ALC墙板钩头螺栓连接节点平面外抗冲切试验研究

秦士洪，郑鸿翔，张京街，范世杰，宋开伟

(1. 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045； 2. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045； 3. 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400042)

0引 言

蒸压加气混凝土墙板(简称ALC墙板)具有轻质、保温隔热、耐火、隔声、可工厂化生产、可装配式安装等特点，十分适合建筑工业化的需求，是围护结构转型升级的较好选择之一。ALC墙板通过连接件与主体结构连接，当墙板受到平面外的风荷载或水平地震作用时，依靠连接节点向主体结构进行荷载传递。因此，连接节点的受力性能关系到围护结构的安全可靠，一旦连接失效，将引起墙板的倒塌与破坏，甚至进一步引起次生灾害，因而一直受到国内外学者的关注。

Okazaki等[1-5]对钢框架进行了低周反复荷载试验。试验结果表明：ALC外挂墙板对于结构强度和刚度的贡献可以忽略不计；墙板与结构连接可靠安全，连接件未发生破坏。Kohiyama等[6]对带ALC外墙的钢框架进行了有限元分析，结果表明能量的耗散主要依靠墙板的塑性变形及墙板与角钢之间的摩擦。Getz等[7]对ALC墙板进行了静态单调加载和低周反复荷载试验，研究发现构件能承受的层间位移较建筑抗震规范的最大层间位移小2/3。Matsuoka等[8-12]对足尺钢结构建筑物进行了振动台试验，研究发现：ALC外挂墙几乎不影响结构强度和刚度。在多遇地震情况下，墙板基本完好；在罕遇地震情况下，ALC墙板只是出现开裂，墙板与框架的脱离只出现在框架的第一层。试验结束后ALC墙板与框架之间的连接件完好无损。李国强等[13-14]对带ALC墙板的钢框架进行了低周反复试验和足尺模型振动台试验，研究表明：墙板ADR连接件性能良好，基本没有发生破坏；使用ALC墙板可在一定程度上增大钢框架承载力和刚度；内嵌式安装相对于外挂式在承载力及刚度上的贡献更多。田海等[15]对ALC拼合墙板进行了受剪性能试验研究，结果发现：在侧向位移未超过1/300时，钩头螺栓连接无松动，传力可靠；在大变形情况下，该连接仍能协同变形且未出现破坏，并没有导致墙体的倒塌失效。隋伟宁等[16]对12个新型连接节点的带ALC外墙板的钢框架进行了非线性有限元分析，研究发现该连接节点抗震性能良好，随着孔径比的增大，节点承载力略有减小。金勇等[17]对ALC墙板钩头螺栓连接件、直角钢件连接件、钢管锚连接件、斜柄连接件进行了四分点加载试验，发现随着板厚增加，节点承载力将会增大。同时还发现良好的钢筋网焊接质量及合适的保护层厚度有利于节点承载力的提升。肖伟[18]对4个ALC墙板框架进行了振动台试验，ALC墙板与结构之间采用新型的预埋件节点连接，结果表明在罕遇地震作用下，ALC墙板并未发生明显破坏，在大震发生时，节点与结构可形成一个摇摆体系，减小节点处受力，从而降低ALC墙板的破坏。

综上所述，以往的试验研究主要是针对带ALC墙板的整体结构，除振动台试验外，在这些试验中墙板基本上不承受平面外的荷载作用。即使是振动台试验，由于受主体结构的试验条件或试验终止条件的限制，墙板的连接节点区域一般尚未进入平面外极限状态，所以无法得知墙板连接节点部位的完整受力性能。因此有必要开展避开主体结构影响的专项试验研究。本文设计了一种试验方法，并对采用钩头螺栓连接的13块ALC墙板试件进行了平面外的荷载试验，针对墙板节点连接区域研究其平面外的受力性能。

1试验概况

1.1试验装置

钩头螺栓连接是ALC墙板与主体结构连接的主要方式之一，其大样如图1所示。在风荷载压力或向墙板内侧的水平地震作用下，外墙板支撑在主体结构的2个角钢上，此时墙板受力类似受弯板，墙板连接节点受力很小，不属于本文研究对象。在风荷载吸力或水平地震作用下，墙板将通过钩头螺栓受拉将墙面荷载传递给主体结构，其传递方式是由钩头螺栓通过其上的锁紧螺帽及垫片对墙板产生一个局部压力，类似于冲切作用。在此冲切荷载作用下墙板连接区域(以下简称“节点”)受力较为复杂，为本文研究的对象。

图1钩头螺栓连接大样(单位:mm)Fig.1Hook Bolt Connection Sample (Unit:mm)

图2加载装置Fig.2Test Setup

钩头螺栓对墙板节点的冲切作用可简化为通过对直螺杆拉拔来模拟，加载装置如图2所示。为避免试验中墙板先发生受弯破坏或剪切破坏，缩短墙板试件的试验跨度(保持原板厚度不变)，并将节点位置设在试件的中央；为防止螺杆垫片在局部荷载作用下产生大的平面外变形，采用多个垫片重叠，以增加垫片的刚度；为防止螺母与螺杆之间的受力滑丝，在直螺杆的上部和底部分别用2个螺母重叠紧固。

1.2测量方案

通过图3中百分表1和百分表2测量节点处、垫片处的下陷位移，采用压力传感器测量破坏荷载。

图3测量示意图Fig.3Measurement Schematic Diagram

1.3试件设计

1.3.1 试件设计制作

图4抗剪短钢筋Fig.4Shear Resistance Short Reinforcement

墙板试件及配筋如图4、5所示，试件A～F除了节点附近横向钢筋数量和间距不同外，其余相同。墙板的纵筋对称配置，单面为4φ8；为增强墙板的抗剪承载力，防止先行发生剪切破坏，在上下钢筋网两侧(板侧)布置沿板厚方向的抗剪短筋φ5@200，起到类似箍筋的作用；板的端部及跨中布置横向构造钢筋，其中节点四周布置上下各2根或3根；另在节点四周布置4根沿板厚方向的抗冲切短筋。所有钢 筋的交叉点均点焊。试件分组情况见表1，除D组外，其他每组均有2个参数相同的试件。

图5试件配筋(单位:mm)Fig.5Reinforcement of Specimen (Unit:mm)

表1试件分组Table 1Grouping of Specimens

1.3.2 材料强度

试件的实测抗压强度为3.02 MPa，密度为579 kg·m-3；纵筋及横向钢筋的实测抗拉屈服强度为486 MPa，极限强度为638 MPa。

2试验结果及分析

2.1试验现象

各试件的试验现象相似。当加载到开裂荷载时，试件板顶(图2加载位置)沿着节点周围一圈开裂，在继续加载的过程中，对于节点处横向钢筋较为稀疏的试件，可以明显看到一个冲切破坏锥体从板内逐渐向上提升，见图6(a)；此后继续向上提升的过程中，整个破坏锥体沿着节点断裂成几个部分，见图6(b)；对于节点处横向钢筋较为密集的试件，冲切锥体受到密集钢筋网的阻挡，在该区域内破裂成多个块体，见图6(c)；C组试件的节点区设置了上下各3根横向钢筋，垫片在随螺杆向拉力方向刮犁式移动的过程中，垫片移动路线逐渐偏移，见图6(d)，可看到垫片刮行的痕迹并非竖直，受到下部横向钢筋阻挡的一侧蒸压加气混凝土并未发生明显破坏。

图6试验现象Fig.6Test Phenomenon

2.2荷载-位移曲线

各试件荷载-位移曲线如图7所示。可以看出，在开始阶段，荷载与节点下陷位移基本呈现线性关系，开裂后刚度下降，曲线出现明显转折，下陷位移增长速度加快。

图7荷载-位移曲线Fig.7Load-displacement Curves

2.3抗冲切承载力

表2为各试件的实测抗冲切承载力。将试件 A、B、C进行对比，可以发现随着横向钢筋数量的增加，节点承载力将得到提升。将试件B、D进行对比，可以看出增加ALC墙板的厚度可以明显增强节点的极限冲切承载能力。随着板厚度的增加，整个冲切锥体的体积变大，因而提高了冲切荷载。将试件B、G进行对比可知抗冲切短筋能够增加冲切承载力，显然穿过冲切面的抗冲切短钢筋直接参与了抵抗冲切锥体的形成，从而增大了抗冲切承载力。

表2抗冲切承载力实测值Table 2Measured Values of Punching Shear Capacity

2.4冲切破坏角

节点破坏是沿着垫片四周按一定角度θ发生的冲切破坏，如图8所示。测量冲切破坏锥体底面水平长度x与竖直方向的高度y，通过公式(1)可以求得冲切破坏角度。表3列出了沿板长方向(图8中1、3方向)和板宽方向(2、4方向)的冲切破坏角度。板长度方向的冲切破坏角在67.23°～71.07°之间变化，平均值为69.35°；板宽度方向的冲切角在61.67°～68.42°之间变化，平均值为64.89°；长度方向的冲切角略大于板宽方向，总体较为对称。

(1)

图8冲切角测量示意图(单位:mm)Fig.8Schematic Diagram of Punching Angle Measurement (Unit:mm)

2.5与相关试验结果对比

顾乐乐在文献[19]中对钩头螺栓连接节点进行了类似试验。ALC墙板试件通过两端连接件与支座悬吊连接，采用四分点加载。如图9(a)所示，150 mm厚墙板试件破坏时，连接垫片处ALC受到挤压，最后整个节点沿着近似圆锥曲面被拔出，整个节点处上层钢筋网变形严重，呈现拱起的状态，与本文试验现象相似，但本文试件破坏时钢筋网的变形并不明显，这是因为本文试件的上下层钢筋网通过抗剪短钢筋进行了连接，钢筋网的整体性得到增强，且本文纵筋直径为8 mm，较文献[17]的5.5 mm钢筋的抗弯刚度大。

表3实测冲切破坏角Table 3Measured Punching Failure Angle

如图9(b)所示，200 mm厚墙板试件发生钩头螺栓弯角处拉断，表明节点的抗冲切承载力大于钩头螺栓的承载力。由于本文试验使用了直杆螺栓代替钩头螺栓，避免了此种破坏。

图9文献[19]试验现象Fig.9Experiment Phenomenon of Literature [19]

3有限元模拟

3.1单元选取与参数设置

图10ALC本构关系Fig.10Constitutive Relation of ALC

ALC的受压本构关系参考文献[20]，具体见图10(a)，其中σc为ALC的压应变εc时的压应力，fc为ALC的轴心抗压强度，ε0为ALC的压应力达到fc时的压、应变。ALC受拉本构关系根据《混凝土结构设计规范》选取，见图10(b)，其中σt为拉应变εt时对应的ALC的拉应力，ft为ALC受拉时对应的峰值应力，εt,r为拉应力达到ft时对应ALC的拉应变。ALC采用三维实体C3D8R线性减缩积分单元，钢筋采用空间二节点直线桁架单元T3D2。

3.2模拟分析

图11试件B荷载-位移曲线对比Fig.11Comparison of Load-displacement Curves of Specimen B

以试件B、G为例进行模拟。图11为试件B的荷载-位移曲线对比。由图11可以发现：在荷载6 kN之前试验曲线与模拟曲线基本重合，之后两者差距逐渐加大，由于破坏的脆性，试验未测试到曲线下降段，而模拟曲线可部分反映；试验峰值荷载为13 kN，模拟峰值荷载为14.5 kN，两者相差1.5 kN。图12为试件G的荷载-位移曲线对比。由图12可知，在荷载9 kN前，试验值和模拟值相近，其后两者差距逐渐加大，试验峰值荷载为17 kN，而模拟的峰值荷载为16.7 kN，两者仅相差0.3 kN。试件B、G的模拟峰值荷载都较试验值提前，表明模拟所选取的ALC本构关系还需改进。

图12试件G荷载-位移曲线对比Fig.12Comparison of Load-displacement Curves of Specimen G

本试验为了获得完整的冲切破坏锥体，试验节点部位设置在墙板试件的正中间。而实际工程中连接节点一般设置在板端，在此情况下可能无法形成完整的冲切破坏锥体，但本节建立的模型仍可以进行类似模拟分析。

模拟的板端节点位置距离板端100 mm，图13为板端节点与跨中节点的荷载-位移曲线对比。由图13可见：板端节点相对于跨中节点较早地进入了下降段；板端节点的峰值荷载为10.6 kN，跨中节点为14.5 kN，前者大约为后者的73%。可以认为随着节点位置与板端距离的增加，冲切锥体体积及周长将会增大，从而提升冲切峰值荷载。

图13不同节点位置荷载-位移曲线对比Fig.13Comparison of Load-displacement Curves at Different Joints

3.3节点平面外承载力评价

根据工程实际应用情况，以下节点承载力评价以板端节点为对象。

节点承载力评价以实际承载力与承载力设计值的比值作为指标。《蒸压轻质加气混凝土板(NALC)构造详图》第4.2.2.2条规定：外墙板在风荷载作用下节点强度应满足节点设计承载力指标K≥2，本文取K=2.1。由第3.2节的有限元模拟分析可知，板端节点承载力大约为跨中节点的73%。根据跨中节点的试验结果可换算得到板端节点承载力，再求得其设计承载力。求得的各对应试验类型的板端节点设计承载力如表4所示。

表4板端节点承载力Table 4Bearing Capacity of Plate End Joints

4结语

(1)钩头螺栓连接的ALC墙板，在其平面外的风荷载或地震作用下，通过螺栓垫片向墙板连接区域传递冲切荷载，最终形成墙板的冲切破坏。

(2)墙板节点的抗冲切承载力随着节点区域横向钢筋数量的增加而增大；横向钢筋间距在100～300 mm之间时，间距增大将减小抗冲切承载力；墙板厚度增加可明显提高抗冲切承载力；配置抗冲切短钢筋是提高抗冲切承载力的有效方式。

(3)本文设计的试验方法符合钩头螺栓连接的受力特点，通过跨中节点试验与有限元模拟相结合，得到端部节点的抗冲切承载力。