鋼結(jié)構(gòu)框架外掛ALC墻板節(jié)點(diǎn)性能分析及改進(jìn)措施研究

羅賢志, 張素梅, 張 楓, 王建河

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳 518055；2 深圳金鑫綠建股份有限公司，深圳 518117)

0 引言

外掛蒸壓輕質(zhì)混凝土(autoclaved lightweight aerated concrete,ALC)墻板是由多塊標(biāo)準(zhǔn)ALC條形板通過連接節(jié)點(diǎn)安裝于主體結(jié)構(gòu)外側(cè)形成的墻板。外掛ALC墻板工業(yè)化程度高、建筑品質(zhì)好、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良,近年來被廣泛應(yīng)用于各類裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑[1-3]。然而,部分墻板在使用過程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的開裂問題,影響了建筑的使用功能和舒適性,不利于更大范圍地推廣應(yīng)用這種性能優(yōu)良板材。

ALC條形板受風(fēng)荷載等面外荷載作用時(shí)形成的裂縫主要分布在墻板跨中,受彎破壞特征顯著[4-5];受主體結(jié)構(gòu)變形作用時(shí)形成的裂縫集中分布在墻板端部[6-7],是墻板使用過程中出現(xiàn)的主要結(jié)構(gòu)性裂縫(圖1)。國內(nèi)外學(xué)者已對外掛ALC墻板受主體結(jié)構(gòu)變形作用時(shí)的工作性能進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究[7-9],結(jié)果表明:采用柔性節(jié)點(diǎn)安裝的墻板能較好適應(yīng)框架層間變形,框架彈性變形階段墻板未見宏觀裂縫發(fā)展,進(jìn)入彈塑性階段后仍能保持較高完整性;采用剛性節(jié)點(diǎn)安裝的墻板適應(yīng)框架變形能力較差,隨框架變形增大先后出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)開裂、墻板底部壓潰和鉤頭螺栓拉脫等形式破壞。

圖1 墻板使用過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性裂縫

以內(nèi)置錨節(jié)點(diǎn)為代表的柔性節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)異,在日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用廣泛,但此類節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、特制部件多、安裝要求高且需在墻板內(nèi)預(yù)埋連接件,現(xiàn)階段在我國規(guī)模化應(yīng)用存在困難。鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)屬半剛性節(jié)點(diǎn),對結(jié)構(gòu)變形的適應(yīng)能力相對不足,部分發(fā)達(dá)國家已不推薦使用[10-11],但該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、安裝便捷、無需在墻板內(nèi)預(yù)埋連接件,是國內(nèi)外掛ALC墻板中應(yīng)用最廣泛的節(jié)點(diǎn)形式?，F(xiàn)有針對鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)的研究主要關(guān)注其在面外荷載作用下的性能[9,12-13],對其使用階段受結(jié)構(gòu)變形作用時(shí)的性能研究還相對較少,但圍護(hù)體系使用階段性能直接影響建筑的使用功能和外觀表現(xiàn),有必要對此開展進(jìn)一步研究。

建筑在使用階段受水平荷載作用、地基不均勻沉降和荷載非對稱布置等的影響會產(chǎn)生不同程度層間變形,研究采用鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)安裝的墻板受結(jié)構(gòu)層間變形作用時(shí)的性能,對墻板及其連接節(jié)點(diǎn)的開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文基于數(shù)值分析方法建立采用鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)安裝的外掛ALC墻板精細(xì)有限元模型,研究鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)工作模式和墻板破壞機(jī)理,確定影響墻板裂縫開展的主要參數(shù),探究節(jié)點(diǎn)部件參數(shù)變化對其工作性能的影響規(guī)律,提出節(jié)點(diǎn)改進(jìn)建議和設(shè)計(jì)方法。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1.1 蒸壓輕質(zhì)混凝土墻板

采用鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)安裝的外掛ALC墻板主要包括ALC條形板、鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)和板縫填充材料(圖2)。ALC條形板通過鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)連接,條形板水平方向自然靠攏,板間豎向縫采用與其變形相適應(yīng)的專用密封膠封堵,間隙較大的水平縫由發(fā)泡劑和聚乙烯棒填充后用專用密封膠封堵。

圖2 外掛ALC墻板構(gòu)造

1.2 鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)

鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)由鉤頭螺栓、托板和角鋼組成(圖3)。墻板頂部節(jié)點(diǎn)包括鉤頭螺栓A和角鋼,底部節(jié)點(diǎn)還設(shè)有托板,角鋼與對應(yīng)位置鋼梁焊接固定,鉤頭螺栓通過L形彎鉤焊接于角鋼室內(nèi)側(cè),實(shí)現(xiàn)墻板的面外拉結(jié),托板焊接于角鋼室外側(cè),用以承擔(dān)墻板豎向荷載。節(jié)點(diǎn)施工時(shí)先將角鋼與鋼梁、托板與角鋼依次焊接,隨后吊裝ALC條形板置于托板上并定位,最后通過墻板兩端預(yù)開的螺栓孔安裝緊固鉤頭螺栓,完成節(jié)點(diǎn)施工。

圖3 鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2 墻板有限元模型

2.1 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立通過鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)安裝的外掛ALC墻板精細(xì)化有限元模型(圖4)。為提高求解效率,模型對鉤頭螺栓進(jìn)行了合理簡化,試算結(jié)果顯示簡化前后節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和工作模式未見明顯差異。

圖4 外掛ALC墻板有限元模型

2.1.1 單元選取及網(wǎng)格劃分

鉤頭螺栓、托板和墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)采用8節(jié)點(diǎn)6面體線性非協(xié)調(diào)模式單元(C3D8I),節(jié)點(diǎn)區(qū)以外墻板采用8節(jié)點(diǎn)6面體線性減縮積分單元(C3D8R),C3D8I單元較C3D8R單元求解精度更高且在應(yīng)力集中區(qū)具有良好適用性,板內(nèi)鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)3維桁架單元(T3D2)。網(wǎng)格尺寸經(jīng)網(wǎng)格劃分試驗(yàn)確定,試算結(jié)果表明墻板全局種子密度取1/4板厚,厚度方向取1/10板厚,節(jié)點(diǎn)區(qū)取1/18板厚時(shí)可兼顧模型計(jì)算精度和求解效率。

2.1.2 接觸類型和邊界條件

墻板與鉤頭螺栓和托板間采用面面接觸,接觸面法向采用硬接觸(hard contact),切向采用庫侖摩擦模型,摩擦系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取0.1;不考慮板內(nèi)配筋和蒸壓輕質(zhì)混凝土間的相對滑移,二者界面通過內(nèi)嵌接觸(embedded)模擬。模型加載方式與墻板實(shí)際受荷工況一致,墻板底部鉤頭螺栓和托板與角鋼焊接一側(cè)設(shè)為固定端,墻板所受層間變形作用通過頂部鉤頭螺栓施加,約束鉤頭螺栓面外自由度。

2.1.3 材料本構(gòu)模型

模型材料包括鋼材和蒸壓輕質(zhì)混凝土。節(jié)點(diǎn)部件和板內(nèi)配筋所用鋼材采用雙折線模型,模型彈性段斜率取鋼材彈性模量,強(qiáng)化段斜率取彈性段1/100,ES=206GPa,泊松比υ=0.3。蒸壓輕質(zhì)混凝土無粗骨料且內(nèi)含大量封閉孔洞,力學(xué)性能與普通混凝土存在顯著差異,材料達(dá)到峰值壓應(yīng)變后迅速開裂形成主裂縫并伴隨應(yīng)力水平快速下降,是典型的低強(qiáng)度彈脆性材料[14-15];單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[16]推薦的曲線形式(圖5),該曲線可較好地反映材料彈脆性特征,各階段方程如下:

圖5 蒸壓輕質(zhì)混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)

式中:x=σ/fck,σ為蒸壓輕質(zhì)混凝土應(yīng)力,fck為蒸壓輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;y=ε/εcy,ε為蒸壓輕質(zhì)混凝土應(yīng)變,εcy為蒸壓輕質(zhì)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)對應(yīng)的峰值應(yīng)變。

陳博珊和Trunk等[17-18]指出蒸壓輕質(zhì)混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變特性與普通混凝土基本一致,采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)推薦的受拉本構(gòu)得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,模型亦參照選用。

2.2 有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證通過有限元方法研究外掛ALC墻板工作性能的有效性及建模方法和材料本構(gòu)模型的適用性,建立有限元模型分析墻板受結(jié)構(gòu)層間變形作用時(shí)的響應(yīng)并同文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果對比。

有限元模型結(jié)果和文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[19]中的試件破壞模式和形態(tài)對比見圖6和圖7,主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變大于蒸壓輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度的區(qū)域在圖6中分別用灰白色和藍(lán)黑色標(biāo)出。由圖可見,主拉應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的區(qū)域以墻板螺栓孔為中心呈“八”字形分布,且底部節(jié)點(diǎn)開裂程度大于頂部節(jié)點(diǎn);主壓應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的區(qū)域主要分布在墻板底部與托板擠壓位置。對比圖6(a)和圖7可見,試驗(yàn)中底部節(jié)點(diǎn)的裂縫形態(tài)和壓潰模式與有限元模型吻合良好;試驗(yàn)中部分墻板底部節(jié)點(diǎn)在層間位移角達(dá)到1/250時(shí)即出現(xiàn)穿過螺栓孔且貫通墻板厚度方向的斜裂縫,隨后頂部節(jié)點(diǎn)裂縫發(fā)展,即相同層間位移作用下底部節(jié)點(diǎn)破壞程度高于頂部節(jié)點(diǎn),與有限元模型結(jié)果規(guī)律一致。

圖6 墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞(有限元結(jié)果)

圖7 墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞(試驗(yàn)結(jié)果)

對比分析有限元模型和文獻(xiàn)中試驗(yàn)墻板的全過程工作狀態(tài)。墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)網(wǎng)格劃分質(zhì)量好且尺寸基本一致,積分點(diǎn)在該區(qū)域近似均勻分布,C3D8I完全積分單元保證了較高的積分點(diǎn)密度,因此可以分別通過主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量變化來評價(jià)墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫發(fā)展水平和底部壓潰程度。圖8給出了墻板節(jié)點(diǎn)及其附近區(qū)域主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度積分點(diǎn)數(shù)量n隨層間位移角θ的變化,nT和nC分別為主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量。在層間位移角達(dá)到1/1 000前,nT數(shù)量增長緩慢且絕對數(shù)值較小,nC數(shù)量基本沒有增長,墻板基本處于彈性階段;層間位移角增大至1/500,nT數(shù)量呈指數(shù)級增長,nC數(shù)量近似線性增長,該階段墻板裂縫快速發(fā)展并出現(xiàn)局部壓潰;層間位移角達(dá)到1/500后,nT數(shù)量增速小幅回落后保持線性增加,這主要是因?yàn)榱芽p發(fā)展到一定水平后受到節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋約束,nC數(shù)量繼續(xù)線性增加,該階段墻板裂縫仍以較快速度發(fā)展并伴隨局部壓潰加劇;圖8所示的墻板性能劣化過程與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[19]中試驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好。

圖8 ALC墻板性能劣化過程

以上分析表明,有限元模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測外掛ALC墻板受層間變形作用時(shí)的破壞模式、破壞形態(tài)和性能劣化過程,通過有限元分析方法研究墻板節(jié)點(diǎn)性能可行,采用的建模方法和材料本構(gòu)模型可靠。

3 節(jié)點(diǎn)性能有限元分析

3.1 參數(shù)選取

墻板受層間變形作用時(shí)視下層鋼梁為固定端,變形產(chǎn)生的位移全部來自上層鋼梁(圖9),即墻板底部節(jié)點(diǎn)為固定端,頂部節(jié)點(diǎn)為加載端。該邊界條件下頂部節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移后墻板會近似繞一點(diǎn)轉(zhuǎn)動,該轉(zhuǎn)動過程受鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)部件約束,故選取節(jié)點(diǎn)鉤頭螺栓直徑、托板長度、寬度和厚度為研究參數(shù)。

圖9 結(jié)構(gòu)層間變形作用下墻板變形模式

3.2 節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)分析

3.2.1 節(jié)點(diǎn)參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過正交試驗(yàn)法確定影響節(jié)點(diǎn)性能的主要參數(shù),得到各參數(shù)水平變化對節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律。正交試驗(yàn)按4參數(shù)4水平設(shè)計(jì),參數(shù)水平在工程常用范圍內(nèi)確定(表1),考慮誤差分析需要選用L16(45)正交表,選取層間變形達(dá)到使用階段限值時(shí)主應(yīng)變大于蒸壓輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量n為試驗(yàn)指標(biāo)(表2)。模型選用3890×600×175的標(biāo)準(zhǔn)ALC條形板,板材強(qiáng)度等級為A5.0,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=3.5MPa,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=0.31MPa,彈性模量EC=2300MPa,泊松比υ=0.2,板內(nèi)按標(biāo)準(zhǔn)配筋,鉤頭螺栓和托板采用Q235B級鋼材。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及參數(shù)水平

表2 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 部件參數(shù)對節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律

表3 主拉應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量極差分析

試驗(yàn)指標(biāo)墻板破壞程度隨各參數(shù)水平變化趨勢如圖10所示。隨托板長度增加,墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)開裂和底部壓潰程度快速加劇,開裂水平在線性加劇的基礎(chǔ)上小幅波動,壓潰程度近似線性加劇,二者存在差異的原因可能是墻板開裂水平受托板長度和鉤頭螺栓直徑的共同影響,而壓潰程度則主要由托板長度決定;隨鉤頭螺栓直徑增大,墻板破壞整體呈加劇趨勢,裂縫開展速度先增大后減小,壓潰發(fā)展速度持續(xù)增大;隨托板寬度增加,墻板開裂和壓潰程度均降低;隨托板厚度增大,墻板開裂水平和壓潰程度先增大后減小。托板寬度和厚度的極差與誤差列非常接近,對這兩個(gè)參數(shù)分析結(jié)論的可靠性有待進(jìn)行方差檢驗(yàn)。由上述分析可知增大托板長度和鉤頭螺栓直徑會加劇墻板受層間變形作用時(shí)的破壞,托板寬度和厚度對節(jié)點(diǎn)性能的影響需結(jié)合方差分析結(jié)果確定。

3.2.3 部件參數(shù)對節(jié)點(diǎn)性能影響的顯著性

極差分析無法區(qū)分由參數(shù)水平變化和系統(tǒng)誤差引起的試驗(yàn)指標(biāo)波動,也未能定量估計(jì)各參數(shù)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響,為此對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果列于表5和表6,表中F臨界值對應(yīng)的F分布置信度為95%。表中各參數(shù)的F比(F比的計(jì)算是將總平均值與各個(gè)組的平均值進(jìn)行比較,從而評估每個(gè)組的表現(xiàn)是否顯著不同)均大于誤差列,表明本次試驗(yàn)中由系統(tǒng)誤差引起的試驗(yàn)指標(biāo)波動控制在合理范圍。對于墻板裂縫發(fā)展,鉤頭螺栓直徑和托板長度的影響達(dá)到顯著水平,托板寬度和厚度的影響不顯著,對墻板壓潰程度僅有托板長度的影響達(dá)到顯著水平,其他參數(shù)影響不顯著。托板寬度和厚度的F比與誤差列接近,說明在這兩項(xiàng)參數(shù)對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)波動中系統(tǒng)誤差占比較大,相應(yīng)的極差分析結(jié)果不具有實(shí)際意義。系統(tǒng)誤差可能源于不同參數(shù)水平下模型的網(wǎng)格劃分差異和求解過程中存在的數(shù)值誤差。以上分析表明,托板長度和鉤頭螺栓直徑是影響墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)域裂縫發(fā)展的關(guān)鍵參數(shù),托板長度是影響墻板底部壓潰破壞的關(guān)鍵參數(shù),托板寬度和厚度對墻板破壞程度的影響不顯著。

表5 主拉應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量方差分析

表6 主壓應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量方差分析

3.3 主要參數(shù)對節(jié)點(diǎn)性能的影響

對托板長度和鉤頭螺栓直徑進(jìn)行參數(shù)分析,研究采用不同參數(shù)水平節(jié)點(diǎn)的全過程工作性能。建筑使用階段的層間位移角一般遠(yuǎn)小于彈性限值(1/250),墻板在微小層間位移下的工作性能值得重點(diǎn)關(guān)注。托板長度L和鉤頭螺栓直徑D選取同表1,托板長度、寬度、厚度和鉤頭螺栓直徑基準(zhǔn)值分別取200、120、6mm和12mm,其他參數(shù)與正交試驗(yàn)一致。

3.3.1 托板長度的影響

采用不同托板長度安裝的墻板主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量隨層間位移角的變化見圖11。從圖11(a)可以發(fā)現(xiàn),相同層間位移角下墻板開裂水平隨托板長度增大而提高;除長度100mm托板外,其他托板長度對應(yīng)的墻板開裂水平隨層間位移增大可分為緩慢增長、快速增長和增速回落三個(gè)階段,分別對應(yīng)墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)彈性階段、受拉開裂階段及裂縫發(fā)展受板內(nèi)配筋約束階段;隨托板長度增大,開裂水平由緩慢增長進(jìn)入快速增長階段的臨界層間位移角明顯減小,即增大托板長度會顯著提高墻板在小層間位移角下的開裂水平;開裂水平由快速增長進(jìn)入增速回落階段對應(yīng)的nT值在1200附近,這是因?yàn)榱芽p發(fā)展到一定水平后開始受到板內(nèi)配筋的約束。從圖11(b)可以看出,層間位移角相同時(shí)墻板底部的壓潰程度隨托板長度的增大而加劇;不同托板長度對應(yīng)的墻板底部壓潰程度隨層間位移角增大可劃分為緩慢增長和加速增長兩個(gè)階段,分別對應(yīng)墻板底部受壓區(qū)彈性段和破壞段;由于墻板底部與托板的擠壓破壞面隨層間位移角增大逐步擴(kuò)大,壓潰程度隨層間位移角增大快速增長;與墻板開裂水平隨托板長度變化的規(guī)律類似,隨托板長度增大,墻板底部壓潰程度由緩慢增長進(jìn)入加速增長階段的臨界層間位移角逐漸減小,但減小幅度小于前者,墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)初始裂縫對托板長度變化更敏感。

圖11 托板長度對主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度積分點(diǎn)數(shù)量的影響

3.3.2 鉤頭螺栓直徑的影響

采用不同鉤頭螺栓直徑安裝墻板主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量隨層間位移角的變化見圖12。各鉤頭螺栓直徑對應(yīng)的墻板開裂和壓潰程度隨層間位移角增大也分別滿足前文所述的三階段和兩階段特征。隨鉤頭螺栓直徑增大,墻板開裂水平在層間位移角達(dá)到1/1000前未見明顯差異,表明鉤頭螺栓直徑變化對小層間位移角下的節(jié)點(diǎn)性能影響較小;層間位移角達(dá)到1/1000后,同一層間位移角下墻板開裂水平隨鉤頭螺栓直徑增大而加劇,但鉤頭螺栓直徑增大到一定值后開裂水平的增幅明顯下降,見圖12(a)。層間位移角增大至3/1000后,墻板底部壓潰程度才表現(xiàn)出隨鉤頭螺栓直徑增大而加劇的特征見圖12(b),表明鉤頭螺栓直徑變化對墻板底部壓潰程度影響較小。

圖12 鉤頭螺栓直徑對主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度積分點(diǎn)數(shù)量的影響

綜上所述,墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫發(fā)展水平隨層間位移角增大分為緩慢增長、加速增長和增速回落三個(gè)階段,裂縫發(fā)展水平隨托板長度和鉤頭螺栓直徑增大而加劇,增大托板長度會顯著加劇墻板在小層間位移角下的開裂水平。墻板底部壓潰程度隨層間位移角增大分為緩慢增長和加速增長兩個(gè)階段,壓潰程度隨托板長度增大逐漸加劇,鉤頭螺栓直徑對墻板壓潰程度影響較小,對墻板在小層間位移角下的性能無顯著影響。

4 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化及檢驗(yàn)

根據(jù)參數(shù)分析結(jié)論,采用較小的托板長度和鉤頭螺栓直徑可顯著減小節(jié)點(diǎn)對墻板的約束作用,提高墻板使用階段工作性能。但除結(jié)構(gòu)層間變形作用外,建筑外墻板壽命周期內(nèi)還需承受自重、風(fēng)和地震等荷載作用,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度需滿足各工況要求,部分場景下無法通過大幅調(diào)整節(jié)點(diǎn)連接件尺寸來滿足墻板使用階段變形需求,為此進(jìn)一步提出改進(jìn)措施。

4.1 墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)

在墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置雙向抗裂鋼筋網(wǎng)提升抗裂性能(圖13)。抗裂鋼筋網(wǎng)雙向各配置6根φ6鋼筋,鋼筋間距25mm,沿墻板厚度方向設(shè)置4層,層間距45mm,兩側(cè)鋼筋網(wǎng)外各留20mm保護(hù)層。對增設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)的墻板進(jìn)行分析,模型參數(shù)采用單參數(shù)分析中的基準(zhǔn)值。

圖13 抗裂鋼筋網(wǎng)設(shè)置示意圖

圖14和圖15對比了墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)前后主應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量和層間位移達(dá)到使用階段限值時(shí)的破壞形態(tài)。設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)后的主拉應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量僅有小幅下降(圖14(a)),但裂縫發(fā)展模式與設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)前存在顯著差異(圖15),裂縫形態(tài)由“八”字形轉(zhuǎn)變?yōu)橐月菟诪橹行牡牡埂癥”字形,裂縫沿墻板厚度方向發(fā)展深度明顯減小,但墻板底部和螺栓孔下部壓潰加劇。由于螺栓孔與鉤頭螺栓間的相互作用力通過鋼筋網(wǎng)傳遞至螺栓孔上部,且沿厚度方向布置的鋼筋網(wǎng)限制了該方向的裂縫發(fā)展,導(dǎo)致設(shè)置鋼筋網(wǎng)后的裂縫由沿厚度方向發(fā)展轉(zhuǎn)為沿高度方向發(fā)展;鋼筋網(wǎng)提高了墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)的強(qiáng)度和剛度,相同層間位移作用下墻板與節(jié)點(diǎn)間會產(chǎn)生更大的相互作用力,加劇了墻板底部壓潰。由上述分析可知,在墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)合理設(shè)置鋼筋網(wǎng)能夠改變該區(qū)域的裂縫發(fā)展模式,避免墻板產(chǎn)生貫通厚度方向的裂縫,可以一定程度地提高墻板抗裂性能,但無法避免墻板底部壓潰破壞。

4.2 鉤頭螺栓外設(shè)彈性螺栓套筒

墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)和墻板間的相互作用,現(xiàn)從弱化節(jié)點(diǎn)和墻板間相互作用的角度提出在鉤頭螺栓外設(shè)置彈性套筒改進(jìn)方案(圖16),彈性螺栓套筒厚度取4mm、彈性模量ER=3.5MPa、泊松比υ=0.47。對采用增設(shè)彈性螺栓套筒節(jié)點(diǎn)安裝的墻板進(jìn)行分析,節(jié)點(diǎn)連接件參數(shù)采用單參數(shù)分析中的基準(zhǔn)值。

圖16 彈性套筒設(shè)置示意圖

采用帶彈性螺栓套筒節(jié)點(diǎn)安裝的墻板在層間位移達(dá)到使用階段限值時(shí)的工作狀態(tài)見圖17。墻板主拉應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量由優(yōu)化前的2 441個(gè)減少至92個(gè),主壓應(yīng)變大于材料強(qiáng)度的積分點(diǎn)數(shù)量由優(yōu)化前的159個(gè)減少至4個(gè),降幅分別達(dá)96.2%和97.4%,基本解決了墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫發(fā)展和底部壓潰問題。

圖17 設(shè)置彈性螺栓套筒后的節(jié)點(diǎn)性能

以上分析表明,在鉤頭螺栓外設(shè)彈性螺栓套筒可有效弱化節(jié)點(diǎn)和墻板間的相互作用,實(shí)現(xiàn)了墻板與主體結(jié)構(gòu)柔性連接。相較鋼管錨節(jié)點(diǎn)和S板滑移節(jié)點(diǎn)等柔性節(jié)點(diǎn),提出的設(shè)置彈性螺栓套筒改進(jìn)方案無需在墻板生產(chǎn)時(shí)設(shè)置預(yù)埋件,降低了墻板生產(chǎn)制作成本,且該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、安裝便利、施工精度易控制,具有較高的施工效率和良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)工程常用參數(shù)范圍的鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)對外掛ALC墻板受層間變形作用時(shí)的轉(zhuǎn)動有較強(qiáng)約束作用,結(jié)構(gòu)層間位移角增大到特定值后墻板底部節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)貫通墻板厚度方向的斜裂縫并伴隨底部壓潰,墻板底部節(jié)點(diǎn)先于頂部節(jié)點(diǎn)破壞。

(2)層間變形作用下,影響墻板破壞程度的節(jié)點(diǎn)參數(shù)由強(qiáng)到弱依次為托板長度、鉤頭螺栓直徑、托板寬度和托板厚度,其中托板長度和鉤頭螺栓直徑是影響墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)開裂的主要參數(shù),托板長度是影響墻板底部壓潰的主要參數(shù),托板寬度和厚度對墻板性能無顯著影響。

(3)受層間變形作用,墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)開裂和底部壓潰程度隨托板長度和鉤頭螺栓直徑增大而加劇,托板長度增大會顯著加劇墻板在小層間位移作用下的裂縫發(fā)展水平,鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格限制托板長度并合理減小鉤頭螺栓直徑。

(4)設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)可增強(qiáng)墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)抗裂性能,但無法避免墻板底部壓潰,采用該措施提升墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)抗裂性能時(shí)應(yīng)驗(yàn)算墻板底部抗壓強(qiáng)度;鉤頭螺栓外設(shè)彈性套筒較好地解決了使用階段墻板在層間變形作用下的破壞問題,實(shí)現(xiàn)了墻板與主體結(jié)構(gòu)柔性連接,該節(jié)點(diǎn)改進(jìn)方案綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良,可供工程應(yīng)用參考。