高层钢结构与装配式清水混凝土外墙挂板连接节点的抗震性能试验研究

乔天顺 王庆伟 李虎彬

1. 安阳市人民医院 河南 安阳 455000；2. 河南省第二建设集团有限公司 河南 新乡 453000

装配式钢结构住宅作为住宅产业化的重要形式之一，其以预制钢构件为主的结构形式大大提升了建筑的综合性能[1]，使得这一结构形式的整体性能远大于传统住宅结构。但装配式钢结构住宅的围护结构材料和配套设施不完善[2-3]，包括外墙挂板与钢结构的连接方式，因此解决外挂墙板的装配问题，实现连接节点设计生产的标准化、产业化，是装配式钢结构住宅推广中的关键问题之一。

国内外学者对墙板连接节点的受力性能、破坏模式等方面进行了一定的研究。孙立建等[4]对单层单跨1∶3缩尺的钢框架外挂再生混凝土墙板试件进行了拟静力试验，重点研究该结构中外挂节点的破坏模式，对外挂节点形式提出了改进建议。王静峰等[5]采用螺栓连接外挂复合墙板的半刚性钢管混凝土框架试件，表明其具有良好的滞回性能，可以安全可靠地确保复合墙板与组合框架在地震作用下共同工作。刘学春等[6]研究了地震作用下U形连接节点和T形吊挂可控滑移节点连接的外挂预制墙板钢框架的抗震性能、受力特征和失效模式，外挂预制墙板和钢框架结构整体表现出良好的抗震性能和变形能力。谷倩等[7]对单面锚板节点与双锚板节点进行节点抗弯试验以及节点抗剪试验研究，系统分析其受力机理及破坏模式。邱增美等[8]提出一种蒸压轻质加气混凝土外墙板与钢梁之间的新型连接形式，该连接可避免在墙体上贯穿打孔，防止冷、热桥现象的产生，并且在梁的下翼缘采用铰接连接，与结构的随动性更好，利于抗震。孙立建等[9]在外挂再生混凝土墙板钢框架结构拟静力试验研究的基础上，采用有限元程序对试件进行了非线性分析，对外挂墙板挂点位置、外挂墙板厚度和高跨比等参数进行了拓展分析。李九阳等[10]设计了复合墙板与钢框架的柔性螺栓连接方式，并通过Abaqus软件模拟和试验分析了其在低周往复荷载作用下的承载力，得到了单个螺栓连接时的抗震承载力和极限位移。Wang B等[11]对外墙板钢管混凝土框架结构进行了低周反复荷载试验研究。张超[12]、林泽鑫[13]等研究了装配式拼装型减震墙板框架结构的抗震性能。FANG M J[14]、NAGAE[15]等通过足尺振动台试验，对ALC外墙板连接框架结构进行分析。邱继生[16]、吴函恒[17]、郭宏超[18]等对墙板结构进行拟静力荷载作用下的试验研究，研究其在地震荷载作用下的受力特点和破坏机制。

现有的研究主要集中在墙板与框架连接整体性能方面，而节点连接的可靠性直接影响着结构的整体性能，针对这方面的研究却相对较少。因此，本文提出一种新型可靠的清水混凝土外墙挂板与钢结构框架的连接方式，开展连接节点试件平面内及平面外低周反复荷载试验，测定连接节点平面内受力性能与变形能力。通过研究外挂连接节点在水平荷载（风荷载、地震荷载）作用下的受力性能、变形能力和破坏损伤模式，评估设防烈度下新型清水混凝土外墙挂板节点连接方式的安全性和适用性。

1 钢框架与清水混凝土外墙挂板连接介绍

依托的某项目主体为25层装配式纯钢框架-支撑结构，其围护结构采用清水混凝土外墙挂板装配式建造。在主体结构中，清水混凝土外墙挂板主要起围护和装饰作用，不考虑其分担主体结构所承受的荷载和作用，只承受作用于其本身的荷载，包括自重、风荷载、地震荷载以及施工阶段的荷载。

传统预制混凝土外挂板板厚均在150 mm以上，自重较大，且连接节点复杂。高层钢结构属于对变形比较敏感的结构体系，在结构受力变形时，较大刚度的外围护构件与结构主体无法协调变形，节点复杂也会造成后期维护困难，这些都会给结构带来一定的安全隐患。

本文设计的外挂板采用薄板与肋梁相结合的形式，在满足受力要求的前提下，比普通平板式挂板减少质量约1/2。外墙挂板的连接方式为平移式，简化的连接节点均设置在肋梁位置，保证连接节点有足够的强度，连接节点采用在连接件和预埋件之间设置带有长圆孔的滑移垫片，形成平面内可滑移的支座，保证了外墙挂板在地震时能适应主体结构的最大层间位移角（图1）。

挂板与主体结构连接设置4个支撑点：下部2个为承重点，主要承担挂板自重；上部2个为非承重点，主要控制挂板的侧向移动，如图2所示。

清水混凝土外墙挂板通过角钢和螺栓与主体结构连接，角钢与主体结构之间设置聚四氟乙烯垫片，外墙挂板的连接方式为平移式。为保证外墙挂板在地震时适应主体结构的最大层间位移角，点支撑的连接节点一般采用在连接件和预埋件之间设置带有长圆孔的滑移垫片，形成平面内可滑移的支座。

图1 清水混凝土外墙挂板示意

图2 挂板与主体结构连接示意

2 试验方案

2.1 节点试件

节点试件分为2组，每组3个，共计6个。其中3个节点试件进行平面内抗侧试验，另外3个节点试件进行平面外抗侧试验，分别测定清水混凝土外墙挂板连接节点平面内、平面外的受力性能与变形能力。

6个节点试件均采用足尺比例制作，如图3、图4所示，钢筋及混凝土的力学性能试验如表1所示。

图3 节点试件示意

图4 节点连接示意

表1 钢筋及混凝土力学性能

2.2 测点布置

主要量测内容包括：水平荷载值；清水混凝土外墙挂板水平位移（位移角）；角钢转角；角钢关键部位应变；角钢附件区域混凝土应变。具体测点布置情况如表2所示。1）平面内加载测点布置方案如图5～图7所示。2）平面外加载测点布置方案如图8～图10所示。

2.3 加载方案

参考JGJ 101—2015《建筑抗震试验方法规程》和美国材料与试验协会ASTM E2126—2011中的相关规定，采用位移控制方法。加载过程中，应保持反复加载的连续性和均匀性，加载和卸载的速度保持一致。具体方案如下：

表2 测点布置情况

图5 位移传感器布置方案

图6 应变计布置方案 （角钢四周混凝土）

图7 应变计布置方案 （角钢）

图8 位移传感器布置方案

图9 应变计布置方案 （角钢四周混凝土）

图10 应变计布置方案 （角钢）

1）采用位移控制加载。

2）采用25 t的MTS电液伺服作动器施加水平位移。

3）根据位移角确定各级加载的水平位移值，节点试件计算高度为1 400 mm，按照弹塑性位移角为1/50计算极限位移，极限位移为1 400/50=28 mm。

4）加载阶段，以设计荷载的2.5%、5%、7.5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%、120%依次加载（即位移为0.7、1.4、2.1、2.8、5.6、11.2、16.8、22.4、28、33.6 mm），各级加载循环3次；加载速率为1 mm/s。

5）试件出现较明显的损伤破坏或承载力下降到峰值荷载85%时试验中止，每次加载保持相同的时间间隔，每次稳载3 min后采集数据。

2.4 清水混凝土外墙挂板节点试验加载过程

分别对2组清水混凝土外墙挂板节点进行平面外和平面内加载，试件编号SP03、SP04、SP05开展节点试件平面外加载试验，试件编号SP01、SP02、SP06开展节点试件平面内加载试验，其加载过程如图11所示。

图11 清水混凝土外墙挂板节点试验

3 试验结果及分析

3.1 节点试件受力结果

1）SP01未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为－0.99 kN，角钢应变为300 με，边肋底部混凝土应变为300 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）时，最大荷载为－1.11 kN，角钢应变为600 με，边肋底部混凝土应变为200 με，角钢均未屈服。

2）SP02未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为－1.08 kN，角钢应变为400 με，边肋底部混凝土应变为200 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）时，最大荷载为－1.18 kN，角钢应变为500 με，边肋底部混凝土应变为300 με，角钢均未屈服。

3）SP03未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为－1.99 kN，角钢应变为1 600 με，边肋底部混凝土应变为100 με，均未屈服。因试验过程中，SP03试件发生面外倾斜，故1.2倍极限位移加载量级取消。

4）SP04未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为2.06 kN，角钢应变为1 700 με，边肋底部混凝土应变为300 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）时，最大荷载为2.16 kN，角钢应变为1 900 με（接近屈服），边肋底部混凝土应变为250 με，均未屈服。

5）SP05未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为3.04 kN，角钢应变为1 900 με，边肋底部混凝土应变为200 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）时，最大荷载为3.28 kN，角钢应变为2 300 με（接近屈服），边肋底部混凝土应变为300 με。

6）SP06未发现明显裂缝。施加位移±28 mm（1/50位移角）时，最大荷载为－1.04 kN，角钢应变为700 με，边肋底部混凝土应变为100 με；施加位移±33.6 mm（1/42位移角）时，最大荷载为1.20 kN，角钢应变为900 με，边肋底部混凝土应变为100 με，角钢均未屈服。

从最终的结果得出：平面内加载下，清水混凝土外墙挂板节点试件变形能力可达到1/42位移角；平面外加载下，清水混凝土外墙挂板节点试件变形能力也可达到1/42位移角。

3.2 滞回曲线分析

各试件水平荷载-水平位移关系滞回曲线如图12所示，滞回曲线整体比较饱满，反映出清水混凝土外墙挂板在地震作用下耗能较好，具有较好的抗震性能。从滞回曲线可以看出，试件的正反向加、卸载曲线各自呈现出一定的特点。

图12 清水混凝土外墙挂板节点试件滞回曲线

对试件进行加载时，随着荷载的增大，曲线的斜率减小；各向同次加载的曲线斜率越来越小，说明结构刚度退化。开始时荷载的卸载曲线斜率大，少有残余变形；当试件屈服后，曲线斜率逐渐减小，残余变形变大。加载过程中连接角钢均未屈服，可满足大震下外挂墙板连接节点的受力与变形要求。

3.3 骨架曲线分析

清水混凝土外墙挂板平面内及平面外的骨架曲线对比如图13所示。在水平位移加至5.6 mm后，平面外试件的承载力基本保持稳定，而平面内试件的承载力持续增加，未出现承载力下降的现象，说明沿连接节点平面内方向，较好地约束了外墙挂板的变形，使外墙挂板始终没有达到极限状态，增大了结构的峰值和破坏位移。骨架曲线在发生小位移时出现“跳跃”的异常现象，这是加载前期外墙挂板的滑移滞后问题，待其后连接节点正常滑移后，其曲线呈现平稳或增加趋势。因此，从骨架曲线结果可以得出，试验连接节点具有良好的受力性能，连接可靠。

3.4 刚度退化特性对比分析

为了反映清水混凝土外墙挂板在水平低周反复荷载作用下的刚度退化特性，采用割线刚度法研究试件的刚度退化。

清水混凝土外墙挂板平面内及平面外的刚度退化曲线对比如图14所示。随着位移增加，塑性变形增大，刚度退化速度变慢。整个刚度衰减比较均匀，没有明显的刚度突变。

图13 连接节点平面内、外 骨架曲线

图14 刚度退化曲线

在试验加载初期，清水混凝土外墙挂板连接部位出现裂缝并逐步扩展，导致结构抵抗水平荷载的能力迅速降低，刚度退化速度严重。到后期刚度退化曲线趋于平缓，说明在外墙挂板开裂破坏后，绝大部分退出工作，结构刚度主要由连接节点提供。

4 结语

结合设计图纸及相关技术资料，根据相关规范以及试验结果，通过清水混凝土外墙挂板连接节点受力性能试验，得出如下结论：

1）平面内加载下，清水混凝土外墙挂板节点试件变形能力可达到1/42位移角；平面外加载下，清水混凝土外墙挂板试件变形能力也可达到1/42位移角；加载过程中连接角钢均未屈服，可满足大震下外挂墙板连接节点的受力与变形要求，因此，此种清水混凝土外墙挂板的连接节点可以在类似工程中推广应用。

2）清水混凝土外墙挂板在高层钢结构中的应用，在提高建筑装配率的同时，解决了传统建筑存在的自重大、构件跨度小、承载力低、整体延性差等问题，在未来的预制装配式建筑中具有更好的适用性与更广泛的推广应用价值。