一种装配式混凝土结构外挂墙板连接节点抗震性能分析

2023-04-05王巍

中华建设 2023年4期

王巍

考虑了连接点的抗震性能对建筑结构稳定性和安全性造成的影响，提出一种新型的连接点抗震性能分析方案。通过具体的模型分析以及仿真分析，确定了需要考虑墙板的重力和面积，支撑点在墙板平面内的相对距离以及平面外的偏心距离，提出了一种新型的连接方式，确保能够提升建筑结构的稳定性和科学性。

结合当前的相关研究结果来看，刘勇认为装配式钢框架与外挂墙板连接节点的设计决定了外挂墙板的抗震性能，且有限元软件分析对节点数值模拟可作为进一步研究的参考；陈德彬认为在进行节点设计的过程中，需要具备足够的承载力来抵抗由外挂墙板传来的所有荷载。但是，我国当前绝大部分的研究是针对外挂墙板钢结构进行研究的，外挂墙板混凝土结构的研究深度并不大。本文则是提出了一种新型的外挂墙板混凝土结构支点连接方式，确保能够为相关领域提供参考。

一、外挂墙板混凝土结构连接节点的作用原理

1.连接节点的具体装配方案

连接节点和外挂墙板之间的装配方案，通常由图1几项结构组成。两个下支撑的承重节点以及4 个上下支撑的限位节点，承重节点在外挂墙板的结构层中突出设置钢牛腿支撑，利用焊接槽在墙板混凝土结构中进行预埋，承重螺栓支撑结构可以进行高度调整，且螺栓不和边梁之间固定。4 个上下支撑的限位节点在墙板结构层突出设置限位螺栓，主要利用长杆螺栓焊接模板，然后将其预埋到混凝土结构中。这种结构可以进一步提升墙板的稳定性和安全性，在抗震设计的过程中，不需要考虑竖向滑移产生的摩擦作用。

图1 连接节点与外挂墙板装配示意图

2.旋转式的点支撑柔性结构设计

针对柔性连接来讲，为了进一步提升抗震性能，需要结合具体的地震强度，分析节点适应主体结构的变形能力。在经常发生地震的区域，在地震作用下，节点可以随着主体结构的变形出现轻微的位移，在地震结束之后会还原到原有的工作状态上。若区域地震不频繁，那么结点同样会随着建筑主体结构的变形出现轻微位移，在地震结束之后，可以允许保持位移之后的塑形变形，但是，要确保各个节点之间不会被损坏，墙板也不会出现脱落现象。

综合当前装配是外挂墙板混凝土结构的具体连接方式来看，柔性结构通常以平移式以及旋转式两种为主。其中的平移式主要指的是通过左右移动的方式设定横向螺栓，将墙板和主体建筑连接起来，若二者出现相对运动时，墙板会通过水平运动趋势降低连接位置的集中应力。旋转式主要是通过上下位移设置竖向的螺栓，将墙板和主体结构进行连接，若二者出现相对运动，墙板会通过旋转运动的方式来减轻节点连接位置的集中应力。

本文阐述了一种外挂墙板连接方式，需要在限位角钢上开设长圆孔，和限位螺栓之间的连接方式位于滑动状态，从而形成一种柔性结构。承重螺栓能够保证墙板竖向进行轻微位移，在为墙板提供竖向荷载支撑的过程中，还可以结合主体结构的具体变形情况进行轻微变形。若主体结构的位移较大，那么能够避免连接位置出现集中应力较大的情况。墙板在框架平面内保持相对转动连接节点位置会分别产生不同程度的位移，能够适应主体结构的变形。

二、荷载分析

为了进一步提升文章论述的科学性和可行性，本文建立在具体案例的基础上展开分析，某工程为冷水滩区湖塘路装配式廉租房工程及配套设施项目（含湖塘东路），规划总建筑面积25702.88 ㎡，其中地上建筑面积23002.78 ㎡，地下建筑面积2700.1 ㎡。项目类型为高层公共建筑，剪力墙结构，3 层以上均采用预制装配式外挂墙板体系，主要预制构件为预制夹心外挂墙板、预制叠合楼板、预制楼梯、预制阳台板、全预制空调板，装配率为50%，其中，预制夹心外挂墙板为6cm混凝土外叶+5cmXPS 保温板+5cm 混凝土内叶，厚度为16cm；叠合楼板厚度为6cm，全预制空调板厚度为10cm。由于工程整体结构和规模较大，为了进一步提升施工的安全性和稳定性，整体结构的抗震性能受到了多方关注。在进行外挂墙板设计的过程中，为了进一步提升稳定性和抗荷载能力，需要从以下几个层面进行科学计算。

1.外挂墙板荷载计算

首先，需要结合外挂墙板的重力荷载标准值进行计算。综合当前建筑材料容重规定的具体内容来看，钢筋混凝土材料的自重可以选择24～25kN 每立方米。素混凝土的自重可以选择22～24kN 每立方米。挤塑聚苯板每30mm 厚度可以选择0.1kN 每立方米。因此，在进行混凝土夹心保温外挂墙板设计的过程中，具体重量要集中在钢筋混凝土结构层以及素混凝土饰面层。通过计算之后发现二者的自重有一定的交互性，因此，统一选择25kN 每立方米，其他的相关材料统一选择1.1的自重增大系数。那么在进行墙板重力荷载计算的过程中，只需考虑墙板重力荷载标准值Gk、墙板混凝土的面积A0（需要将窗口以及洞口去除）、墙板结构层和饰面层的总厚度n 这几项要素。

其次，需要计算外挂墙板水平地震作用下的标准值，由于外挂墙板的整体结构体系并非结构构件，那么在计算的过程中可以利用等效侧力法进行计算。主要指的是要将地震的动力效应转化成静力荷载，直接作用在墙板的重心结构上。结合当前的具体标准，外挂墙板的水平地震作用主要分为内外两个方向，从具体仿真模拟上来看，墙板外面一侧的地震作用，主要垂直作用在墙板的整个平面上，而墙板内侧的地震作用主要集中在墙板的重心位置。在计算地震作用标准值的过程中，不仅要考虑外挂墙板的总体面积，还需要考虑地震作用动力放大系数，这一系数通常按照多发地震区域以及罕见地震区域进行划分。例如：多发地震区域的影响最大系数通常为5.0，罕见地震区域的影响，最大系数为4.0。

再次，需要计算外挂墙板竖向的地震作用标准值，竖向地震作用主要集中在墙板的重心位置，其大小范围可以取平面内的水平标准值65%左右。可以结合上一部分计算的内容进行计算。

除此之外，在外挂墙板使用的过程中，还需要考虑风荷载标准值，由于外挂墙板是外围护结构，在计算风荷载标准值的过程中，需要考虑节点不全受力产生的影响，那么则围绕着z 高度的阵风系数 βgz、风荷载局部体型系数µs1、风压高度变化系数 µz以及基本风压 0ω 这几项参数进行计算。

2.荷载组合

装配式外挂墙板结构本身属于非结构性构件，那么在计算地震作用对其产生的影响时，需要严格按照非结构构件抗震设计规范中的相关内容进行细节分析，尤其是在验算连接节点承载力的过程中，需要利用节点地震作用效应标准值乘以2.0 的增大系数。这期间需要考虑的荷载组合内容较多，例如：墙板构件内力组合设计值、重力荷载代表值效应、风荷载标准值效应、水平地震作用标准值效应等。其中地震作用分项系数也是考虑的重点内容，分项系数的划分需要结合不同的场景进行分析。例如：在仅考虑水平地震影响的时候，水平地震作用分项系数取值为1.3，竖向地震作用分项系数为0；若考虑竖向地震影响时，那么水平分项系数为0，竖向地震作用分项系数为1.3；若主要因素为水平地震因素，那么水平和竖向地震作用分项系数分别为1.3 和0.5，反之则为0.5 和1.3。

三、连接节点抗震设计

结合当前的具体建筑规定来看，外挂墙板和建筑主体结构之间的连接节点，必须符合以下几项条件，首先在地震多发的环境下，节点各个结构不屈服，并且始终维持弹性工作状态；在罕见地震的影响下结点各个结构，可以出现屈服，但是，不能出现损坏情况且要低于钢材强化工作阶段。本文所阐述的主要内容为点承式连接节点，在抗震性能设计的过程中，需要考虑多发地震环境以及罕见地震作用的影响。

1.节点位置的支反力计算方式

（1）连接节点外侧的水平支反力组合计算

结合实际建筑工程的施工情况来看，外挂墙板的重心和建筑主体结构的支承点之间往往存在一定的偏差。墙板重力和内侧地震作用会导致连接节点位置出现和墙板垂直的水平荷载，针对这种情况进行计算，往往要考虑墙板自重以及竖向地震的偏心作用、内侧水平地震偏心作用、风荷载以及外侧水平地震作用的组合影响。

（2）连接节点内侧的竖向支反力组合计算

由于本文所打造的连接节点方式为旋转柔性连接方式，在限位角钢上设置的圆长孔，因此，对于墙板竖向约束作用可以省略，需要考虑的是竖向荷载作用下，墙板下方两侧支撑节点的受力荷载，承重节点的竖向支反力计算方式，通常要考虑墙板本身的重量以及竖向的地震作用，在二者组合的基础上还需要分析地震作用分项系数对结构造成的影响，结合上文的分项系数划分情况进行代入便能够得出组合计算方法。在这个过程中还需要分成不同的条件，例如：不考虑以及不考虑内侧水平地震作用这两种。

2.连接节点强度验算

本次工程中所选择的节点连接方式为柔性连接方法，在发生地震的过程中会通过旋转的方式消解其中的一部分应力，各个连接节点的受力极为明确，承重点的位置会通过槽钢牛腿以及承重螺栓进行连接，能够有效满足结构的承载力需求，限制墙板竖向方向上的位移，结构主要如图2（a）所示。

图2 连接节点结构图

限位节点直接利用角钢以及螺栓进行连接，主要承受外挂墙板内侧以及外侧的水平荷载组合影响，能够有效约束水平方向上出现的位移，其具体结构如图2（b）所示。

（1）节点危险截面强度验算

在竖向作用力的影响下，槽钢扭腿会和承重螺栓之间形成竖向的支反力，导致在垂直墙面一侧会出现单向受弯，进而会影响牛腿腹板，下表面受到的力主要为拉力上表面受到的力为压力，在这样的条件下进行强度测试，需要考虑多发地震环境以及罕见地震环境这两个不同的因素，其中要考虑牛腿洁面的最大正应力、中性轴的净截面模量、牛腿截面抗弯强度设计值以及标准值等多项因素。其中结合相关规范以及槽钢截面受弯的方向，可以将截面塑性发展系数定位为1.2。

（2）开孔构件强度验算

对于开孔的构件，由于其材料分布不连续，造成构件内部应力分布不均匀，在孔洞周围处易发生应力集中现象，并且很难应用公式准确地计算出孔洞周围的应力大小。对于本文所研究的承重节点和限位节点，在其相应的连接部件槽钢牛腿和限位角钢上均留有栓孔。由于栓孔的存在削弱了连接部件的原有强度，故在对节点危险截面强度验算完成后，还需针对开孔构件的栓孔周围进行强度验算。在强度验算的过程中，可以选择数值模拟以及仿真模拟的方式，通过有限元软件建立力学模型，然后模拟实际建筑施工期间以及使用期间的具体静态荷载力，将其施加到不同的单元上，能够判断开孔结构是否符合具体的使用需求。