國(guó) 偉，劉麗華，李九陽(yáng)，王 坦，唐佳軍

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

輕骨料夾芯復(fù)合墻板及連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

國(guó) 偉，劉麗華，李九陽(yáng)，王 坦，唐佳軍

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

設(shè)計(jì)輕骨料夾芯復(fù)合墻板試件及與鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)。通過(guò)采用低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究其力學(xué)和抗震性能，確定其破壞形式，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了(p-Δ)滯回曲線和骨架曲線，分析耗能和變形性能等。為夾芯復(fù)合墻板在輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

夾芯復(fù)合墻板；節(jié)點(diǎn)連接；力學(xué)性能；抗震性能

0 前言

混凝土夾芯復(fù)合墻板是輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中常用的復(fù)合墻板之一，這種墻板可以實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化生產(chǎn)、裝配化施工，還具有較高的強(qiáng)重比、良好的節(jié)能保溫等優(yōu)點(diǎn)。在輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中鋼框架與復(fù)合墻板的連接節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵問(wèn)題，但目前國(guó)內(nèi)針對(duì)復(fù)合墻板以及與輕鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的受力性能研究還相對(duì)較少。因此，本文開展研究復(fù)合墻板以及復(fù)合墻板與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)和抗震性能。通過(guò)采用低周反復(fù)加載試驗(yàn)，分析夾芯復(fù)合墻板和連接節(jié)點(diǎn)的受力性能，主要包括復(fù)合墻板和連接節(jié)點(diǎn)在擬靜力荷載作用下的(p-Δ)滯回曲線、骨架曲線、變形性能和耗能性能等。

1 受力性能試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選用兩種類型復(fù)合墻板，共2塊復(fù)合墻板模型。試件、結(jié)點(diǎn)的工況見(jiàn)表1。

2塊墻板模型試件尺寸及構(gòu)造如圖1所示，其中試件Y1是長(zhǎng)春市豫新公司的產(chǎn)品，試件G1為本課題研究的新型夾芯復(fù)合墻板，Y1復(fù)合墻板厚度為300 mm，內(nèi)外兩側(cè)混凝土板厚為50 mm，EPS保溫層厚200 mm，鋼筋桁架采用Φ8的CRB500鋼筋，鋼絲網(wǎng)架釆用CRB500的Φ3@50鋼筋；新型夾芯復(fù)合墻板G1的厚度為250 mm，內(nèi)外兩側(cè)混凝土板厚各為50 mm，XPS保溫層厚150 mm，鋼筋桁架采用Φ5的CRB500鋼筋，鋼筋網(wǎng)架釆用Φ5@200的CRB500鋼筋。兩種墻板均使用C20的火山渣砼。

表1 試驗(yàn)工況模型

復(fù)合墻板與鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示。節(jié)點(diǎn)GZ1：在墻板設(shè)計(jì)連接位置處預(yù)埋一槽型鋼框((10×10×10) cm，鋼板厚5 mm)，鋼框下翼緣預(yù)留螺栓孔((12+1.5) mm)；鋼梁設(shè)上翼處緣預(yù)留螺栓孔((12+1.5) mm)；墻板吊裝就位后，M12螺栓依次穿過(guò)鋼梁翼緣、加焊鋼板、鋼框的下翼緣，擰緊螺栓帽，最后用泡沫混凝土封堵鋼框。節(jié)點(diǎn)GZ2：在墻板設(shè)計(jì)連接位置處預(yù)埋一工型預(yù)埋件(預(yù)埋件由2塊鋼板和1根套筒組成，鋼板尺寸為150×120×6 mm，內(nèi)層鋼板埋置于墻板外葉混凝土中；外層鋼板埋置于墻板內(nèi)葉，與墻板內(nèi)側(cè)面平齊；鋼套筒M14長(zhǎng)210 mm，半側(cè)空心處與內(nèi)側(cè)面平齊)；鋼梁上表面焊接連接角鋼L90×10，豎肢開設(shè)螺栓孔((14+1.5) mm)；墻板吊裝就位后，擰緊螺栓。

(a)豫新混凝土復(fù)合墻板

(b)夾芯復(fù)合墻板圖1 復(fù)合墻板構(gòu)造圖

1.2 試件制作安裝

復(fù)合墻板試件制作和安裝過(guò)程如圖3～圖4所示，墻板由工廠制作，養(yǎng)護(hù)完后運(yùn)輸?shù)介L(zhǎng)春工程學(xué)院防震減災(zāi)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與鋼框架進(jìn)行連接安裝。墻板試件制作安裝過(guò)程:1)鋼筋網(wǎng)架、預(yù)埋件以及保溫板的加工；2)粘貼鋼筋和預(yù)埋件應(yīng)變片；3)筋網(wǎng)架內(nèi)填塞保溫板；4)澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)28 d；5)安裝鋼框架；6)安裝復(fù)合墻板在鋼框架上；7)安裝作動(dòng)器和應(yīng)變采集儀。

(a)Y1墻板連接節(jié)點(diǎn)GZ1示意圖

(b)G1墻板連接節(jié)點(diǎn)GZ2示意圖圖2 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

圖3 填充保溫板和粘貼應(yīng)變片

圖4 澆筑混凝土和安裝鋼框架

1.3 試驗(yàn)加載方案

本次采用擬靜力低周反復(fù)加載試驗(yàn)，加載方法采用力—位移混合加載法[1]。試件屈服前采用控制力法，以作動(dòng)器水平推力為正方向，拉力為反方向。初始值為0 kN，以±5 kN為加載步長(zhǎng)，逐級(jí)增加荷載，每級(jí)持時(shí)2 min[2]。試件屈服后采用控制位移法，以試件屈服位移±Δy為控制位移步長(zhǎng)，逐級(jí)增大位移，每級(jí)位移持時(shí)2 min，直至構(gòu)件被破壞[3]，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)制作了2塊復(fù)合墻板試件，并進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)[4]。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，2塊墻板試件在加載荷載初始時(shí)為彈性階段，隨著荷載的增加，試件逐漸進(jìn)入彈塑性階段，最后發(fā)生屈服破壞。Y1試件在90 kN破壞時(shí)的位移值為10.7 mm；G1試件在120 kN破壞時(shí)的位移值為9.8 mm。從圖6～7可得，Y1試件達(dá)到極限承載力90 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)GZ1連接螺栓被剪斷，而墻板尚未達(dá)到破壞狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)先于墻板破壞；試件G1達(dá)到極限承載力120 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)GZ2連接螺栓被剪斷，而墻板尚未達(dá)到完全破壞狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)先于墻板破壞?？梢?jiàn)連接節(jié)點(diǎn)決定了結(jié)構(gòu)整體的承載能力，這體現(xiàn)了“節(jié)點(diǎn)”的重要性。因此，墻板與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵因素。

圖6 Y1試件破壞現(xiàn)象

圖7 G1試件破壞現(xiàn)象

2.1 滯回曲線和骨架曲線分析

在試驗(yàn)中作動(dòng)器加載系統(tǒng)記錄了試件在反復(fù)荷載作用下的(p-Δ)關(guān)系滯回曲線和骨架曲線[2,5]，如圖8～11所示。

圖8 Y1的(p-Δ)滯回曲線圖

圖9 G1的(p-Δ)滯回曲線圖

圖10 G1的(p-Δ)骨架曲線圖

通過(guò)滯回曲線的對(duì)比可以得出，2塊復(fù)合墻板的滯回曲線捏攏程度小，滯回曲線飽滿，說(shuō)明其抗震性能好。相比Y1的曲線，G1的滯回曲線捏攏現(xiàn)象更低，反映出G1構(gòu)件的塑性變形能力強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)性能更好，能較好地吸收地震能量，具有良好的抗震能力

和耗能能力。

圖11 Y1的(p-Δ)骨架曲線圖

通過(guò)骨架曲線的對(duì)比可以得出：2條曲線在加載荷載初始時(shí)為彈性階段，隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸減小，試件逐漸進(jìn)入彈塑性階段，最后發(fā)生屈服破壞。圖中試件的骨架曲線都較為平滑，說(shuō)明試件的破壞是延性破壞，試件的變形能力良好。Y1試件在90 kN時(shí)發(fā)生破壞，G1試件在120 kN時(shí)發(fā)生破壞，G1承載力優(yōu)勢(shì)明顯，而且G1曲線更加光滑，說(shuō)明G1連接節(jié)點(diǎn)變形和延性能力更好。

2.2 變形性能分析

本文通過(guò)采用位移延性系數(shù)μ和轉(zhuǎn)角延性系數(shù)μθ來(lái)研究結(jié)構(gòu)變形能力的大小，依據(jù)JGJ 101—96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[6]，計(jì)算得到試件的μ以及μθ，見(jiàn)表2所示。

表2 各試件的層間位移角θ及延性系數(shù)μ

表2表明：2個(gè)試件的開裂位移角在1/600～1/1 000左右，小于多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值θe=1/300；2個(gè)試件的屈服位移角在1/150～1/250之間，小于多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值θe=1/50，通過(guò)比較，2塊復(fù)合墻板具有良好的變形性能和延性。

2.3 耗能分析

在結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)中，通常采用能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he來(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)的耗能能力[7]，依圖12所示，能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he的計(jì)算見(jiàn)式(1)[7-8],計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)

式中：S(ABC+CDA)為滯回環(huán)包圍面積；S(△OBE+△ODF)為滯回環(huán)峰值、坐標(biāo)原點(diǎn)、橫坐標(biāo)軸圍成的三角形面積。

圖12 等效黏滯阻尼系數(shù)計(jì)算圖

表3表明：1)在極限狀態(tài)時(shí)，試件G1的等效阻尼系數(shù)he值0.28和能量耗散系數(shù)E值1.759均為最大值，耗能性能最好；2)在屈服狀態(tài)時(shí)，試件Y1比G1的等效阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E大一些，Y1的he值0.158，耗能性能也較好。

表3 各試件能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he

3 結(jié)語(yǔ)

主要是對(duì)2個(gè)試件進(jìn)行設(shè)計(jì)制作并進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了(p-Δ)滯回曲線和骨架曲線、耗能性能和變形性能等，綜合評(píng)價(jià)了夾芯復(fù)合墻板的抗震性能，試驗(yàn)結(jié)果表明本文新型復(fù)合墻板受力性能較好。連接節(jié)點(diǎn)的性能是實(shí)現(xiàn)墻板與鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的前提，本文新型連接節(jié)點(diǎn)與豫新墻板連接節(jié)點(diǎn)相比，具有較好的性能，為夾芯復(fù)合墻板在輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

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[2] 臧海濤.復(fù)合墻板與鋼框架連接結(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

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The Experimental Study on Mechanical Properties of Lightweight Aggregate Sandwich Composite Panels and Joints

GUO Wei，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The design to lightweight aggregate sandwich composite wall panels and connection joints with steel structure has been made in this article.By the low cyclic loading tests，the study to the mechanical and seismic performance has been made to define the failure form.According to the test data，(p-Δ) hysteretic curves and skeleton curves are obtained，and the energy dissipation and deformation performance are analyzed to provide experimental basis for the application of sandwich composite panels in light steel structure house.

sandwich composite wall panels；joints；mechanical properties；seismic behavior

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.002

2016-11-24

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140203014SF) 吉林省教育廳項(xiàng)目(2015第296號(hào)) 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201511437024)

國(guó)偉(1989-)，男(漢)，山東臨沂，碩士 主要研究建筑結(jié)構(gòu)。

劉麗華

TU317.1

A

1009-8984(2017)01-0005-05