車旭明 熊 銳 郭金龍 張 芳

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350015)

多年來我國的建筑業(yè)存在著資源消耗高、施工污染大、施工質(zhì)量不易控制等問題，同時隨著勞動力成本逐漸上升，“民工荒”問題逐年顯著.因此建筑工業(yè)化成為我國建筑業(yè)發(fā)展的趨勢，建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)節(jié)能減排、結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的必經(jīng)之路.大力推廣預(yù)制裝配式混凝土(Precast Concrete，簡稱PC)建筑，是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要內(nèi)容. 相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑高能耗、長周期的建造方式，PC建筑具有施工進(jìn)度快、現(xiàn)場濕作業(yè)少、人工需求量低、施工排放量微等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合工業(yè)化的特點(diǎn)，并且大大降低了對環(huán)境的污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求.

預(yù)制混凝土外掛墻板(PC外掛墻板)是PC建筑重要的組成部分，其位于PC建筑主體外圍，起到對建筑內(nèi)部的圍護(hù)作用，同時也直接影響建筑立面的質(zhì)量，其生產(chǎn)工藝、構(gòu)造技術(shù)影響著PC建筑的質(zhì)量、節(jié)能效果和美觀程度.已有部分學(xué)者對PC外掛墻板的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究.例如：侯和濤等[1-2]對夾心保溫PC外掛墻板與鋼框架連接節(jié)點(diǎn)開展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩系列共七榀單層單跨平面鋼框架結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果顯示柱連接在初始抗側(cè)剛度、耗能能力、極限承載力方面要優(yōu)于梁柱連接.Carradine等[3]對復(fù)合PC墻板與框架結(jié)構(gòu)的相互作用開展了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合墻板的平面內(nèi)剛度對結(jié)構(gòu)整體橫向剛度影響十分顯著，且連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度決定了復(fù)合墻板的承載力和剪切剛度.Heimbs等[4]通過對蜂窩夾層復(fù)合PC墻板的拉拔性能和抗剪性能開展研究，試驗(yàn)研究了分別使用螺栓節(jié)點(diǎn)和L型節(jié)點(diǎn)的墻板的破壞形態(tài).Todut和Dan[5，6]對PC墻板在受到平面內(nèi)剪力情況下的力學(xué)特性展開研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致墻板失去承載力的原因是墻板受剪破壞.此外還有許文峰[7]開展了輕鋼龍骨PC外掛墻板連接節(jié)處的力學(xué)性能研究，吳金虎等[8]提出了節(jié)點(diǎn)在風(fēng)荷載、地震荷載以及自重作用下的設(shè)計(jì)組合的算法、節(jié)點(diǎn)各處部件驗(yàn)算時荷載作用點(diǎn)的合理取法以及節(jié)點(diǎn)承載力具體驗(yàn)算方法.

但目前已有的這些研究多關(guān)注于帶夾心層PC外掛墻板的力學(xué)性能.我國東南沿海地區(qū)氣候宜人，墻體保溫問題不突出，大部分建筑設(shè)計(jì)工況下，可除去PC外掛墻板的保溫功能，輕質(zhì)的無夾心PC外掛墻板更具區(qū)域性工程應(yīng)用價值，并且在墻板生產(chǎn)過程中免去了夾心層的制作安裝過程，墻板厚度方向不存在拼縫，墻板整體性更強(qiáng).而目前針對無夾心PC外掛墻板的研究尚不多見，此外東南沿海地區(qū)臺風(fēng)天氣多發(fā)，強(qiáng)風(fēng)作用下建筑外墻脫落、破損等事故屢見報道.因此，針對無夾心PC外掛墻板進(jìn)行研究，分析其在強(qiáng)風(fēng)作用下的變形特征，具有較強(qiáng)的研究意義.

1 無夾心PC外掛墻板及連接件設(shè)計(jì)

本研究所分析的無夾心PC外掛墻板的尺寸為2 400 mm×1 800 mm，墻板采用輕質(zhì)混凝土，強(qiáng)度等級C35；墻板厚度170 mm，內(nèi)嵌直徑12 mm的雙層鋼筋網(wǎng)，水平筋和豎向筋間距均為200 mm，且墻板四邊布有一圈直徑8 mm的拉筋；墻板上、下方分別帶有上、下連接件，上、下連接件采用Q235鋼結(jié)構(gòu)，上、下連接件分別錨固于上、下層預(yù)制梁位置.下節(jié)點(diǎn)螺栓采用10.9級M30高強(qiáng)螺栓，上節(jié)點(diǎn)錨固鋼筋和下節(jié)點(diǎn)錨固鋼筋均為直徑20 mm的三級鋼筋，墻板構(gòu)造如圖1所示.

2.1 計(jì)算模型與材料參數(shù)

本研究采用大型通用有限元程序ABAQUS對所研究的PC外掛墻板進(jìn)行分析，帶新型連接件無夾心PC外掛墻板有限元模型示意圖如圖2所示.有限元模型采用分離式建模，其中混凝土墻體采用C3D8R實(shí)體單元，采用文獻(xiàn)[9]提供的混凝土單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，使用程序內(nèi)置的塑性損傷模型(concrete damaged plasticity)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 混凝土材料參數(shù)

表中，ρ為密度；E為彈性模量；ν為泊松比；φ為膨脹角；af為雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比值；K為拉伸子午面與壓縮子午面上的第二應(yīng)力不變量的比值；μ為粘性系數(shù).

鋼筋采用T3D2桁架單元，密度為7 800kg/m3，鋼筋材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服強(qiáng)度為400MPa，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3.鋼結(jié)構(gòu)連接件采用C3D8R實(shí)體單元，密度為7 800kg/m3，鋼材采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服強(qiáng)度為235MPa，彈性模量210GPa，泊松比為0.3.

2.2 接觸形式與邊界條件

模型中鋼筋和混凝土之間考慮為粘結(jié)良好，連接件可靠地錨固在外掛墻板和預(yù)制混凝土梁內(nèi)，彼此之間均無相對滑移，故鋼筋和混凝土墻體之間、鋼結(jié)構(gòu)連接件和混凝土墻體之間采用內(nèi)嵌形式.

鋼材的焊接區(qū)域均采用綁定約束.滑動墊片和上角鋼、螺栓與底座、上節(jié)點(diǎn)錨固鋼筋與滑動墊片以及上節(jié)點(diǎn)錨固鋼筋與上角鋼均采用表面與表面接觸，在接觸對的切向設(shè)置摩擦公式為罰，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2.

約束上、下連接件底部平面所有單元節(jié)點(diǎn)的Y方向(墻板平面的豎直方向)、X方向(墻板平面的水平方向)、Z方向(垂直墻板平面方向)的自由度，即Ux=Uy=Uz=θx=θy=θz=0.

3 無夾心PC外掛墻板氣溫適用性驗(yàn)證

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論[10]，正交各向異性固體中導(dǎo)熱的微分方程為：

(1)

式中，T為物體的瞬時溫度，單位℃；t為熱傳導(dǎo)過程經(jīng)歷的時間；lx、ly、lz為材料三個主軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料的密度；C為材料的比熱容，qv為材料的內(nèi)熱源強(qiáng)度.對于物體內(nèi)部沒有熱源的三向同性材料，則導(dǎo)熱微分方程轉(zhuǎn)化為：

(2)

本研究中將無夾心PC外掛墻板視為三向同性材料，采用DC3D8實(shí)體單元模擬混凝土及鋼結(jié)構(gòu)連接件，采用DC1D2單元模擬鋼筋，定義材料熱工性能：混凝土的熱傳遞系數(shù)為1.355 W/(m2·K)，比熱容為1 069.167 J/(kg·K)，鋼筋的熱傳遞系數(shù)為47.56 W/(m2·K)，比熱容為430.57 J/(kg·K)，鋼材的熱傳遞系數(shù)為47.12 W/(m2·K)，比熱容為440.77 J/(kg·K).墻板的初始溫度設(shè)為20 ℃，加載溫度室外38 ℃，室內(nèi)26 ℃，室內(nèi)外溫差持續(xù)作用時間6 h.室內(nèi)外溫差作用下，無夾心PC外掛墻板各時刻溫度分布情況如圖3所示.

(a)1 h (b)2 h (c)3 h

圖3(a)所示為室內(nèi)外溫差作用1 h后墻板的溫度分布情況，從中可見，墻板外表層溫度29.5 ℃，沿著厚度向室內(nèi)方向遞減，墻板內(nèi)表層溫度約20 ℃.在室內(nèi)外溫差作用2 h后，從圖3(b)中可見，墻板外表層溫度31.5 ℃，墻板內(nèi)表層溫度21.9 ℃，相比1 h時刻，墻板整體溫度上升.

墻板內(nèi)外表面的溫度變化曲線如圖4所示，在室內(nèi)外溫差作用初始時刻，墻板整體溫度上升幅度較大，曲線斜率較大，而隨著作用時間延續(xù)，曲線斜率逐漸減緩，墻板整體升溫幅度降低.在室內(nèi)外溫差作用6 h后，從圖3(f)中可見，墻板外表層溫度34.6 ℃，墻板內(nèi)表層溫度25.8 ℃，內(nèi)外表層各自趨向于室內(nèi)外溫度.

圖4 墻板內(nèi)外表面溫度變化

由上述分析可見，墻板在東南沿海地區(qū)夏季室內(nèi)外溫差作用下，墻板自身熱工性能穩(wěn)定，溫度場分布較為合理，無夾心PC外掛墻板具有較強(qiáng)的氣溫適用性.

4 常規(guī)受荷下外掛墻板力學(xué)性能分析

正常使用下，外掛墻板主要受自身重力荷載作用，此外還可能受到一些附加建筑部品、建筑外飾的重力荷載作用，例如外墻的廣告牌、宣傳標(biāo)志等.本文在外掛墻板受自重荷載作用基礎(chǔ)上，再于墻板平面內(nèi)豎直向下方向加了等同于外掛墻板自重的附加豎向荷載，分析結(jié)果如圖5、圖6所示.

(a)平面內(nèi)

從圖5(a)可知，在自重及等同于其自重的附加豎向荷載共同作用下，PC外掛墻板在豎直方向上發(fā)生一定變形，由于下連接件剛度相對較大，墻板在下連接件位置豎向位移相對較小，沿豎直方向向上豎向位移逐漸累積，在上連接件位置豎向位移最大，最大位移0.07 mm.此外PC外掛墻板整體還呈現(xiàn)一定的平面外彎曲變形，從圖5(b)可知，平面外變形最大處近似發(fā)生在墻板中部標(biāo)高的兩邊緣處，這兩片區(qū)域受上下連接件約束效應(yīng)最低，故發(fā)生平面外變形最明顯，最大平面外位移0.06 mm.由此可見，在常規(guī)受荷作用下，帶新型連接件的無夾心PC外掛墻板發(fā)生微量變形，變形幾乎不會影響墻板彼此之間的拼接縫正常工作，也不會導(dǎo)致對拼接縫的拉壓破壞.

從圖6(a)可知，在自重及等同于其自重的附加豎向荷載共同作用下，墻板自身混凝土處于低應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力僅1.4 MPa.圖6(b)所示為上連接件應(yīng)力分布圖，該連接件位于圖5(a)所示墻板的右上角處，可見上連接件在錨固鋼筋處存在一定的應(yīng)力集中區(qū)域，從圖6(c)可見該下連接件在耳板及螺栓處存在一定應(yīng)力集中區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)連接件最大應(yīng)力37.6 MPa.

(a)墻板應(yīng)力分布

由此可見，在常規(guī)受荷作用下，墻板自身混凝土處于低應(yīng)力狀態(tài)，豎向荷載主要由上、下連接件承擔(dān)，連接件鋼結(jié)構(gòu)受力合理，未發(fā)生破壞或無法繼續(xù)使用的大變形.帶新型連接件的無夾心PC外掛墻板能夠承擔(dān)等同于其自重的附加豎向荷載而幾乎不產(chǎn)生變形.

5 強(qiáng)風(fēng)作用下外掛墻板力學(xué)性能分析

東南沿海地區(qū)受季風(fēng)影響，各地基本風(fēng)壓普遍較大，福州市區(qū)基本風(fēng)壓0.7 kPa，廈門市區(qū)基本風(fēng)壓0.8 kPa，平潭特區(qū)基本風(fēng)壓1.3 kPa，浙江部分地區(qū)基本風(fēng)壓更是達(dá)到1.8 kPa，在全國范圍內(nèi)均屬前列.

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受風(fēng)壓wk計(jì)算公式：

wk=βgzμslμzw0

(3)

式中，βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓，單位為kPa.

分析具有密集建筑群的城市市區(qū)的情況，地面粗糙度可取為C類，在距離地面100 m的高度，根據(jù)文獻(xiàn)[11]βgz取為1.69，μz取為1.50；而對于常規(guī)封閉式矩形平面房屋，局部體型系數(shù)μsl在迎風(fēng)面取其最大正值1.0(正壓)，在側(cè)面取其最大負(fù)值-1.4(負(fù)壓).則東南沿海典型地區(qū)強(qiáng)風(fēng)荷載作用工況可列于表2，本文對這8種工況進(jìn)行分析，強(qiáng)風(fēng)荷載以均布荷載的形式作用在墻板的外表面上，并通過加載方向來定義正負(fù)風(fēng)壓.

表2 強(qiáng)風(fēng)作用工況

由于下節(jié)點(diǎn)底座圓孔與螺栓之間存在2 mm的間隙，在各風(fēng)荷載作用工況下，下連接件螺栓與底座均出現(xiàn)較大的位移錯動，從而導(dǎo)致墻板中下部發(fā)生較大位移， 下節(jié)點(diǎn)變形圖如圖7所示.

圖7 強(qiáng)風(fēng)作用工況1下節(jié)點(diǎn)變形

計(jì)算得到各工況風(fēng)壓下墻板最大位移量如表3所示，可見隨著風(fēng)壓增大，墻板的位移量逐漸增大，最大為2.095 mm，變形幾乎不會影響墻板彼此之間的拼接縫正常工作，也不會導(dǎo)致對拼接縫的拉壓破壞.

表3 各工況位移量

分析強(qiáng)風(fēng)荷載作用下PC外掛墻板應(yīng)力分布情況，從圖8(a)所示的墻板應(yīng)力分布圖可知，墻板整體依然處于低應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力2.1 MPa，且主要發(fā)生在墻板上、下連接件錨固處.上連接件最大應(yīng)力位于錨固鋼筋處，最大應(yīng)力為83.7 MPa，下連接件鋼結(jié)構(gòu)則受最大應(yīng)力104.9 MPa，發(fā)生在下節(jié)點(diǎn)底座處.

(a)墻板應(yīng)力分布

由此可見，在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下，下連接件受力較大，但依然滿足強(qiáng)度要求，未發(fā)生破壞或無法繼續(xù)使用的大變形.帶新型連接件的無夾心PC外掛墻板能夠承載東南沿海典型地區(qū)的多數(shù)高層建筑外墻所受的強(qiáng)風(fēng)荷載作用，產(chǎn)生的變形也不影響墻板正常使用.

6 結(jié)論

(1)無夾心PC外掛墻板在東南沿海地區(qū)夏季室內(nèi)外溫差作用下，墻板自身熱工性能穩(wěn)定，溫度場分布較為合理，具有較強(qiáng)的氣溫適用性.

(2)帶新型連接件的無夾心PC外掛墻板能夠承擔(dān)等同于其自重的附加豎向荷載而幾乎不產(chǎn)生變形.

(3)帶新型連接件的無夾心PC外掛墻板能夠承載東南沿海典型地區(qū)的多數(shù)高層建筑外墻所受的強(qiáng)風(fēng)荷載作用，產(chǎn)生的變形也不影響墻板正常使用.