墻板的整體應(yīng)力相對(duì)較低,但是在螺栓孔周圍存在較大的拉應(yīng)力,裂縫通常集中在螺栓孔,對(duì)此可以考慮本文提出的局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的抗震措施,共同承擔(dān)螺栓孔的拉應(yīng)力,此外也可考慮增大螺栓孔至墻板底邊的距離,遠(yuǎn)離應(yīng)力區(qū).

    6 結(jié)論

    通過對(duì)4 榀裝配式外掛墻板鋼框架的試驗(yàn)研究和有限元分析,得到如下結(jié)論:

    1)窗洞是墻板的薄弱部位,如果多遇地震下窗洞螺栓孔附近也可能出現(xiàn)裂縫,需要引起重視,窗墻比對(duì)框架整體的抗震性能影響很小,可以忽略.

    2)墻板圖集中的鉤頭螺栓工法適用于多層或底層住宅的墻板連接構(gòu)造,墻板和框架可以協(xié)同工作,有如下變形特點(diǎn):層間位移角在1∕1 000~1∕500 rad時(shí),墻板之間的填縫材料開始出現(xiàn)豎向裂縫,其余構(gòu)件保持完好;層間位移角達(dá)到1∕300~1∕250 rad,填縫材料的豎向裂縫開展,數(shù)量增加,相鄰墻板發(fā)生較小錯(cuò)動(dòng),部分墻板下部連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)肉眼可見的裂縫,鋼梁鋼柱部分截面進(jìn)入屈服階段;當(dāng)層間位移角達(dá)到1∕75~1∕50 rad,各墻板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),墻板之間互相擠壓,端部呈現(xiàn)鋸齒狀形態(tài),連接節(jié)點(diǎn)松動(dòng),節(jié)點(diǎn)周圍混凝土脫落,該節(jié)點(diǎn)難以適應(yīng)鋼框架較大的變形.

    3)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片是一種可靠的抗震措施,能夠改善混凝土墻板螺栓孔洞處的受力狀態(tài),滿足罕遇地震下對(duì)外掛墻板的抗震性能要求.

    4)連接節(jié)點(diǎn)到墻板底邊或頂邊的距離對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能有很大影響,建議增加相應(yīng)距離,避免高峰應(yīng)力影響.

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