蒸压加气混凝土墙板柔性节点力学性能研究

周学军，许国栋，王越，张艺凡，李明洋

(山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101)

0 引言

大力倡导和发展装配式建筑，既是实现我国建筑业转型升级的重要途径之一，又是实现我国建筑工业化的重要推手，发展装配式建筑具有重大意义[1]。 2017 年3 月，住建部发布《建筑节能与绿色建筑发展‘十三五’规划》，要求大力发展装配式建筑，完善装配式建筑相关政策、标准及技术体系，积极发展钢结构建筑结构体系[2]。 国家大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，加气混凝土墙板优秀的性能和高附加值的性价比，使其成为钢结构居住建筑的主流部品[3]。 随着我国房屋材料革新不断深入和建筑节能的需要，我国轻型复合板的发展已形成品种多、发展快的局面，部分轻质板、轻型复合板已形成了相当大规模的生产能力。 蒸压加气混凝土板是以水泥、石灰和砂等为主要原料的一种轻质、多孔的新型绿色环保的建筑板材，具有自重轻、耐火、隔音、隔热和保温等优点，目前越来越多地应用于多高层建筑结构以及工业厂房建筑中[4]。 装配式轻质混凝土外墙板的推广与应用将推进绿色建筑和住宅产业的发展，对实现经济和社会的可持续发展有着重要的意义[5]。

蒸压瓷粉加气混凝土墙板是以陶瓷废渣粉为主要原料，采用焊接钢筋网片配筋，以生石灰、水泥作钙质材料，铝粉(膏)作发气剂，经蒸压养护而成的自身热工性能即能满足现行节能标准要求的轻质板材。 板材在满足自身强度和刚度的前提下，又具有良好的保温隔热性能，在工程界应用广泛。 轻质墙板与主体结构的连接节点是该墙板工程应用的关键，因此文章提出一种墙板与主体结构连接的柔性节点，并对节点的抗拉拔性能进行了试验研究。

1 蒸压瓷粉加气混凝土墙板构造及其节点构造

1.1 蒸压瓷粉加气混凝土墙板构造

蒸压瓷粉加气混凝土墙板是一种新型轻质环保节能的绿色建材，主要组成材料为陶瓷废渣粉、石灰和水泥等，依据不同用途和具体结构性能的要求，布置不同数量的钢筋。 钢筋需经过防腐处理，布置完成后，焊接成网片组成钢筋骨架。 墙板构造如图1所示。

蒸压瓷粉加气混凝土墙板质量轻、强度高，用于混凝土结构或者钢结构的外围护墙时，相比传统墙体而言，蒸压瓷粉加气混凝土墙板的保温以及隔热效果会更好；作为建筑结构的内隔墙使用时，蒸压瓷粉加气混凝土墙板的隔声吸音性能要优于传统墙体，而且能起到防火阻燃的作用。 新型墙板还具有绿色环保、安装便捷、工厂加工方便、耐久性能好等优点，现在已经越来越广泛的应用于多、高层民用与工业建筑中[6]。

图1 蒸压瓷粉加气混凝土墙板构造图/mm

1.2 蒸压瓷粉加气混凝土墙板节点

目前，装配式墙板与主体结构之间主要采用的连接方式为柔性连接。 柔性连接是采用预埋在墙板内的U 形卡槽通过螺栓和角钢等连接件安装在结构框架上的一种连接方式。 柔性节点连接时，使连接部位能够产生良好的协调变形，有外力作用时，墙板与主体结构协调变形，避免墙体开裂和变形，或节点破坏导致墙板脱落造成灾害的情况发生[7]。

文章研发的蒸压瓷粉加气混凝土墙板与主体结构的连接节点是一种三维空间可调的柔性连接节点构造。 墙板连接节点、预埋件和连接件如图2所示。

图2 墙板柔性连接节点构造图

柔性连接节点由预埋在墙板中的U 形卡槽、带竖向和横向长圆孔的角钢以及可转换方向的扁头螺栓组成。 主体结构受外力产生变形时，墙板下部的竖向预埋件和连接角钢的竖向长圆孔，会允许墙板产生纵向的移位变形；墙板上部的横向预埋件和连接角钢的横向长圆孔的存在，使得在主体结构发生变形时，墙板允许产生横向的移位变形；而可转换方向的扁头螺栓中的弹簧构造，又实现了墙板随主体结构变形允许墙板产生平面外的移位变形。 蒸压瓷粉加气混凝土墙板柔性连接节点的这种三维可调性，使主体结构在受力产生位移变形的挤压作用下，蒸压瓷粉加气混凝土墙板与主体结构之间可以实现较好的协调移位变形，不宜造成墙板开裂；连接节点处不宜产生应力集中现象，这在一定程度上避免了由于节点的变形破坏而导致墙体脱落的现象。

(1) 墙板与钢结构连接节点构造

蒸压瓷粉加气混凝土墙板与钢结构钢梁连接节点的具体构造形式，主要包括墙板外挂式连接节点和墙板内嵌式连接节点，如图3 所示。

图3 蒸压瓷粉加气混凝土墙板与钢结构连接节点图/mm

(2) 墙板与混凝土结构连接节点构造

蒸压瓷粉加气混凝土墙板与混凝土结构梁的连接节点的具体构造形式，也主要包括墙板外挂式连接节点和墙板内嵌式连接节点，如图4 所示。

蒸压瓷粉加气混凝土墙板作为一种非结构构件，除了需要承受自身重量、风荷载和水平地震作用外[8-9]，还需要将墙板承受的竖向荷载和水平荷载等有效的传递给主体结构；柔性连接节点是保证墙体(板)与框架共同作用的关键因素[10]，因此墙板节点的受力性能是工程应用中必须要解决的问题，采用文章提出的U 形卡槽螺栓柔性连接节点，其关键是预埋件的抗拉拔承载力，因此通过试验研究墙板与主体结构柔性连接节点的力学性能，将会具有重要的工程实用意义。

图4 蒸压瓷粉加气混凝土墙板与混凝土结构连接节点图/mm

2 墙板节点承载力需求分析

蒸压瓷粉加气混凝土墙板主要作用为围护体系，虽然整体结构计算时，认为围护作用墙板和整体结构框架不共同参与受力，但是在工程实际使用中，风荷载会直接作用在蒸压瓷粉加气混凝土墙板上。因此在工程实际应用过程中，墙板的柔性连接节点需要具有一定的承受荷载能力，通过计算风荷载在墙板产生的作用力，验算每个节点承载力能否满足使用的要求。

选用实际工程常用的蒸压瓷粉加气混凝土墙板规格，尺寸为3 000 mm×600 mm×200 mm，计算垂直于建筑物表面上的风荷载标准值时，按照标准GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[11]规定，外墙风荷载标准值由式(1)表示为

式中:ωk为风荷载标准值；βgz为高度z处的阵风系数；μsl为风荷载局部体型系数；μz为高度z处的风荷载体型系数；ω0为基本风压，kN/m2。

依据GB 50009—2012[11]规定，0.6 kN/m2为国内基本风压的最大值，各地区均不超过该数值，因此取基本风压为0.6 kN/m2，可以基本符合国内大面积地区的使用要求。 对地面粗糙度类别为B、房屋高度在10～100 m 范围时的风荷载作用下蒸压瓷粉加气混凝土墙板柔性连接节点上的作用力进行计算分析[12-13]。 在实际工程常用的蒸压瓷粉加气混凝土墙板规格中，单块墙板平面尺寸为3 000 mm×600 mm，面积A＝1.8 m2。 地面粗糙度为B 类地区的风荷载作用力，计算结果见表1，其中ω为风荷载设计值，按ω＝1.4ωk计算；F为风荷载设计值与墙板面积相乘计算得出的风荷载总作用力。

由表1 可知，地面粗糙度为B 类、高度100 m 处风荷载作用下墙板产生的总拉拔力最大值为7.25 kN。 同样方法，可以计算地面粗糙度为C 类、高度100 m 处风荷载作用下墙板产生的总拉拔力最大值为6.14 kN。 考虑到墙板在实际工程安装或者使用时会出现的各种不利状况，每一块蒸压瓷粉加气混凝土墙板与主体结构连接时采用4 个节点(上下各2 点)，假如采用下托上挂方式，则只有两个节点主要受侧力，所以认为墙板两个节点承载力应满足在墙板的使用要求[14]。 取地面粗糙度为B 类、高度为100 m 处的风荷载作用下产生的总水平作用力7.25 kN 来验算节点承载力，可以得到每个节点的承载力至少需要F＝7.25/2≈3.63(kN)才能满足使用要求。

表1 地面粗糙度为B 类地区风荷载作用力表

3 柔性连接节点抗拉拔试验研究

3.1 材料与方法

为了准确把握该新型柔性连接节点的抗拉拔性能，设计了5 种墙板试件进行节点的拉拔力试验。3.1.1 材料构造与试件设计

5 种蒸压瓷粉加气混凝土墙板及节点试件按照密度、厚度不同分别编号，见表2。 U 型卡槽为墙板柔性连接节点的墙内预埋件，可以转换方向的扁头螺栓为墙板的柔性节点连接螺栓，如图5 所示。

表2 同强度等级的密度、厚度不同的柔性节点墙板试件表

图5 U 形卡槽预埋件、可转换方向的扁头螺栓图

3.1.2 试验设备及加载方案

试验装置主要由20 t 锚杆液压拉拔仪、数显峰值压力表、可转换方向的扁头螺栓、螺母以及相关试验所需配件组成，试验装置图、试件加载节点位置图(试件③)如图6、7 所示。

图6 墙板拉拔力试验装置图

图7 墙板试件节点加载位置图/mm

试验开始之前，做好试验前期准备工作，需要先查验试验过程中所需设备的准确性，检查试件以及配件的完好性，拉拔仪器是否能正常使用，校准压力表等工作。 试验准备工作完成，进行墙板试件的放置、柔性节点的安置以及加载仪器的安装。 试验时将蒸压瓷粉加气混凝土墙板试件水平放置，再把可转换方向的扁头螺栓安装到墙板试件内部预埋的U 型卡槽的相应位置中，再依次安装实验所需的钢垫板以及连接可转换方向的扁头螺栓与螺母，最后放置试验加载拉拔仪器。 安装好加载仪器以及试验前期准备工作完成，开始进行试验。

试验加载方案为:试验加载前期，手动控制加载仪器，锚杆液压拉拔仪慢速增加荷载。 试验进行过程中，时刻查看墙板试件柔性节点以及节点周围墙板的变化，记录墙板节点出现响声时的荷载；记录节点周围试件的裂缝状态以及相应荷载；记录节点破坏时的现象以及荷载。 慢速加载，直到墙板柔性节点处于破坏状态时结束，记录下墙板节点各个加载阶段的现象以及数字显示峰值压力表在各个加载阶段下的荷载数值，试验结束。

3.2 试验现象

由于5 个墙板试件的试验现象基本相同，现以墙板①为例具体描述。 试验墙板①的4 个柔性节点依次标号为1-1、1-2、1-3、1-4，节点布置情况如图8 所示。

前期施加荷载阶段，手动控制加载仪器，慢速增加荷载，载荷数值比较小，节点周围以及墙板并没有明显变形。 随着试验进行，施加荷载数值不断变大，节点周围墙板出现裂缝；在柔性节点1-1 仪器加载到26.0 kN，柔性节点1-2 仪器加载到20.0 kN，柔性节点1-3 仪器加载到16.4 kN，柔性节点1-4 仪器加载到15.3 kN 时，节点周围墙板裂缝变大，钢垫板下节点墙板混凝土出现外鼓现象，节点墙板附近变形非常严重，而且伴随之的剪切破坏出现在钢垫板四周附近，同时数值显示压力表上的数字不再变化，墙板节点的破坏状态，如图9 所示[15]。

图8 墙板①节点布置图/mm

图9 墙板①节点试验现象图

3.3 结果与分析

根据蒸压瓷粉加气混凝土墙板柔性节点拉拔力试验，整理试验结果和记录的相关数据，可以得到每块墙板试件的柔性节点拉拔力试验数据，见表3。

表3 墙板柔性节点承载力试验数据表/kN

由试验现象和表3 可以看出，墙板节点承载力与墙板的密度、厚度和可转换方向的扁头螺栓连接位置等因素有关。 墙板厚度增加，节点承载力变大；墙板密度增加，节点承载力随之变大。

为了消除试验误差因素影响，节点承载力取值时去掉墙板①拉拔力数据中的最大值和最小值，因此单个节点的承载力强度可取10 kN。

4 结论

通过对墙板节点承载力需求分析和5 块蒸压瓷粉加气混凝土墙板节点抗拉拔力试验分析，主要得出以下结论:

(1) 墙板节点承载力与墙板的密度、厚度和可转换方向的扁头螺栓连接位置等因素有关。 墙板厚度增加，节点承载力变大；墙板密度增加，节点承载力随之变大；同一墙板试件中，布置节点的位置不同，节点的承载力也不同。

(2) 每个节点的承载能力至少需要3.63 kN；试验所得蒸压瓷粉加气混凝土墙板每个节点的抗拉拔承载力可取10 kN，当基本风压取0.6 kN/m2时，该墙板柔性节点强度可以满足地面粗糙度为B、C 类地区、高度100 m 及以下的房屋建筑使用，并且柔性节点承载力存在一定的强度安全储备。 理论分析和试验表明，研发的U 形卡槽式螺栓柔性连接节点能够满足工程实际需求。