唐偉明，劉然，徐騫，林朋朋，黃祁聰

（1.中建八局文旅博覽投資發(fā)展有限公司，南京 211111；2.清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100084；3.重慶市現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，重慶 400042）

1 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化生產(chǎn)速度快、 裝配化施工程度高等優(yōu)勢。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的外墻板由于連接件的限制，保溫厚度較厚時不易連接，連接件的冷橋較多，難以實現(xiàn)超低能耗建筑，并且室內(nèi)露梁露柱，作為住宅使用較為不便。本文計算的復(fù)合保溫外墻凹槽板，內(nèi)外頁墻和保溫層采用對拉螺栓拉結(jié)，并且內(nèi)葉墻托在樓板上，外葉墻掛在鋼梁上，保溫厚度較厚時仍能可靠連接，且連接件之間采用了防止冷橋的構(gòu)造，進一步提高了保溫性能。外葉墻采用有裝飾性且硬度較高的擠出水泥板，可實現(xiàn)保溫裝飾一體化，對鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣有積極作用。

2 有限元模型

2.1 幾何模型

復(fù)合保溫外墻凹槽板使用專用連接件與鋼梁相連，如圖1所示。連接件頂部托住上層凹槽板的外葉墻，通過卡件卡住上、下層凹槽板，防止凹槽板進行平面外運動。連接件在通過對穿螺栓與墊片和角鋼連接，角鋼焊接在鋼梁上。

圖1 復(fù)合保溫外墻凹槽板連接節(jié)點

外葉墻是帶有通長孔的擠出成型水泥條板，墻板的專用連接件如圖2 所示，螺栓頭插入連接件后旋轉(zhuǎn)90°后卡住。

圖2 專用連接件

2.2 模型建立

超低能耗復(fù)合保溫外墻凹槽板外葉墻、墻體專用連接件、與鋼梁連接的角鋼連接件及整體節(jié)點如圖3 所示，內(nèi)葉墻自承重，本次有限元計算中未建模。

圖3 構(gòu)件有限元模型

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系

本構(gòu)關(guān)系是進行有限元分析的基礎(chǔ)。鋼材、墊片的本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS 軟件中提供的各向同性材料，塑性定義為多折線的理想塑性。鋼材屈服強度235 MPa，極限強度400 MPa，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。墊片的本構(gòu)關(guān)系參照廠家提供的參數(shù)，屈服強度24.2 MPa，彈性模量2 830 MPa，泊松比0.47。

混凝土選用GB 50010—2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]（2015 年版）建議的塑性損傷模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。C30 混凝土采用規(guī)范的抗拉強度2.01 MPa，抗壓強度20.1 MPa，彈性模量30 000 MPa，泊松比0.2。

2.4 計算工況

風(fēng)荷載由GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]的維護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算公式：

式中，ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2；βgz為高度z 處的陣風(fēng)系數(shù)；μsl為局部風(fēng)壓體型系數(shù)。

以北京地區(qū)為例，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2,得到風(fēng)吸力7.46×10-4N/mm2；重力荷載采用重力場施加9 800 mm/s2。多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值、 罕遇地震水平地震影響系數(shù)最大值由GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）[3]（以下簡稱《抗震規(guī)范》），北京地區(qū)分別取0.16 和0.9；動力放大系數(shù)βe由GB/T 51231—2016 《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，取5；多遇地震、罕遇地震水平地震場加速度分別取7 840 mm/s2和44 100 mm/s2。由《抗震規(guī)范》中第5.3 條，豎向地震影響系數(shù)最大值取為水平地震影響系數(shù)最大值的65%，等效重力荷載取重力荷載代表值的75%，求得的豎向地震作用乘以增大系數(shù)1.5，多遇地震、罕遇地震豎向地震場加速度分別取為5 733 mm/s2和32 250 mm/s2。《抗震規(guī)范》中5.4 條及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]（以下簡稱《高層建筑規(guī)程》）中5.6 條，給出了重力荷載代表值、水平地震、豎向地震以及風(fēng)荷載的組合，罕遇地震參考 《高層建筑規(guī)程》中3.11.3 條性能化抗震，罕遇地震下的荷載組合SGE+SEhk+0.4SEvk≤Rk，豎向地震控制時SGE+0.4SEhk+SEvk≤Rk。式中，Rk為截面承載力標(biāo)準(zhǔn)值；SGE為重力荷載代表值的效應(yīng)；SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力；SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力。

分別計算5 種最不利工況的荷載組合。

1）重力荷載與風(fēng)荷載組合：1.3×重力（重力場向下）+1.5×風(fēng)荷載（面荷載向外）。

2） 多遇地震作用下荷載組合：1.2×重力 （重力場向下）+1.3×水平地震（水平向外場力）+0.5×豎向地震（豎直向下場力）+0.2×1.4×風(fēng)荷載（面荷載向外）。

3）豎向地震起控制作用的多遇地震作用下荷載組合：1.2×重力（重力場向下）+0.5×水平地震（水平向外場力）+1.3×豎向地震（豎直向下場力）+0.2×1.4×風(fēng)荷載（面荷載向外）。

4） 罕遇地震作用下荷載組合：1.0×重力 （重力場向下）+1.0×水平罕遇地震（水平向外場力）+0.4×豎向地震（豎直向下場力）。

5）豎向地震起控制作用的罕遇地震作用下荷載組合：1.0×重力（重力場向下）+0.4×水平罕遇地震（水平向外場力）+1.0×豎向罕遇地震（豎直向下場力）。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 不同荷載組合下的計算應(yīng)力

3.1.1 重力荷載與風(fēng)荷載組合

經(jīng)有限元計算，在重力荷載和風(fēng)吸力的組合作用下，墻板最大主拉應(yīng)力1.62 MPa，最大主壓應(yīng)力2.796 MPa，小于設(shè)定的材料本構(gòu)；連接件最大應(yīng)力Mises 應(yīng)力29.71 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材強度，如圖4 和圖9 所示。

圖4 墻板最大拉應(yīng)力1.62MPa

圖5 墻板最大拉應(yīng)力1.85MPa

圖6 墻板最大拉應(yīng)力1.35MPa

圖7 墻板最大拉應(yīng)力1.94MPa

圖8 墻板最大拉應(yīng)力2.56MPa

圖9 連接件最大應(yīng)力29.71MPa

3.1.2 多遇地震作用下荷載組合

經(jīng)有限元計算，在水平多遇地震控制的荷載組合作用下，墻板最大主拉應(yīng)力1.85 MPa，最大主壓應(yīng)力3.54 MPa，小于設(shè)定的材料本構(gòu)；連接件最大應(yīng)力Mises 應(yīng)力36.24 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材強度，如圖5 和圖10 所示。

圖10 連接件最大應(yīng)力36.24MPa

3.1.3 豎向地震起控制作用的多遇地震作用下荷載組合

經(jīng)有限元計算，在豎向多遇地震控制的荷載組合作用下，墻板最大主拉應(yīng)力1.35 MPa，最大主壓應(yīng)力4.03 MPa，小于設(shè)定的材料本構(gòu)；連接件最大應(yīng)力Mises 應(yīng)力30.98 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材強度，如圖6 和圖11 所示。

圖11 連接件最大應(yīng)力30.98MPa

3.1.4 罕遇地震作用下荷載組合

經(jīng)有限元計算，在水平罕遇地震控制的荷載組合作用下（由于墻板損傷過于嚴(yán)重，墻板附加了6 根鋼筋才能收斂），墻板最大主拉應(yīng)力1.94 MPa，最大主壓應(yīng)力8.93 MPa，小于設(shè)定的材料本構(gòu)；連接件最大應(yīng)力Mises 應(yīng)力77.52 MPa，小于鋼材強度，即使罕遇地震下，連接件依然可靠，如圖7 和圖12 所示。

圖12 連接件最大應(yīng)力77.52MPa

3.1.5 豎向地震起控制作用的罕遇地震作用下荷載組合

經(jīng)有限元計算，在豎向罕遇地震控制的荷載組合作用下，墻板最大主拉應(yīng)力2.56 MPa，局部混凝土被壓碎，最大主壓應(yīng)力6.25 MPa，小于設(shè)定的材料本構(gòu)；連接件最大應(yīng)力Mises 應(yīng)力66.45 MPa，小于鋼材強度，即使豎向罕遇地震下，連接件依然可靠，如圖8 和圖13 所示。

圖13 連接件最大應(yīng)力66.45MPa

綜上所述，控制工況為水平多遇地震，應(yīng)分析控制工況下連接件應(yīng)力、變形以及墻板應(yīng)力，并檢驗罕遇地震下連接件應(yīng)力與變形。

3.2 控制工況

3.2.1 控制工況連接件應(yīng)力分析

水平多遇地震工況下，1 層墻板頂部專用連接件Mises 應(yīng)力36.24 MPa；2 層墻板頂部專用連接件Mises 應(yīng)力35.14 MPa；3 層墻板頂部專用連接件由于沒有承擔(dān)重力荷載，Mises 應(yīng)力較小，為17.15 MPa，如圖14～圖16 所示。專用連接件應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材強度，連接件設(shè)計合理。

圖14 1 層頂部專用連接件Mises 應(yīng)力

圖15 2 層頂部專用連接件Mises 應(yīng)力

圖16 3 層頂部專用連接件Mises 應(yīng)力

與鋼梁相連的L 形連接件Mises 應(yīng)力最大為15.88 MPa，如圖17 所示，L 形連接件應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材強度，L 形連接件設(shè)計合理。

圖17 L 形連接件最大Mises 應(yīng)力

3.2.2 控制工況連接件變形分析

水平多遇地震工況下，層高3 m 的墻板最大變形3.6 mm，約為0.12%，如圖18 所示；連接件的豎向變形僅為0.96 mm，如圖19 所示，凹槽板剛度通過驗算。

圖18 墻板變形

圖19 連接件豎向變形

3.2.3 控制工況墻板應(yīng)力分析

水平多遇地震工況下，1 層墻板最大主壓應(yīng)力3.54 MPa，最大主拉應(yīng)力1.84 MPa；2 層墻板最大主壓應(yīng)力2.57 MPa，最大主拉應(yīng)力1.83 MPa；3 層墻板最大主壓應(yīng)力2.01 MPa，最大主拉應(yīng)力1.85 MPa，如圖20～圖22 所示。均小于材料本構(gòu)；主拉應(yīng)力各層接近，主壓應(yīng)力低層更大。

圖20 1 層墻板主應(yīng)力

圖21 2 層墻板主應(yīng)力

圖22 3 層墻板主應(yīng)力

3.2.4 全部荷載由連接件承擔(dān)計算

當(dāng)高層建筑使用該節(jié)點，全部荷載由連接件承擔(dān)時，不向下層傳遞，對L 形連接件要求增高，需加上如圖23 所示的三角形肋板。

圖23 L 形連接件三角形肋板

在多遇水平地震與恒荷載、重力荷載組合的工況下，如偏于安全的考慮，全部荷載由連接件承擔(dān)，墻板最大主拉應(yīng)力為1.69 MPa，最大主壓應(yīng)力1.73MPa；L 形連接件Mises 應(yīng)力最大為41.86 MPa，如圖24 和圖25 所示。

圖24 水平多遇地震下墻板應(yīng)力

圖25 水平多遇地震下連接件應(yīng)力

在多遇豎向地震與恒荷載、重力荷載組合的工況下，如偏于安全的考慮，全部荷載由連接件承擔(dān)，墻板最大主拉應(yīng)力1.86 MPa，最大主壓應(yīng)力1.91 MPa；L 形連接件Mises 應(yīng)力最大為35.27 MPa，如圖26 和圖27 所示。

圖26 豎向多遇地震下墻板應(yīng)力

綜上，當(dāng)高層建筑使用該節(jié)點，全部荷載由連接件承擔(dān)時，復(fù)合保溫外墻凹槽板的產(chǎn)品設(shè)計與連接方式依舊可靠。

圖28 為連接件與鋼梁連接關(guān)系圖。復(fù)合保溫外墻凹槽板超低能耗連接方式與鋼梁節(jié)點的ABAQUS 三維熱分析模擬結(jié)果顯示：墻體外表面熱通量為Q3D=2.026 W，原外墻與樓板熱橋的熱通量為QW-F=1.763W。連接件的點傳熱系數(shù)為χ1=0.01313 W/K。該值＜0.01，可認(rèn)為該連接節(jié)點為斷熱橋構(gòu)造。圖29 為節(jié)點斷面熱通量分布圖。

圖28 連接件與鋼梁連接關(guān)系圖

圖29 節(jié)點斷面熱通量分布圖

4 結(jié)論

經(jīng)本文5 種工況的有限元受力分析可知，復(fù)合保溫外墻凹槽板采用超低能耗連接件，在托住外頁墻的重力荷載的同時，采用同一個連接件的卡件限制外頁墻的平面外運動，盡量減少冷橋的數(shù)量；優(yōu)化截面，減小冷橋的面積；并在連接件和與鋼梁相連的角鋼連接件之間設(shè)置絕熱墊片，進一步減小外墻的熱量損失，依然可以滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的要求，并達(dá)到超低能耗的節(jié)能要求。

內(nèi)頁墻擱置在樓板上方自承重，并通過對拉螺栓與外頁墻和角鋼連接件相連，保證了保溫厚度較厚時仍能可靠連接，該構(gòu)造對超低能耗的鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣有積極作用。