外挂ALC 组合式摇摆节点试验研究与数值模拟

崔建华，纵 达

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

建筑绿色低碳化发展，可以提升建筑节能与绿色建筑发展质量和效益[1]。近些年，装配式建筑作为绿色建筑的一种得到了普遍应用，但与西方国家相比仍然有较大的差距[2]。现有主体结构的设计、施工、运输和安装已经基本实现产业化，但是墙体施工以现场的湿作业为主，这会导致生产成本提高和建筑原材料浪费，对预制围护墙体的研究势在必行。有学者通过替换或添加蒸压加气混凝土（ALC）板中的原材料来研究它们的力学性能，改造后的ALC 板材抗拉和抗压强度都有了明显提升[3]。采用纤维材料进行平面内加固可以提高结构的抗剪和抵抗变形的能力[4-5]，ALC 墙板拼缝之间的粘结强度也可以通过改变填缝剂的材料来实现[6]。构件之间的连接方式会影响结构的受力性能，对于ALC 连接件的研究主要还是集中在U 型卡节点、钩头螺栓节点、滑动螺栓节点等传统节点。但是对类似于梁柱连接、组合梁连接、叠合板拼缝之间的连接方式创新较少[7-12]。

基于上述情况，本文提出了一种ALC 外挂组合式摇摆节点，该节点不仅解决了施工误差和节点安装的问题，还优化了外挂ALC 墙板，钢框架组合结构的受力性能。将其与传统的外挂钩头螺栓节点组进行对比，分析滞回性能、骨架曲线、刚度退化、耗能能力等指标，同时对两组节点进行有限元仿真分析，验证两组节点的抗震性能。

1 试验设计

1.1 试件设计

通过对阜阳职业技术学院新校区建设项目中的ALC 外墙板安装工程进行调研发现，现场的ALC 墙板与主体结构的连接主要把角钢固定在主体结构上，再对ALC 墙板进行现场钻孔和切槽，将墙板吊装到位，通过螺栓孔道使用钩头螺栓与角钢进行焊接。施工过程中发现，由于螺栓孔道定位不精确导致钩头螺栓与角钢无法准确焊接，以及工人按照经验随意开槽导致过度损坏ALC 墙板。这不仅不利于保证墙板的整体性，还有可能导致墙板在地震中脱落，造成二次失稳。基于上述存在的问题，本文提出了一种组合式摇摆连接件，主要由上下两部分组成，上部Z 节点的长圆孔一方面可以避免现场工人钻孔不精准导致左右方向施工误差；另一方面，在地震荷载作用下，突破螺栓摩擦力，螺栓在长圆孔中来回滑动，减少地震荷载对墙板的影响。上部Z 节点和L 节点的组合可以避免因为墙板螺栓孔道定位不准确导致的上下方向施工误差。下部节点采用承托板与承重孔组合的形式，在地震的剪切波作用时，墙板将以下支托板为支点做摆动，适当减少地震荷载对墙板的影响，节点尺寸如图1所示。

图1 节点示意图

1.2 试件设计

本试验共制作了两组试件FW1、FW2。其中：FW1 为 钩 头 螺 栓 外 挂ALC 墙 板 框 架，FW2 为组合式摇摆节点外挂ALC 墙板框架。试验框架均为单层单跨，钢梁与钢柱采用栓焊连接，框架尺寸如图2 所示。H 型钢柱截面规格为H200×200×8×12，材料选用Q235B；H 型钢梁截面规格为H244×175×7×11，材料选用Q235B。试件FW1、FW2 的墙板均采用5 块规格相同的ALC 板材，ALC 板材的截面尺寸为3000 mm×600 mm×200 mm。

1.3 材性实验

根据“强节点弱构件”的原则，本文设计的连接件选择Q345 级钢材，ALC 墙板选择高迪生产的3.5 MPa 型蒸压加气混凝土板材。根据规范GB/T11969-2020《蒸压加气混凝土的试验方法》[13]和GB/T228.1-2010《金属材料-拉伸试验》[14]对与试验相同批次的ALC 墙板和钢梁柱关键部位进行取材试验，试验结果见表1、表2。

表1 ALC 材性试验结果

表2 钢材材性试验结果

1.4 试验装置

本次试验在建筑结构与地下工程安徽省重点实验室进行，使用量程为±250kN 的MTS 作为加载装置，如图2 所示。依据规范GB50011-2019《建筑抗震设计规范》[15]采用1/600（5 mm）、1/500（6 mm）、1/400（7.5 mm）、1/350（8.6 mm）、1/300（10 mm）、1/250（12 mm）、1/200（15 mm）、1/100（30 mm）、1/75（40 mm）、1/50（60 mm）、75 mm、90 mm 和105 mm 等位移角，加载制度如图3 所示。以推为正、以拉为负的方式进行位移加载，在试验前采用米郎位移计和应变片采集关键位置的实时数据。

图2 构件安装图示意图

图3 加载制度图

2 试验现象与分析

2.1 试验现象

试件的破坏主要分为以下几个阶段：①ALC墙板间拼缝砂浆的碎裂和脱落；②墙板出现小碎块的脱落；③螺栓孔道被拉大或者出现八字形裂缝；④钢梁柱连接处的焊缝出现断裂。试验现象之间的差异主要在于墙板破坏的产生时间和裂缝的开展程度，具体的试验现象见表3 和图4、图5。

图4 外挂钩头螺栓组试验现象

图5 组合式摇摆节点组试验现象

表3 试验现象

2.2 滞回曲线

试验过程中MTS 系统自动记录了各试件的滞回曲线，如图6 所示。FW1 钩头螺栓组的极限荷载为168.88 KN，破坏荷载为143.55 KN；FW2 组合型新型连接节点组的极限荷载为200.1KN，破坏荷载为170.1 KN。新型节点的FW2 比FW1 的承载力更高，抵抗地震的能力更好。FW2 比FW1 的滞回曲线更加饱满，包围的面积更大，说明FW2 比FW1 耗能效果更好。从两组曲线的对比中还可以观察到它们的正向和反向数值都不对称，其中反向的承载力值大于正向的承载力值。在加载初期，螺栓突破摩擦之后处于摇摆耗能状态。当试验进行到后期时，由于螺栓与长圆孔的边界接触，FW2 组表现出比FW1 组更高的刚度和承载能力。

图6 滞回曲线

2.3 骨架曲线

在水平往复荷载作用下，荷载－位移曲线中各级加载第一次循环的峰值点所连接起来的外包络线即为骨架曲线，可定性衡量结构抗震性能，是研究非弹性构件抗震性能的重要参数。对比图7 两组骨架曲线可知，加载初期FW1、FW2 骨架曲线趋势相似，正向位移和反向位移不对称。在到达弹塑性位移角1/50 之前，FW1 的承载力比FW2 的承载力小，这是由于螺栓在长圆孔中滑动，减少了地震荷载对墙板的冲击。随着位移增大，FW2 的峰值比FW1 的峰值提高了15.3%，此时FW2 组的螺栓孔道无明显变化，而FW1 螺栓孔道周围出现了明显的八字形裂纹。FW2 组由于墙板表现出较好的随动性能，延缓了梁柱连接处和ALC 墙板的破坏，保证了墙板的稳定性和保温性能。

图7 骨架曲线

2.4 刚度退化

采用割线刚度（K）来反映两组连接件在低周往复荷载加载作用下结构累积损伤情况[16]，如下所示：

如图8 所示，加载初期两组构件的斜率是定值且呈线性。经过线弹性阶段后，FW1 的数值略高于FW2，这是由于试件在长圆孔处产生滑移，有效释放能量，避免墙板受到破坏。到了加载后期，FW2 下降斜率明显小于FW1，说明螺栓到达限位后连接件可以提供很好的刚度。

图8 刚度退化曲线

2.5 耗能分析

结构耗散能量能力由力-位移曲线所封闭的面积（E）来衡量[16]，如式2 和图9 所示：

图9 耗散能力公式面积示意图

式中，SABC为滞回曲线ABC 的面积；SCAD为滞回曲线CAD 的面积；SOBE为三角形OBE 的面积；SODF为三角形ODF 的面积。

结构的能量耗散能力与滞回环的面积密切相关。结构耗散的能量越多，结构就越安全，越不容易被损坏。如图10 所示，两组曲线的趋势几乎相同。在小位移时，因为构件处于线弹性阶段，两曲线基本重合。随着位移的增加，两组曲线的分化逐渐明显，FW2 的斜率大于FW1，尤其是在位移达到60 mm 之后，此时螺栓已经和上部节点的长圆孔边界接触，继续为构件提供承载力和能量耗散的能力，在罕遇地震中，组合式摇摆节点可以更好减少墙板所受的不利荷载影响。

图10 耗能曲线

3 组合式摇摆节点模型分析

为了充分反映带有新型组合摇摆连接件构件的受力机理，对外挂ALC-钢框架组合结构进行一系列的验证分析。数据模拟分析采用ABAQUS 有限元软件[17]。

3.1 模型建立过程

为了更好地还原试验构件的实际情况，对模型进行以下设置：钢梁柱构造、钢筋位置分布、钢筋直径、ALC 板材等级方面均与实际构件一致，详见下表4、表5。首先在Part 选项里合理划分构件，确保画出的网格规整。为提高仿真收敛和计算精度，钢梁柱和连接件采用三折线模型，螺栓和内置钢筋网片采用双折线模型。本模型采用塑性损伤模型模拟ALC 墙板的拉压状态。对于模型之间的相互作用，包括连接件与连接件之间、连接件与ALC 墙板之间、螺栓与墙板之间、螺栓与连接件之间和螺栓与钢梁柱之间均采用硬接触，并将摩擦系数设置为0.2；墙板与墙板之间采用摩擦系数为0.4 的硬接触。在边界条件中，令柱脚三个方向平动和转动完全固定，即：U1=U2=U3=0，θ1=θ2=θ3=0。在梁端设以一个耦合点，并对耦合点施加反复循环荷载来模拟实际情况[18-19]，柱脚钢梁柱、连接件、螺栓采用合适尺寸的C3D8R 实体单元，ALC 板内钢筋采用合适尺寸的桁架单元，模型网格划分详见图11。

表4 蒸压加气混凝土损伤塑性模型参数

表5 ALC 材性参数

图11 组合式节点组网格整体划分

3.2 有限元结果分析

组合式摇摆节点组的有限元计算结果，如图12 所示。构件的应力集中点主要出现在梁柱连接周围，模拟滞回曲线比试验曲线更加丰满，这是由于试验构件在安装过程中会存在小的间隙，或者地梁产生滑移等。模拟和试验的骨架曲线正反向的趋势存在一定差异，这是由于在材料设置中只考虑了各向同性，而试验过程中钢梁柱和墙板等构件在受拉和受压过程中的变形和裂缝开展趋势不同，构件的“捏缩”效应大体相当。上述的误差在合理范围之内，ABAQUS 模拟结果与试验结果基本一致。

图12 组合式摇摆节点试验与模拟结果对比

4 结论

通过对新提出的外挂ALC 板组合式摇摆节点进行试验和模拟，得出以下结论：

（1）组合式摇摆节点组中长圆孔的设置有效推迟了ALC 墙板的破坏。具体来说，外挂钩头螺栓组在加载至6 mm 时，ALC 墙板之间的拼缝发生破坏，而组合式连接节点出现拼缝砂浆碎裂则发生在加载至40 mm 时，组合式摇摆节点的使用增强了外挂ALC 墙板-钢框架组合结构抗震性能。

（2）与外挂钩头螺栓组相比，组合式摇摆节点组的屈服荷载和峰值荷载分别增加了10.6%和15.3%，屈服位移和峰值位移分别增加了12.6%和29.9%，并且在到达峰值后仍然能提供比钩头螺栓更高的承载力。

（3）组合式摇摆节点的刚度退化现象明显小于外挂钩头螺栓节点，并且前者的耗能能力优于后者。可见组合式摇摆节点能够有效提高外挂ALC-钢框架组合结构的抗震性能。

（4）本文建立了组合式螺栓节点组的有限元模型，并与试验的应力云图、滞回曲线和骨架曲线进行了比较，验证了模型的准确性。