內(nèi)嵌式ALC墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的抗裂性能試驗(yàn)研究

周?婷，王子軒，王?雙，郭娟利，邸超陽

內(nèi)嵌式ALC墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的抗裂性能試驗(yàn)研究

周?婷1，王子軒2，王?雙3，郭娟利1，邸超陽2

(1. 天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)國際工程師學(xué)院，天津 300072；3. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)日益完善，但建筑構(gòu)造方面存在的問題越來越多，特別是鋼框架與填充墻之間的裂縫問題較明顯．因此，設(shè)計了4組足尺結(jié)構(gòu)模型，對其進(jìn)行靜力荷載作用下的試驗(yàn)，并采用裂縫計和光纖光柵位移傳感器進(jìn)行量測，通過比較各個試件在不同位移角下鋼框架與ALC墻板接縫處裂縫發(fā)展情況對不同建筑構(gòu)造形式中的鋼框架與ALC墻板接縫處的抗裂性能進(jìn)行綜合評估．試驗(yàn)結(jié)果表明：鉤頭螺栓的剛度遠(yuǎn)大于U型鋼卡，且鉤頭螺栓、耐堿玻纖網(wǎng)格布都對ALC板與鋼梁鋼柱接縫處的裂縫有很好的抑制作用，ALC板與鋼柱接縫寬度對裂縫的抑制不明顯．光纖光柵位移傳感器靈敏度較高，不適用于墻板裂縫測量．建立鋼框架內(nèi)嵌ALC墻板結(jié)構(gòu)有限元模型并驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性．分析了連接件、耐堿玻纖網(wǎng)格布以及ALC墻板與鋼框架接縫寬度等參數(shù)對鋼框架內(nèi)嵌ALC墻板接縫處抗裂性能的影響規(guī)律，并提出了一種有利于防止裂縫產(chǎn)生的建筑構(gòu)造措施．

ALC墻板；鋼框架；抗裂性能；靜力試驗(yàn)

蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土墻板簡稱ALC(autoclaved light-weight concrete)板[1]，是以水泥、石灰、粉煤灰等為主要原料，且內(nèi)部還有增強(qiáng)鋼筋在蒸汽高壓養(yǎng)護(hù)下而形成的多氣孔輕質(zhì)板材[2]．由于ALC板具有保溫隔熱、質(zhì)輕和耐火的特性，其廣泛應(yīng)用于住宅以及工業(yè)建筑外墻、內(nèi)隔墻和屋面板等．

目前國內(nèi)外學(xué)者已對ALC板的靜力性能、抗震性能以及施工工藝等進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究及相關(guān)理論分析[3-10]．胡建軍[11]以不同板厚、跨度和配筋率為試驗(yàn)參數(shù)對7塊ALC板進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)．研究表明，板的強(qiáng)度和抵抗變形能力隨著板厚的增加而增加；配筋率對ALC板的開裂荷載影響較小，但對開裂撓度影響明顯；同時板的開裂撓度和開裂荷載與截面高度、縱向鋼筋配筋率和跨度都有關(guān)；ALC板的極限荷載與開裂荷載的比值較高，導(dǎo)致板開裂的同時變形較明顯．Yang等[12]對6個ALC墻體試件進(jìn)行了單調(diào)水平加載和對一個鋼框架內(nèi)嵌ALC墻板模型進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究表明，ALC板對鋼框架的剛度有較大貢獻(xiàn)，并對ALC板與鋼框架的連接件進(jìn)行了研究．

王波等[13]、Wang等[14]以柱截面、連接件、連接方式、墻板厚度為試驗(yàn)參數(shù)對鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn)，其結(jié)果表明：鋼框架內(nèi)嵌ALC板的鋼梁破壞要早于鋼管混凝土外掛ALC板，內(nèi)嵌ALC板在連接件附近、墻板之間和墻板與框架的接觸部位的裂縫數(shù)量要多于外掛ALC板，方鋼框架ALC板裂縫明顯多于圓鋼框架ALC板，但圓鋼框架內(nèi)嵌ALC板的抗震性能強(qiáng)于方鋼框架；隨著墻板厚度的增加，無論鋼框架外掛ALC板還是內(nèi)嵌ALC板均具有良好的變形能力和抗震性能．肖偉[15]以用新型預(yù)埋件連接的ALC板4種不同安裝形式為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了抗震試驗(yàn)，結(jié)果表明，ALC板能明顯提高結(jié)構(gòu)的剛度，其中內(nèi)嵌ALC板尤其明顯，同時鋼框架外掛和內(nèi)嵌ALC板可以降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響明顯．

王波等[16]以鉤頭螺栓、角鋼、搖擺件和U形鋼卡4種連接節(jié)點(diǎn)為試驗(yàn)參數(shù)，對不同板材的鋼框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，角鋼、U形鋼卡和搖擺件對于鋼框架外掛ALC板結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；采用合理的構(gòu)造措施，在地震作用下，4種連接形式均可以與ALC板填充鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作和共同受力．

ALC板內(nèi)部有大量的孔隙，這一特性是ALC板保溫性能好和力學(xué)性能高的主要原因．然而孔壁也含有大量的微孔，約占總面積的10%[17]，微孔的存在容易使ALC板產(chǎn)生毛細(xì)吸附，從而增加ALC板的吸水量．當(dāng)ALC板含水量發(fā)生較大變化時，其與主體結(jié)構(gòu)接縫處就會產(chǎn)生較大變形；同時在地震作用下，ALC板與鋼框架會產(chǎn)生相對位移，當(dāng)?shù)卣鹆Υ笥谥黧w結(jié)構(gòu)與ALC板之間的黏結(jié)力時，主體結(jié)構(gòu)與ALC板連接處就會產(chǎn)生裂縫，這是目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)中ALC板與鋼框架間裂縫無法解決的主要問題．楊培東[18]對12個工程項(xiàng)目的ALC板裂縫進(jìn)行調(diào)研，從ALC板齡期、嵌縫時間、嵌縫材料、構(gòu)造措施和施工工藝進(jìn)行總結(jié)歸納，并對15塊ALC板的物理性能進(jìn)行試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明，墻板齡期、濕度和含水率以及施工質(zhì)量對墻板開裂影響較大，并提出了可以減少或避免墻板裂縫產(chǎn)生的施工方法．

目前針對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌ALC板在抗震性能以及施工工藝等方面研究比較全面，針對ALC板自身的物理特性而產(chǎn)生的裂縫問題也已基本解決[19-21]，但是針對ALC板與鋼框架之間裂縫發(fā)展規(guī)律的研究較少，缺乏成系統(tǒng)的、多參數(shù)的深入研究．ALC板與主體結(jié)構(gòu)裂縫的研究多為實(shí)際工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)所得，缺乏正規(guī)的試驗(yàn)研究和模擬分析，且目前墻體裂縫已成為建設(shè)單位和業(yè)主普遍關(guān)注的問題，因此有必要開展鋼框架內(nèi)嵌ALC板的裂縫發(fā)展規(guī)律研究．

本文對4組足尺的鋼框架內(nèi)嵌ALC板建筑構(gòu)造模型進(jìn)行靜力試驗(yàn)，研究不同建筑構(gòu)造形式對ALC墻板與鋼柱和鋼梁接縫處的裂縫在不同位移角下的影響，并通過建立有限元模型驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的準(zhǔn)確性；基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模型，分析了連接件、耐堿玻纖網(wǎng)格布以及ALC墻板與鋼框架縫隙等參數(shù)對鋼框架內(nèi)嵌ALC墻板接縫處抗裂性能的影響規(guī)律，并提出了一種有利于防止裂縫產(chǎn)生的建筑構(gòu)造措施．

1?試驗(yàn)概況

1.1?試件設(shè)計與制作

試驗(yàn)設(shè)計了4組單層單跨鋼框架內(nèi)嵌ALC板結(jié)構(gòu)，各試件間的尺寸基本一致，只有連接件和建筑構(gòu)造不同．單層墻體高度為3330mm，寬度為1525mm和1545mm，結(jié)構(gòu)厚度為150mm，墻體總厚度為300mm，鋼柱尺寸為150mm×14mm，鋼梁尺寸為HW150×150×7×10．具體結(jié)構(gòu)如表1和圖1所示．

試件加工過程中首先鋼柱與鋼梁通過焊接構(gòu)成鋼框架，并內(nèi)嵌兩塊ALC板，然后ALC板通過鉤頭螺栓或焊接在鋼梁上的U型鋼卡進(jìn)行連接，在ALC板和鋼梁鋼柱連接位置處經(jīng)過專業(yè)填縫處理[22](寬度為10mm或20mm)，并在墻體外側(cè)粘錨巖棉板，鋼梁腹板內(nèi)側(cè)塞巖棉板，外側(cè)掛50mm ALC板與墻體兩側(cè)找平，最后在墻體兩側(cè)粘貼2層或3層耐堿玻纖網(wǎng)格布并粉刷膩?zhàn)雍腿槟z漆．

表1?試件參數(shù)

Tab.1?Parameters of specimens

圖1?試件尺寸及構(gòu)造

ALC板與鋼梁的連接構(gòu)造如圖2所示，其中C型鋼與鋼梁的翼緣焊接，用來固定鋼梁腹板內(nèi)側(cè)填充的巖棉板和ALC板，鉤頭螺栓通過焊接在鋼梁翼緣上的角鋼進(jìn)行連接固定．

在鋼框架的兩端分別焊有30mm厚的底板和頂板，在試件頂部用高強(qiáng)螺栓固定加載梁，在加載梁頂部同樣用高強(qiáng)螺栓固定分配梁，且分配梁用鋼管約束．試件底板通過8根錨栓及兩側(cè)限位梁與地面牢固連接，以消除兩者變形對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響．

圖2?ALC板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)

1.2?量測方案

由于試驗(yàn)只研究不同位移角下的鋼框架與ALC板間的裂縫，故沒有設(shè)置軸壓，只有水平位移．試驗(yàn)主要測量的是試件隨水平千斤頂運(yùn)動方向的水平位移，以及鋼柱鋼梁和ALC板接縫處隨試件頂部位移變化的裂縫發(fā)展情況．

測點(diǎn)如下：試件的水平位移由放置在試件一側(cè)的位移計測量，位移計W1、W2、W3分別布置在下部鋼梁處、試件中部和試件頂部鋼梁上翼緣處；試件共布置16個應(yīng)變片，8個應(yīng)變花，測量鋼梁鋼柱關(guān)鍵位置的應(yīng)力應(yīng)變；試件墻板內(nèi)側(cè)共布置6個裂縫計和3個光纖光柵位移傳感器，并記為A面，另一側(cè)為B面．各量測裝置的布置和說明如圖3所示．

圖3?量測裝置布置

1.3?試驗(yàn)設(shè)備與加載方案

試驗(yàn)在天津大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，使用300t反力架和100t拉壓千斤頂在結(jié)構(gòu)頂部的加載梁上提供側(cè)向水平荷載．鋼框架底板與地面通過8根錨栓及兩側(cè)限位梁固定，保證底板不會出現(xiàn)滑移．分配梁通過高強(qiáng)螺栓與加載梁固定，同時用鋼管將分配梁進(jìn)行限位，防止平面外失穩(wěn)，將100t千斤頂連接在加載梁上，通過位移控制對試件進(jìn)行加載．加載裝置如圖4(a)所示．

試驗(yàn)加載采用直接正式加載方式，加載過程采用分級加載制度．觀測3號位移計位移從0分30級加載到68mm即可，位移角由3號位移計的讀數(shù)/試件高度所得，每級加載持荷5min，然后再加載下一級．直到位移加載到1/50，停止試驗(yàn)．加載制度如圖4(b)所示．

1.4?試件安裝

根據(jù)試驗(yàn)前編制的施工組織安排，合理組織墻板進(jìn)場并進(jìn)行合格驗(yàn)收，同時需要保證ALC板的合理貯存，堆放在防潮、防雨的棚內(nèi)，板兩端的1/5處用木材或加氣磚墊起，每堆不超過2m．試件安裝順序如下：ALC板安裝→巖棉板和ALC板包梁→鋼梁鋼柱與ALC板接縫處的填縫處理→涂刷砂漿和網(wǎng)格布→外墻內(nèi)側(cè)粉刷膩?zhàn)印鈮ν鈧?cè)粘錨巖棉板→粉刷乳膠漆．試件安裝如圖5所示．

圖4?加載示意

（a）鋼框架（b）ALC板安裝 （c）安裝巖棉板（d）粉刷乳膠漆

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?試驗(yàn)現(xiàn)象與裂縫發(fā)展?fàn)顩r

試驗(yàn)過程可分為3個階段：鋼梁鋼柱與ALC板接縫處無裂縫階段、鋼梁鋼柱與ALC板接縫處產(chǎn)生裂縫并伴有輕微爆皮階段與鋼梁鋼柱與ALC板接縫處裂縫明顯且膩?zhàn)哟罅棵撀潆A段．

對于Q1試件，第1階段位移角在1/1200～1/300變化過程中，鋼梁鋼柱與填充墻接縫處無裂縫產(chǎn)生．第2階段位移角在1/300～1/120變化過程中，位移角到1/200時，2號和5號裂縫計周圍有大量輕微裂縫產(chǎn)生；位移角到1/120時，兩塊填充墻的拼接處出現(xiàn)一道貫通整塊板的裂縫，并出現(xiàn)爆皮．第3階段位移角在1/120～1/50變化過程中，當(dāng)位移角達(dá)到1/110時，填充墻與下鋼梁的接縫處出現(xiàn)了一道40mm長的斜裂縫，兩塊填充墻接縫處正上方的裂縫出現(xiàn)輕微爆皮；隨著繼續(xù)加載，位移角達(dá)到1/80時，兩塊填充墻接縫處正上方的裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展，且左側(cè)出現(xiàn)裂縫處膩?zhàn)訃?yán)重爆皮，并帶有大塊膩?zhàn)用撀洌?號裂縫計周圍裂縫出現(xiàn)局部輕微爆皮；位移角達(dá)到1/50時，5號裂縫計周圍裂縫處有明顯膩?zhàn)用撀?，填充墻之間的裂縫出現(xiàn)大面積膩?zhàn)用撀?，頂梁和底梁橫縫與鋼柱兩側(cè)豎縫破壞已經(jīng)非常嚴(yán)重，此時停止加載．試件各階段的裂縫詳圖如圖6～圖9所示．第2階段位移角在1/250～1/110變化過程中，位移角到1/200時，1號、2號和4號裂縫計周圍出現(xiàn)大量輕微斜裂縫；位移角到1/165時，1號、2號和4號裂縫計周圍斜裂縫持續(xù)增多；位移角到1/110時，1號和2號裂縫計間出現(xiàn)小面積膩?zhàn)用撀洌珹LC板間出現(xiàn)裂縫．第3階段位移角在1/110～1/50變化過程中，位移角到1/68時，1號和2號裂縫計間膩?zhàn)用撀涓黠@，4號和5號裂縫計間也出現(xiàn)膩?zhàn)用撀?；位移角?/50時，1、2、4和5號裂縫計周圍均有大面積膩?zhàn)用撀洌珹LC板間裂縫擴(kuò)大．試件各階段的裂縫分布如圖10所示．

圖6?位移角1/200裂縫詳圖

圖7?位移角1/120裂縫詳圖

圖8?位移角1/110裂縫詳圖

對于Q2試件，由于膩?zhàn)右淮涡苑鬯⑦^厚和人工施工質(zhì)量問題，加載前B面巖棉板接縫處有0.2mm左右裂縫，A面右下角防火板包梁處有3條1cm長度裂縫．第1階段位移角在1/1200～1/250變化過程中，除初始缺陷產(chǎn)生的干縮裂縫，無其他裂縫產(chǎn)生.

圖9?位移角1/80裂縫詳圖

圖10?不同位移角下試件Q2整體裂縫發(fā)展

對于Q3試件，第1階段與Q2相同，無裂縫產(chǎn)生．第2階段位移角在1/250～1/120變化過程中，位移角到1/225時，1號和2號裂縫計間以及4號和5號裂縫計間出現(xiàn)輕微斜裂縫；位移角到1/150時，ALC板與鋼柱間裂縫大量增多；位移角到1/120時，A面左側(cè)和右側(cè)ALC板與鋼柱間均出現(xiàn)貫通縫，且右側(cè)裂縫有局部膩?zhàn)用撀洌?階段位移角在1/120～1/50變化過程中，位移角到1/70時，A面左側(cè)和右側(cè)ALC板與鋼柱間膩?zhàn)用撀涓用黠@，且ALC板間出現(xiàn)局部裂縫；位移角到1/50時，A面左側(cè)和右側(cè)ALC板與鋼柱間膩?zhàn)哟竺娣e脫落，ALC板間局部裂縫擴(kuò)大．試件各階段的裂縫分布如圖11所示．

圖11?不同位移角下試件Q3整體裂縫發(fā)展

對于Q4試件，由于施工時膩?zhàn)右淮涡苑鬯⑦^厚，A面1號、4號、5號裂縫計周圍和B面中間位置均出現(xiàn)少量膩?zhàn)娱_裂現(xiàn)象．第1階段位移角在1/1200～1/1000變化過程中，除初始缺陷產(chǎn)生的干縮裂縫，無其他裂縫產(chǎn)生．第2階段位移角在1/1000～1/600變化過程中，位移角到1/800時，A面右上角和B面左側(cè)出現(xiàn)輕微斜裂縫；位移角到1/600時，A面4號裂縫計上方到頂梁的底部出現(xiàn)2條10cm長貫通縫并伴有輕微爆皮現(xiàn)象，4號和5號裂縫計間斜裂縫持續(xù)增多．第3階段位移角在1/600～1/50變化過程中，位移角到1/300時，1號、2號和6號裂縫計周圍出現(xiàn)裂縫，且4號和5號裂縫計周圍裂縫繼續(xù)增多；位移角到1/200時，A面左側(cè)和右側(cè)ALC板與鋼柱間均出現(xiàn)貫通縫且有膩?zhàn)颖?；位移角達(dá)到1/50時，A面1號、2號裂縫計之間裂縫出現(xiàn)嚴(yán)重爆皮現(xiàn)象，B面底梁處橫縫寬度發(fā)展至8mm左右．加載過程中U型鋼卡出現(xiàn)向外突出且屈曲明顯．試件各階段的裂縫分布如圖12所示．對比前3個試件的試驗(yàn)現(xiàn)象，試件Q1、Q2和Q3產(chǎn)生輕微斜裂縫的位移角分別為1/300、1/250和1/250，表明3個鋼框架內(nèi)嵌ALC的鋼梁鋼柱與ALC板接縫處的抗裂性能都較好．按照鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值，在位移角1/250限值下，使用3層耐堿玻纖網(wǎng)格布和較寬的ALC板與鋼柱接縫處的填縫處理的構(gòu)造措施都不會產(chǎn)生裂縫．第2階段試件Q1、Q2和Q3產(chǎn)生輕微爆皮現(xiàn)象的位移角分別為1/120、1/110和1/120，可知耐堿玻纖網(wǎng)格布可以提高ALC板與鋼柱接縫處的抗裂性能．第3階段試件Q1、Q2和Q3大面積膩?zhàn)用撀鋾r位移角分別是是1/80、1/68和1/70，也證明耐堿玻纖網(wǎng)格布可以提高ALC板與鋼柱接縫處的抗裂性能，而接縫寬度對接縫處的抗裂性能影響較小．

圖12?不同位移角下試件Q4整體裂縫發(fā)展

從試件Q4試驗(yàn)現(xiàn)象的3個階段可以看出，內(nèi)墻試件Q4產(chǎn)生輕微斜裂縫的位移角為1/800，產(chǎn)生輕微爆皮現(xiàn)象的最小位移角為1/600，明顯早于其他3個試件，證明U型鋼卡的連接性能明顯弱于鉤頭螺栓，故建議內(nèi)墻的連接件同樣使用鉤頭螺栓．

2.2?裂縫計數(shù)據(jù)分析

4個試件相同位置的裂縫計數(shù)據(jù)對比如圖13(a)～(f)所示，裂縫寬度為正代表裂縫計收縮，裂縫寬度為負(fù)代表裂縫計拉伸．試件Q1的1號裂縫計幾乎沒有變化，可能和裂縫計的安裝誤差導(dǎo)致裂縫計兩頭不在同一水平面而產(chǎn)生的卡頓有關(guān)．試件Q1的3號裂縫計處由于鋼梁和ALC板填充不密實(shí)，在ALC板與鋼框架同時偏移時，ALC板壓縮密封砂漿導(dǎo)致裂縫計產(chǎn)生壓縮．

為分析連接件對接縫處抗裂能力的影響，選取試件Q1和Q4的裂縫計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從1號裂縫計到6號裂縫計的裂縫對比圖可以看出，Q4試件的裂縫發(fā)展速度和寬度均較大，且除了2號裂縫計試件Q1和Q4裂縫的發(fā)展趨勢相同外，其他5個裂縫計兩者的裂縫趨勢發(fā)展相反．這是由于鉤頭螺栓和U型鋼卡的剛度相差很大導(dǎo)致的，使用鉤頭螺栓可以很好地將ALC板固定，隨著鋼框架發(fā)生側(cè)移，ALC板也會隨著鋼框架朝著同一方向發(fā)生偏移，而使用U型鋼卡連接的ALC板，由于U型鋼卡剛度不足，在鋼框架發(fā)生側(cè)移時，ALC板會與鋼框架產(chǎn)生相對滑移，所以最終導(dǎo)致兩個試件5個裂縫計的裂縫趨勢發(fā)展相反．故建議內(nèi)墻的連接件使用鉤頭螺栓較好．

為分析耐堿玻纖網(wǎng)格布對接縫處抗裂能力的影響，選取試件Q1和Q2的裂縫計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，因試件Q1和Q2的連接件相同，ALC板與鋼框架偏移方向相同，故1號裂縫計到6號裂縫計的裂縫發(fā)展趨勢相同．試件Q2的2號、5號、6號裂縫計寬度均小于試件Q1的裂縫寬度，說明3層耐堿玻纖網(wǎng)格布有更好的抗裂性能．

為分析接縫寬度對接縫處的抗裂能力影響，選取試件Q1和Q3的裂縫計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，2號、4號、6號裂縫計因全部使用鉤頭螺栓連接件，故裂縫的發(fā)展趨勢相同，5號裂縫計發(fā)展趨勢相反可能和試件Q3的5號裂縫計處PE棒安裝寬度不足有關(guān)，故安裝PE棒時一定要找合適寬度尺寸的PE棒進(jìn)行安裝，否則更容易產(chǎn)生裂縫．從裂縫發(fā)展趨勢相同的2號、4號、6號裂縫計裂縫數(shù)據(jù)圖可知，ALC板與主體結(jié)構(gòu)縫隙的寬度對裂縫的影響有限，同時也驗(yàn)證了ALC板規(guī)范里面要保持ALC板與主體結(jié)構(gòu)之間縫隙10～20mm的原因．

觀察4個試件的試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)2號、4號裂縫計處的裂縫發(fā)展較快，且寬度較大，因此實(shí)際施工過程中，此處應(yīng)加強(qiáng)裂縫處理措施和施工質(zhì)量．

2.3?光纖光柵位移傳感器與裂縫計數(shù)據(jù)對比

光纖光柵位移傳感器分別布置在2號裂縫計、4號裂縫計、5號裂縫計處，因墻板裂縫測量試驗(yàn)中還未使用過光纖光柵，而常用裂縫計進(jìn)行測量，故本節(jié)將相同位置處裂縫計和光纖光柵數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此確定光纖光柵基于本次試驗(yàn)的可行性和為今后測量墻板裂縫等試驗(yàn)儀器選擇做出可靠依據(jù)．圖13(g)～(i)所示為不同位置處3個試件測量數(shù)據(jù)的對比曲線．從圖中可以看出，光纖光柵位移傳感器較裂縫計數(shù)據(jù)波動較大，雖然一些階段和裂縫計數(shù)據(jù)相比有一定規(guī)律，但整體數(shù)據(jù)變化較大，不能正確地分析出各參數(shù)對ALC板與鋼框架接縫處裂縫的影響規(guī)律．這是由于光纖光柵靈敏度較高，在試驗(yàn)中觀察記錄現(xiàn)象時會影響光纖光柵數(shù)據(jù)采集的精確性，但是對于需要精密測量且人為干擾較少的情況，使用光纖光柵是一個不錯的選擇．

圖13?試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3?有限元分析

3.1?模型建立

在ABAQUS有限元軟件中采用三維實(shí)體單元建立鋼框架內(nèi)嵌ALC板模型，主要包括ALC板和鋼材兩種材料．ALC板的基本力學(xué)參數(shù)由實(shí)際試驗(yàn)過程中的材性試驗(yàn)所得，如表2所示．鋼材采用的本構(gòu)模型為等向彈塑性模型，模擬鋼管采用Q345鋼，應(yīng)力-應(yīng)變曲線按鋼材的應(yīng)力增長分為彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑性流5個階段．

模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

表2?ALC板材料屬性

Tab.2?Material properties of ALC wall panels

3.2?相互作用、網(wǎng)格劃分與邊界條件

鋼柱與鋼梁之間的接觸采用綁定約束，ALC板與鋼梁鋼柱接縫之間法向采用硬接觸，切向采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5；鋼柱和ALC板與面外鋼管之間法向采用硬接觸，切向采用無摩擦模型模擬．鋼柱接縫和ALC板與鋼梁接縫和ALC板表面的滑移采用有限滑移，鋼梁與ALC板的縫隙處通過填充砂漿模擬．由于鋼柱和鋼梁的剛度較ALC板的剛度大得多，且鋼柱和耦合的底板和頂板綁定在一起，所以采用鋼梁和鋼柱作為接觸的主面，ALC板作為接觸的從面．

模型試件底板為固定端約束并且耦合在一點(diǎn)，將頂板上表面耦合在一點(diǎn)上，施加水平位移．水平方向位移加載，加載方式及加載過程與試驗(yàn)中完全一致，邊界條件和加載方式如圖14(a)所示，網(wǎng)格劃分如圖14(b)所示．

3.3?工作機(jī)制驗(yàn)證

以試件Q1為例，進(jìn)行鋼框架與ALC板接縫處產(chǎn)生肉眼可見裂縫和位移角加載到1/50時兩個狀態(tài)的有限元模擬．鋼梁、鋼柱以及ALC板的應(yīng)力變化如圖15所示．從這兩個關(guān)鍵狀態(tài)來看，模擬加載過程中結(jié)構(gòu)工作機(jī)制與實(shí)際試驗(yàn)過程接近．接縫處產(chǎn)生肉眼可見裂縫之前，鋼梁鋼柱以及ALC板應(yīng)力較小，沒有任何變形，在接近水平千斤頂處的鋼梁局部應(yīng)力較大，各構(gòu)件均沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)變．位移角達(dá)到1/50時，鋼柱底部和頂部的部分應(yīng)力增長明顯，進(jìn)入塑性階段，但無結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，在接近水平千斤頂處的鋼梁與鋼柱連接處局部應(yīng)力更大，塑性應(yīng)變積累嚴(yán)重，且鋼梁局部出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，ALC板的應(yīng)力明顯增大，但無破壞，與實(shí)際試驗(yàn)中鋼框架整體和ALC板均無破壞現(xiàn)象一致．

圖14?有限元模型

圖15?試件Q1有限元模擬的各構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

3.4?裂縫發(fā)展對比

以試件Q1和Q2為例，進(jìn)行鋼框架與ALC板接縫處裂縫在第2階段和第3階段分布的有限元模擬，模擬結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)裂縫分布基本吻合．模擬過程中的第2階段和第3階段的裂縫產(chǎn)生定義分別為面面接觸的黏結(jié)行為失效和肉眼可觀察的ALC板與鋼柱鋼梁處產(chǎn)生裂縫，圖16所示為2個試件的模擬結(jié)果，其中白線段為裂縫．圖17所示為模擬得到的4個試件3階段對應(yīng)的位移角與實(shí)際試驗(yàn)的對比，除試件Q4模擬時未考慮U型鋼卡對ALC板的影響導(dǎo)致位移角偏大外，其余試件的模擬結(jié)果與試驗(yàn)誤差均在16%以內(nèi)，證明該有限元模型能夠有效模擬ALC板與鋼框架接縫處的變形能力．

圖16?試件Q1和Q2有限元模擬的裂縫分布

圖17?試驗(yàn)與有限元模擬位移角對比

3.5?影響參數(shù)對比

分析對比耐堿玻纖網(wǎng)格布和ALC板與鋼框架間接縫寬度對鋼框架內(nèi)嵌ALC板接縫處抗裂性能的影響．圖18(a)所示為只改變耐堿玻纖網(wǎng)格布層數(shù)，選取耐堿玻纖網(wǎng)格布層數(shù)為1、2、3、4時的試件Q1在不同階段的位移角對比．隨著耐堿玻纖網(wǎng)格布層數(shù)的增多，接縫處第2階段和第3階段的抗裂性能均有所提高，但隨著層數(shù)的增加，抗裂性能增長減弱，可能和耐堿玻纖網(wǎng)格布的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于ALC板與鋼框架間的拉應(yīng)力有關(guān)．綜合考慮施工難度和成本，選用2層耐堿玻纖網(wǎng)格布最佳．圖18(b)所示為只改變ALC板與鋼框架間接縫寬度，選取ALC板與鋼框架間接縫寬度為10mm、15mm、20mm、25mm時的試件Q1在不同階段的位移角對比．隨著ALC板與鋼框架間接縫寬度的增大，接縫處第2階段抗裂性能提高明顯而第3階段基本無影響．過寬的接縫處理可能會由于接縫材料不穩(wěn)固而過快產(chǎn)生裂縫，故ALC板與鋼框架間接縫寬度保持在10～20mm最佳．

圖18?影響參數(shù)對比

4?結(jié)?論

本文對4組不同建筑構(gòu)造形式的鋼框架內(nèi)嵌ALC板模型進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，并建立了有限元模型進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論如下.

(1) 3個鋼框架內(nèi)嵌ALC板的鋼梁鋼柱與ALC板接縫處都具有較好的抗裂性能，試件Q1、Q2和Q3產(chǎn)生輕微斜裂縫的位移角分別為1/300、1/250和1/250．按照鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值，在位移角1/250限值下，使用3層耐堿玻纖網(wǎng)格布和較寬ALC板與鋼柱接縫處填縫處理的構(gòu)造措施都不會產(chǎn)生裂縫.試件Q4產(chǎn)生輕微斜裂縫的位移角為1/800，明顯早于其他3個試件，故在實(shí)際工程中不建議采用U型鋼卡連接．

(2) 通過4個試件的3階段位移角對比，耐堿玻纖網(wǎng)格布對于鋼框架與ALC板接縫處的抗裂性能有顯著提高；而ALC板與鋼框架接縫寬度對裂縫影響較?。皇褂肬型鋼卡只是兩側(cè)卡住ALC板，相當(dāng)于柔性連接，使接縫處抗裂性能顯著降低．

(3) 通過有限元建模能較為準(zhǔn)確地模擬出試驗(yàn)的加載過程，第2階段和第3階段得到的位移角以及裂縫的分布情況均與試驗(yàn)吻合良好，證明有限元軟件模擬的準(zhǔn)確性．

(4) 通過對不同層數(shù)的耐堿玻纖網(wǎng)格布和不同距離的ALC板與鋼柱接縫寬度進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，提出使用鉤頭螺栓連接件＋3層耐堿玻纖網(wǎng)格布＋(鋼柱接縫)專用密封膠＋專用底涂1道＋PE棒＋發(fā)泡劑(10～20mm)＋(鋼梁接縫)專用密封膠＋專用底涂1道＋1∶3水泥砂漿的建筑構(gòu)造處理措施，可以有效防止ALC板與主體結(jié)構(gòu)接縫處產(chǎn)生裂縫．

［1］ Roberto F，Pietro G G，Patrick B. Thermal and mechanical properties of light-weight concrete exposed to high temperature[J]. Fire and Materials，2013，37(3)：200-216.

［2］ 牛培棟，丁?亮，譚?斌，等. ALC墻板的施工技術(shù)研究[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報，2011，32(6)：129-132.

Niu Peidong，Ding Liang，Tan Bin，et al. Study on construction technology of ALC wallboard[J]. Journal of Qingdao Technological University，2011，32(6)：129-132(in Chinese).

［3］ 曲秀姝，陳志華，孫國軍. 蒸壓加氣混凝土墻板結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)與有限元理論研究[J]. 建筑材料學(xué)報，2012，15(2)：268-273.

Qu Xiushu，Chen Zhihua，Sun Guojun. Experimental and numerical analysis study on the structural performance of autoclaved aerated concrete(AAC)wall slab[J]. Journal of Building Materials，2012，15(2)：268-273(in Chinese).

［4］ 張國偉，張?品，陳博珊，等. 蒸壓加氣混凝土板位移延性研究[J]. 工業(yè)建筑，2017，47(12)：106-110，126.

Zhang Guowei，Zhang Pin，Chen Boshan，et al. Research on displacement ductility of ALC slabs[J]. Industrial Construction，2017，47(12)：106-110，126(in Chinese).

［5］ 陳鷙坤. 鋼框架-外掛ALC墻板在地震作用下的變形性能研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，2017.

Chen Zhikun. Study on Deformation Performance of Steel Frame External ALC Wall Panel under Earthquake[D]. Chongqing：School of Civil Engineering，Chongqing University，2017(in Chinese).

［6］ 胡精武，徐?鋒，杜東升，等. 整體鋼框架內(nèi)嵌加氣混凝土填充墻板足尺模型振動臺試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2018，39(6)：141-148.

Hu Jingwu，Xu Feng，Du Dongsheng，et al. Experimental study on shaking table test of full-scale steel frame with embedded autoclaved lightweight concrete wall panels[J]. Journal of Building Structures，2018，39(6)：141-148(in Chinese).

［7］ 邱增美，李幗昌，楊志堅，等. 蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土外墻板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑，2017，47(3)：163-168.

Qiu Zengmei，Li Guochang，Yang Zhijian，et al. Experimental study on seismic behavior of connections between autoclaved lightweight aerated concrete external wall panels and steel beam[J]. Industrial Construction，2017，47(3)：163-168(in Chinese).

［8］ Fang Mingji，Wang Jingfeng，Li Guoqiang，et al. Shaking table test of steel frame with ALC external wall panels[J]. Journal of Constructional Steel Research，2013，80：278-286.

［9］ 徐春一，孟祥君，藍(lán)曉波. 蒸壓加氣混凝土裝配式速裝墻板構(gòu)造研究[C]//第十七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集. 天津，中國，2017：1438-1441.

Xu Chunyi，Meng Xiangjun，Lan Xiaobo. Research on the structure of autoclaved aerated concrete prefabricated quick-installation wall panels[C]//17th Proceedings of the Academic Committee of the National Symposium on Modern Structural Engineering. Tianjin，China，2017：1438-1441(in Chinese).

［10］郝英華. 蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土隔墻板施工技術(shù)[J]. 施工技術(shù)，2011，40(14)：66-68.

Hao Yinghua. Construction technology of aerated lightweight concrete panel[J]. Construction Technology，2011，40(14)：66-68(in Chinese).

［11］胡建軍. 加氣混凝土板抗彎性能分析及節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2006.

Hu Jianjun. Analysis of Flexural Performance of Autonclaved Aerated Concrete Slab and Experimental Study on Joints[D]. Shanghai：School of Civil Engineering，Tongji University，2006(in Chinese).

［12］ Yang Yanmin，Zhang Yiran. Experimental research on mechanical properties of ALC wallboard[J]. Advanced Materials Research，2012，368/369/370/371/372/373：423-427.

［13］王?波，王靜峰，李?響，等. 填充ALC墻板鋼管混凝土框架抗震試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 土木工程學(xué)報，2014，47(增2)：56-61.

Wang Bo，Wang Jingfeng，Li Xiang，et al. Experiments and analysis of CFST frames with ALC walls under seismic action[J]. China Civil Engineering Journal，2014，47(Suppl 2)：56-61(in Chinese).

［14］ Wang Jingfeng，Li Beibei. Cyclic testing of square CFST frames with ALC panel or block walls[J]. Journal of Constructional Steel Research，2017，130：264-279.

［15］肖?偉. 加氣混凝土圍護(hù)墻體抗震性能試驗(yàn)研究[D]. 北京：北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，2016.

Xiao Wei. Research on Seismic Behavior of Autoclaved Aerated Concrete Wall[D]. Beijing：School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，2016(in Chinese).

［16］王?波，王靜峰，完海鷹，等. 循環(huán)荷載作用下高層鋼結(jié)構(gòu)建筑填充墻體性能與連接構(gòu)造研究[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2015，17(6)：44-50.

Wang Bo，Wang Jingfeng，Wan Haiying，et al. Study on performance and connection detail of filled walls in high-rise steel structures under cyclic loadings[J]. Progress in Steel Building Structures，2015，17(6)：44-50(in Chinese).

［17］姜成名. 超輕保溫裝飾加氣混凝土板的研制與表征[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2012.

Jiang Chengming. Preparation and Characterization of Ultra Lightweight Thermal Insulation Decorative Aerated Concrete Board[D]. Harbin：School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，2012(in Chinese).

［18］楊培東. ALC墻板填充墻裂縫成因及防裂關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 青島：青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.

Yang Peidong. The Study of the Causes of ALC Wallboard Filled Wall Cracks and the Key Anti-Crack Technology[D]. Qingdao：School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，2011(in Chinese).

［19］邸?芃，趙?旭. ALC節(jié)能墻板裂縫成因及控制[J]. 施工技術(shù)，2015，44(16)：64-67.

Di Peng，Zhao Xu. The cause and control of ALC energy conservation wall cracks[J]. Construction Technology，2015，44(16)：64-67(in Chinese).

［20］呂常勝，張道令，張春濤，等. 蒸壓加氣混凝土(ALC)板材墻體開裂問題研究[J]. 墻材革新與建筑節(jié)能，2017(8)：29-32.

Lü Changsheng，Zhang Daoling，Zhang Chuntao，et al. Research on cracking problem of autoclaved aerated concrete(ALC)panel wall[J]. Construction Wall Innovation & Building Energy-Saving，2017(8)：29-32(in Chinese).

［21］張國偉，張?品，楊云鳳. 中國尊電梯井內(nèi)墻板縫抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 山西建筑，2017，43(6)：47-49.

Zhang Guowei，Zhang Pin，Yang Yunfeng. On seismic performance test of wallboard in China elevator shaft[J]. Shanxi Architecture，2017，43(6)：47-49(in Chinese).

［22］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所. 03SG715-1 蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(NALC)構(gòu)造詳圖[R]. 北京：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所，2003.

China Institute of Building Standard Design & Research Co.，Ltd. 03SG715-1 Autoclaved Lightweight Aerated Concrete Slab (NALC) Construction Detail[R]. Beijing：China Institute of Building Standard Design & Research Co.，Ltd.，2003(in Chinese).

Experimental Study on Crack Resistance of Steel Frames with ALC In-Filled Walls

Zhou Ting1，Wang Zixuan2，Wang Shuang3，Guo Juanli1，Di Chaoyang2

(1. School of Architecture，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin International Engineering Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The prefabricated steel structure system has been increasingly perfected，but there are increasing problems in building construction，particularly the obvious cracks between the steel frames and in-filled walls. As a result，four groups of full-scale structural models were designed，tested，and measured using crack meters and fiber grating sensors under static load. By comparing the development of cracks at the joints between the steel frames and ALC(autoclaved light-weight concrete)wall panels under different displacement angles of each specimen，the crack resistance of the joints between the steel frames and ALC wall panels in different building structures was evaluated. The test results show that the hook bolt has a much higher stiffness than the U-shaped steel clip and that the hook bolt and alkali-resistant glass fiber mesh have a good restraint effect on cracks at the joints between the ALC wall panels and steel frames，whereas the width of the joints between the ALC wall panels and steel columns has no obvious restraint effect on cracks. The fiber grating sensor has a higher sensitivity and is not suitable for wall crack measurement. A finite element model of steel frames with ALC in-filled walls was established，and its accuracy was verified. The effect of parameters such as connecting pieces，alkali-resistant glass fiber mesh，and joint width between ALC wall panels and steel frames on the crack resistance of the joint of the steel frames with ALC in-filled walls was investigated. A construction measure which is beneficial to prevent the crack was proposed.

autoclaved light-weight concrete wall panel；steel frame；crack resistance；static experiment

10.11784/tdxbz202204027

TU227

A

0493-2137(2023)03-0289-12

2022-04-14；

2022-06-30.

周?婷（1984—??），女，博士，副教授，zhouting1126@126.com.

郭娟利，guojuanli@tju.edu.cn.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項(xiàng)目(2019YFD1101005).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2019YFD1101005).

(責(zé)任編輯：金順愛)