轻骨料夹芯复合墙板及连接节点力学性能试验研究

国 伟，刘丽华，李九阳，王 坦，唐佳军

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

轻骨料夹芯复合墙板及连接节点力学性能试验研究

国 伟，刘丽华，李九阳，王 坦，唐佳军

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

设计轻骨料夹芯复合墙板试件及与钢结构的连接节点。通过采用低周反复加载试验，研究其力学和抗震性能，确定其破坏形式，根据试验数据获得了(p-Δ)滞回曲线和骨架曲线，分析耗能和变形性能等。为夹芯复合墙板在轻型钢结构住宅中的应用提供了试验依据。

夹芯复合墙板；节点连接；力学性能；抗震性能

0 前言

混凝土夹芯复合墙板是轻钢结构住宅中常用的复合墙板之一，这种墙板可以实现工厂预制化生产、装配化施工，还具有较高的强重比、良好的节能保温等优点。在轻型钢结构体系中钢框架与复合墙板的连接节点是关键问题，但目前国内针对复合墙板以及与轻钢结构连接节点的受力性能研究还相对较少。因此，本文开展研究复合墙板以及复合墙板与钢结构连接节点的力学和抗震性能。通过采用低周反复加载试验，分析夹芯复合墙板和连接节点的受力性能，主要包括复合墙板和连接节点在拟静力荷载作用下的(p-Δ)滞回曲线、骨架曲线、变形性能和耗能性能等。

1 受力性能试验研究

1.1 试件设计

本次试验选用两种类型复合墙板，共2块复合墙板模型。试件、结点的工况见表1。

2块墙板模型试件尺寸及构造如图1所示，其中试件Y1是长春市豫新公司的产品，试件G1为本课题研究的新型夹芯复合墙板，Y1复合墙板厚度为300 mm，内外两侧混凝土板厚为50 mm，EPS保温层厚200 mm，钢筋桁架采用Φ8的CRB500钢筋，钢丝网架釆用CRB500的Φ3@50钢筋；新型夹芯复合墙板G1的厚度为250 mm，内外两侧混凝土板厚各为50 mm，XPS保温层厚150 mm，钢筋桁架采用Φ5的CRB500钢筋，钢筋网架釆用Φ5@200的CRB500钢筋。两种墙板均使用C20的火山渣砼。

表1 试验工况模型

复合墙板与钢结构的连接节点构造如图2所示。节点GZ1：在墙板设计连接位置处预埋一槽型钢框((10×10×10) cm，钢板厚5 mm)，钢框下翼缘预留螺栓孔((12+1.5) mm)；钢梁设上翼处缘预留螺栓孔((12+1.5) mm)；墙板吊装就位后，M12螺栓依次穿过钢梁翼缘、加焊钢板、钢框的下翼缘，拧紧螺栓帽，最后用泡沫混凝土封堵钢框。节点GZ2：在墙板设计连接位置处预埋一工型预埋件(预埋件由2块钢板和1根套筒组成，钢板尺寸为150×120×6 mm，内层钢板埋置于墙板外叶混凝土中；外层钢板埋置于墙板内叶，与墙板内侧面平齐；钢套筒M14长210 mm，半侧空心处与内侧面平齐)；钢梁上表面焊接连接角钢L90×10，竖肢开设螺栓孔((14+1.5) mm)；墙板吊装就位后，拧紧螺栓。

(a)豫新混凝土复合墙板

(b)夹芯复合墙板图1 复合墙板构造图

1.2 试件制作安装

复合墙板试件制作和安装过程如图3～图4所示，墙板由工厂制作，养护完后运输到长春工程学院防震减灾结构实验室，在实验室内与钢框架进行连接安装。墙板试件制作安装过程:1)钢筋网架、预埋件以及保温板的加工；2)粘贴钢筋和预埋件应变片；3)筋网架内填塞保温板；4)浇筑混凝土，养护28 d；5)安装钢框架；6)安装复合墙板在钢框架上；7)安装作动器和应变采集仪。

(a)Y1墙板连接节点GZ1示意图

(b)G1墙板连接节点GZ2示意图图2 连接节点构造图

图3 填充保温板和粘贴应变片

图4 浇筑混凝土和安装钢框架

1.3 试验加载方案

本次采用拟静力低周反复加载试验，加载方法采用力—位移混合加载法[1]。试件屈服前采用控制力法，以作动器水平推力为正方向，拉力为反方向。初始值为0 kN，以±5 kN为加载步长，逐级增加荷载，每级持时2 min[2]。试件屈服后采用控制位移法，以试件屈服位移±Δy为控制位移步长，逐级增大位移，每级位移持时2 min，直至构件被破坏[3]，试验现场如图5所示。

图5 试验现场加载图

2 试验结果及分析

本试验制作了2块复合墙板试件，并进行了低周往复加载试验[4]。通过试验研究发现，2块墙板试件在加载荷载初始时为弹性阶段，随着荷载的增加，试件逐渐进入弹塑性阶段，最后发生屈服破坏。Y1试件在90 kN破坏时的位移值为10.7 mm；G1试件在120 kN破坏时的位移值为9.8 mm。从图6～7可得，Y1试件达到极限承载力90 kN时，节点GZ1连接螺栓被剪断，而墙板尚未达到破坏状态，节点先于墙板破坏；试件G1达到极限承载力120 kN时，节点GZ2连接螺栓被剪断，而墙板尚未达到完全破坏状态，节点先于墙板破坏。可见连接节点决定了结构整体的承载能力，这体现了“节点”的重要性。因此，墙板与钢框架的连接节点是该结构体系的关键因素。

图6 Y1试件破坏现象

图7 G1试件破坏现象

2.1 滞回曲线和骨架曲线分析

在试验中作动器加载系统记录了试件在反复荷载作用下的(p-Δ)关系滞回曲线和骨架曲线[2,5]，如图8～11所示。

图8 Y1的(p-Δ)滞回曲线图

图9 G1的(p-Δ)滞回曲线图

图10 G1的(p-Δ)骨架曲线图

通过滞回曲线的对比可以得出，2块复合墙板的滞回曲线捏拢程度小，滞回曲线饱满，说明其抗震性能好。相比Y1的曲线，G1的滞回曲线捏拢现象更低，反映出G1构件的塑性变形能力强，节点性能更好，能较好地吸收地震能量，具有良好的抗震能力

和耗能能力。

图11 Y1的(p-Δ)骨架曲线图

通过骨架曲线的对比可以得出：2条曲线在加载荷载初始时为弹性阶段，随着荷载的增加，曲线斜率逐渐减小，试件逐渐进入弹塑性阶段，最后发生屈服破坏。图中试件的骨架曲线都较为平滑，说明试件的破坏是延性破坏，试件的变形能力良好。Y1试件在90 kN时发生破坏，G1试件在120 kN时发生破坏，G1承载力优势明显，而且G1曲线更加光滑，说明G1连接节点变形和延性能力更好。

2.2 变形性能分析

本文通过采用位移延性系数μ和转角延性系数μθ来研究结构变形能力的大小，依据JGJ 101—96《建筑抗震试验方法规程》[6]，计算得到试件的μ以及μθ，见表2所示。

表2 各试件的层间位移角θ及延性系数μ

表2表明：2个试件的开裂位移角在1/600～1/1 000左右，小于多、高层钢结构弹性层间位移角限值θe=1/300；2个试件的屈服位移角在1/150～1/250之间，小于多、高层钢结构弹塑性层间位移角限值θe=1/50，通过比较，2块复合墙板具有良好的变形性能和延性。

2.3 耗能分析

在结构抗震试验中，通常采用能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he来评定结构的耗能能力[7]，依图12所示，能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he的计算见式(1)[7-8],计算结果见表3。

(1)

式中：S(ABC+CDA)为滞回环包围面积；S(△OBE+△ODF)为滞回环峰值、坐标原点、横坐标轴围成的三角形面积。

图12 等效黏滞阻尼系数计算图

表3表明：1)在极限状态时，试件G1的等效阻尼系数he值0.28和能量耗散系数E值1.759均为最大值，耗能性能最好；2)在屈服状态时，试件Y1比G1的等效阻尼系数he和能量耗散系数E大一些，Y1的he值0.158，耗能性能也较好。

表3 各试件能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he

3 结语

主要是对2个试件进行设计制作并进行拟静力加载试验，通过试验现象和试验数据对比分析，得出以下结论：根据试验数据获得了(p-Δ)滞回曲线和骨架曲线、耗能性能和变形性能等，综合评价了夹芯复合墙板的抗震性能，试验结果表明本文新型复合墙板受力性能较好。连接节点的性能是实现墙板与钢结构协同作用的前提，本文新型连接节点与豫新墙板连接节点相比，具有较好的性能，为夹芯复合墙板在轻型钢结构住宅中的应用提供了试验依据。

[1] 邱灿星.带复合墙板钢框架的滞回性能研究[D].济南：山东大学，2011.

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[5] 李国强，赵欣，孙飞飞，等.钢结构住宅体系墙板及墙板节点足尺模型振动台试验研究[J].地震工程与工程振动，2013(1)：64-70.

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[8] 李斌.装配式剪力墙结构纵横墙新型连接技术研究[D].长春：长春工程学院，2015.

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

吉林省科技发展计划项目(20140203014SF) 吉林省教育厅项目(2015第296号) 国家级大学生创新项目(201511437024)

国伟(1989-)，男(汉)，山东临沂，硕士 主要研究建筑结构。

刘丽华

TU317.1

A

1009-8984(2017)01-0005-05