一種裝配式混凝土結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

王巍

考慮了連接點(diǎn)的抗震性能對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性造成的影響，提出一種新型的連接點(diǎn)抗震性能分析方案。通過具體的模型分析以及仿真分析，確定了需要考慮墻板的重力和面積，支撐點(diǎn)在墻板平面內(nèi)的相對距離以及平面外的偏心距離，提出了一種新型的連接方式，確保能夠提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和科學(xué)性。

結(jié)合當(dāng)前的相關(guān)研究結(jié)果來看，劉勇認(rèn)為裝配式鋼框架與外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)決定了外掛墻板的抗震性能，且有限元軟件分析對節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬可作為進(jìn)一步研究的參考；陳德彬認(rèn)為在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中，需要具備足夠的承載力來抵抗由外掛墻板傳來的所有荷載。但是，我國當(dāng)前絕大部分的研究是針對外掛墻板鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的，外掛墻板混凝土結(jié)構(gòu)的研究深度并不大。本文則是提出了一種新型的外掛墻板混凝土結(jié)構(gòu)支點(diǎn)連接方式，確保能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供參考。

一、外掛墻板混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的作用原理

1.連接節(jié)點(diǎn)的具體裝配方案

連接節(jié)點(diǎn)和外掛墻板之間的裝配方案，通常由圖1幾項(xiàng)結(jié)構(gòu)組成。兩個下支撐的承重節(jié)點(diǎn)以及4 個上下支撐的限位節(jié)點(diǎn)，承重節(jié)點(diǎn)在外掛墻板的結(jié)構(gòu)層中突出設(shè)置鋼牛腿支撐，利用焊接槽在墻板混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行預(yù)埋，承重螺栓支撐結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行高度調(diào)整，且螺栓不和邊梁之間固定。4 個上下支撐的限位節(jié)點(diǎn)在墻板結(jié)構(gòu)層突出設(shè)置限位螺栓，主要利用長桿螺栓焊接模板，然后將其預(yù)埋到混凝土結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提升墻板的穩(wěn)定性和安全性，在抗震設(shè)計(jì)的過程中，不需要考慮豎向滑移產(chǎn)生的摩擦作用。

圖1 連接節(jié)點(diǎn)與外掛墻板裝配示意圖

2.旋轉(zhuǎn)式的點(diǎn)支撐柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對柔性連接來講，為了進(jìn)一步提升抗震性能，需要結(jié)合具體的地震強(qiáng)度，分析節(jié)點(diǎn)適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形能力。在經(jīng)常發(fā)生地震的區(qū)域，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)可以隨著主體結(jié)構(gòu)的變形出現(xiàn)輕微的位移，在地震結(jié)束之后會還原到原有的工作狀態(tài)上。若區(qū)域地震不頻繁，那么結(jié)點(diǎn)同樣會隨著建筑主體結(jié)構(gòu)的變形出現(xiàn)輕微位移，在地震結(jié)束之后，可以允許保持位移之后的塑形變形，但是，要確保各個節(jié)點(diǎn)之間不會被損壞，墻板也不會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

綜合當(dāng)前裝配是外掛墻板混凝土結(jié)構(gòu)的具體連接方式來看，柔性結(jié)構(gòu)通常以平移式以及旋轉(zhuǎn)式兩種為主。其中的平移式主要指的是通過左右移動的方式設(shè)定橫向螺栓，將墻板和主體建筑連接起來，若二者出現(xiàn)相對運(yùn)動時(shí)，墻板會通過水平運(yùn)動趨勢降低連接位置的集中應(yīng)力。旋轉(zhuǎn)式主要是通過上下位移設(shè)置豎向的螺栓，將墻板和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，若二者出現(xiàn)相對運(yùn)動，墻板會通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方式來減輕節(jié)點(diǎn)連接位置的集中應(yīng)力。

本文闡述了一種外掛墻板連接方式，需要在限位角鋼上開設(shè)長圓孔，和限位螺栓之間的連接方式位于滑動狀態(tài)，從而形成一種柔性結(jié)構(gòu)。承重螺栓能夠保證墻板豎向進(jìn)行輕微位移，在為墻板提供豎向荷載支撐的過程中，還可以結(jié)合主體結(jié)構(gòu)的具體變形情況進(jìn)行輕微變形。若主體結(jié)構(gòu)的位移較大，那么能夠避免連接位置出現(xiàn)集中應(yīng)力較大的情況。墻板在框架平面內(nèi)保持相對轉(zhuǎn)動連接節(jié)點(diǎn)位置會分別產(chǎn)生不同程度的位移，能夠適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形。

二、荷載分析

為了進(jìn)一步提升文章論述的科學(xué)性和可行性，本文建立在具體案例的基礎(chǔ)上展開分析，某工程為冷水灘區(qū)湖塘路裝配式廉租房工程及配套設(shè)施項(xiàng)目（含湖塘東路），規(guī)劃總建筑面積25702.88 ㎡，其中地上建筑面積23002.78 ㎡，地下建筑面積2700.1 ㎡。項(xiàng)目類型為高層公共建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)，3 層以上均采用預(yù)制裝配式外掛墻板體系，主要預(yù)制構(gòu)件為預(yù)制夾心外掛墻板、預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺板、全預(yù)制空調(diào)板，裝配率為50%，其中，預(yù)制夾心外掛墻板為6cm混凝土外葉+5cmXPS 保溫板+5cm 混凝土內(nèi)葉，厚度為16cm；疊合樓板厚度為6cm，全預(yù)制空調(diào)板厚度為10cm。由于工程整體結(jié)構(gòu)和規(guī)模較大，為了進(jìn)一步提升施工的安全性和穩(wěn)定性，整體結(jié)構(gòu)的抗震性能受到了多方關(guān)注。在進(jìn)行外掛墻板設(shè)計(jì)的過程中，為了進(jìn)一步提升穩(wěn)定性和抗荷載能力，需要從以下幾個層面進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

1.外掛墻板荷載計(jì)算

首先，需要結(jié)合外掛墻板的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。綜合當(dāng)前建筑材料容重規(guī)定的具體內(nèi)容來看，鋼筋混凝土材料的自重可以選擇24～25kN 每立方米。素混凝土的自重可以選擇22～24kN 每立方米。擠塑聚苯板每30mm 厚度可以選擇0.1kN 每立方米。因此，在進(jìn)行混凝土夾心保溫外掛墻板設(shè)計(jì)的過程中，具體重量要集中在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層以及素混凝土飾面層。通過計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)二者的自重有一定的交互性，因此，統(tǒng)一選擇25kN 每立方米，其他的相關(guān)材料統(tǒng)一選擇1.1的自重增大系數(shù)。那么在進(jìn)行墻板重力荷載計(jì)算的過程中，只需考慮墻板重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk、墻板混凝土的面積A0（需要將窗口以及洞口去除）、墻板結(jié)構(gòu)層和飾面層的總厚度n 這幾項(xiàng)要素。

其次，需要計(jì)算外掛墻板水平地震作用下的標(biāo)準(zhǔn)值，由于外掛墻板的整體結(jié)構(gòu)體系并非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，那么在計(jì)算的過程中可以利用等效側(cè)力法進(jìn)行計(jì)算。主要指的是要將地震的動力效應(yīng)轉(zhuǎn)化成靜力荷載，直接作用在墻板的重心結(jié)構(gòu)上。結(jié)合當(dāng)前的具體標(biāo)準(zhǔn)，外掛墻板的水平地震作用主要分為內(nèi)外兩個方向，從具體仿真模擬上來看，墻板外面一側(cè)的地震作用，主要垂直作用在墻板的整個平面上，而墻板內(nèi)側(cè)的地震作用主要集中在墻板的重心位置。在計(jì)算地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的過程中，不僅要考慮外掛墻板的總體面積，還需要考慮地震作用動力放大系數(shù)，這一系數(shù)通常按照多發(fā)地震區(qū)域以及罕見地震區(qū)域進(jìn)行劃分。例如：多發(fā)地震區(qū)域的影響最大系數(shù)通常為5.0，罕見地震區(qū)域的影響，最大系數(shù)為4.0。

再次，需要計(jì)算外掛墻板豎向的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，豎向地震作用主要集中在墻板的重心位置，其大小范圍可以取平面內(nèi)的水平標(biāo)準(zhǔn)值65%左右?？梢越Y(jié)合上一部分計(jì)算的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。

除此之外，在外掛墻板使用的過程中，還需要考慮風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，由于外掛墻板是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的過程中，需要考慮節(jié)點(diǎn)不全受力產(chǎn)生的影響，那么則圍繞著z 高度的陣風(fēng)系數(shù) βgz、風(fēng)荷載局部體型系數(shù)μs1、風(fēng)壓高度變化系數(shù) μz以及基本風(fēng)壓 0ω 這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.荷載組合

裝配式外掛墻板結(jié)構(gòu)本身屬于非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件，那么在計(jì)算地震作用對其產(chǎn)生的影響時(shí)，需要嚴(yán)格按照非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，尤其是在驗(yàn)算連接節(jié)點(diǎn)承載力的過程中，需要利用節(jié)點(diǎn)地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值乘以2.0 的增大系數(shù)。這期間需要考慮的荷載組合內(nèi)容較多，例如：墻板構(gòu)件內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值、重力荷載代表值效應(yīng)、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)、水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)等。其中地震作用分項(xiàng)系數(shù)也是考慮的重點(diǎn)內(nèi)容，分項(xiàng)系數(shù)的劃分需要結(jié)合不同的場景進(jìn)行分析。例如：在僅考慮水平地震影響的時(shí)候，水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)取值為1.3，豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)為0；若考慮豎向地震影響時(shí)，那么水平分項(xiàng)系數(shù)為0，豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)為1.3；若主要因素為水平地震因素，那么水平和豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)分別為1.3 和0.5，反之則為0.5 和1.3。

三、連接節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前的具體建筑規(guī)定來看，外掛墻板和建筑主體結(jié)構(gòu)之間的連接節(jié)點(diǎn)，必須符合以下幾項(xiàng)條件，首先在地震多發(fā)的環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)各個結(jié)構(gòu)不屈服，并且始終維持彈性工作狀態(tài)；在罕見地震的影響下結(jié)點(diǎn)各個結(jié)構(gòu)，可以出現(xiàn)屈服，但是，不能出現(xiàn)損壞情況且要低于鋼材強(qiáng)化工作階段。本文所闡述的主要內(nèi)容為點(diǎn)承式連接節(jié)點(diǎn)，在抗震性能設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮多發(fā)地震環(huán)境以及罕見地震作用的影響。

1.節(jié)點(diǎn)位置的支反力計(jì)算方式

（1）連接節(jié)點(diǎn)外側(cè)的水平支反力組合計(jì)算

結(jié)合實(shí)際建筑工程的施工情況來看，外掛墻板的重心和建筑主體結(jié)構(gòu)的支承點(diǎn)之間往往存在一定的偏差。墻板重力和內(nèi)側(cè)地震作用會導(dǎo)致連接節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)和墻板垂直的水平荷載，針對這種情況進(jìn)行計(jì)算，往往要考慮墻板自重以及豎向地震的偏心作用、內(nèi)側(cè)水平地震偏心作用、風(fēng)荷載以及外側(cè)水平地震作用的組合影響。

（2）連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)的豎向支反力組合計(jì)算

由于本文所打造的連接節(jié)點(diǎn)方式為旋轉(zhuǎn)柔性連接方式，在限位角鋼上設(shè)置的圓長孔，因此，對于墻板豎向約束作用可以省略，需要考慮的是豎向荷載作用下，墻板下方兩側(cè)支撐節(jié)點(diǎn)的受力荷載，承重節(jié)點(diǎn)的豎向支反力計(jì)算方式，通常要考慮墻板本身的重量以及豎向的地震作用，在二者組合的基礎(chǔ)上還需要分析地震作用分項(xiàng)系數(shù)對結(jié)構(gòu)造成的影響，結(jié)合上文的分項(xiàng)系數(shù)劃分情況進(jìn)行代入便能夠得出組合計(jì)算方法。在這個過程中還需要分成不同的條件，例如：不考慮以及不考慮內(nèi)側(cè)水平地震作用這兩種。

2.連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算

本次工程中所選擇的節(jié)點(diǎn)連接方式為柔性連接方法，在發(fā)生地震的過程中會通過旋轉(zhuǎn)的方式消解其中的一部分應(yīng)力，各個連接節(jié)點(diǎn)的受力極為明確，承重點(diǎn)的位置會通過槽鋼牛腿以及承重螺栓進(jìn)行連接，能夠有效滿足結(jié)構(gòu)的承載力需求，限制墻板豎向方向上的位移，結(jié)構(gòu)主要如圖2（a）所示。

圖2 連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

限位節(jié)點(diǎn)直接利用角鋼以及螺栓進(jìn)行連接，主要承受外掛墻板內(nèi)側(cè)以及外側(cè)的水平荷載組合影響，能夠有效約束水平方向上出現(xiàn)的位移，其具體結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

（1）節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)截面強(qiáng)度驗(yàn)算

在豎向作用力的影響下，槽鋼扭腿會和承重螺栓之間形成豎向的支反力，導(dǎo)致在垂直墻面一側(cè)會出現(xiàn)單向受彎，進(jìn)而會影響牛腿腹板，下表面受到的力主要為拉力上表面受到的力為壓力，在這樣的條件下進(jìn)行強(qiáng)度測試，需要考慮多發(fā)地震環(huán)境以及罕見地震環(huán)境這兩個不同的因素，其中要考慮牛腿潔面的最大正應(yīng)力、中性軸的凈截面模量、牛腿截面抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值以及標(biāo)準(zhǔn)值等多項(xiàng)因素。其中結(jié)合相關(guān)規(guī)范以及槽鋼截面受彎的方向，可以將截面塑性發(fā)展系數(shù)定位為1.2。

（2）開孔構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算

對于開孔的構(gòu)件，由于其材料分布不連續(xù)，造成構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，在孔洞周圍處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且很難應(yīng)用公式準(zhǔn)確地計(jì)算出孔洞周圍的應(yīng)力大小。對于本文所研究的承重節(jié)點(diǎn)和限位節(jié)點(diǎn)，在其相應(yīng)的連接部件槽鋼牛腿和限位角鋼上均留有栓孔。由于栓孔的存在削弱了連接部件的原有強(qiáng)度，故在對節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)截面強(qiáng)度驗(yàn)算完成后，還需針對開孔構(gòu)件的栓孔周圍進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。在強(qiáng)度驗(yàn)算的過程中，可以選擇數(shù)值模擬以及仿真模擬的方式，通過有限元軟件建立力學(xué)模型，然后模擬實(shí)際建筑施工期間以及使用期間的具體靜態(tài)荷載力，將其施加到不同的單元上，能夠判斷開孔結(jié)構(gòu)是否符合具體的使用需求。

3.應(yīng)用效果驗(yàn)證

建立結(jié)構(gòu)體系的有限元模型并劃分網(wǎng)格，選擇合適的本構(gòu)關(guān)系，定義各個部件的材料屬性和單元類型，根據(jù)工程參數(shù)選取合規(guī)的地震波，定義邊界條件，然后開始有限元運(yùn)算，對模擬結(jié)果后處理，繪制模型的地震位移時(shí)程曲線。

四、結(jié)語

綜上所述，本文圍繞具體案例建立了一種裝配式混凝土結(jié)構(gòu)外掛墻板節(jié)點(diǎn)連接方式，選擇旋轉(zhuǎn)式柔性連接方法，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用確定了產(chǎn)生的效果較好，能夠在地震條件下通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)連接節(jié)點(diǎn)的地震應(yīng)力，不僅可以提升外掛墻板對主體結(jié)構(gòu)的受力性能以及抗震性能，更可以為整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提升奠定基礎(chǔ)。