NL墙板与钢结构连接节点的试验研究

王立军，胡一龙

(1.张家口职业技术学院，河北 张家口 075000；
2.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

氮气发泡自保温混凝土墙板(简称NL墙板)，是一种以水泥为基材，植入特殊介质，经特殊加工工艺制成的能实现保温、节能，且具有高强、防火、隔音、防水、长寿命等特点的新型建筑墙板。而且氮气发泡自保温混凝土墙板的材料是一种纯无机的节能材料，墙体厚度是300 mm，传热系数0.13～0.15 W/(m2·K)，节能效果可达90 %以上。造价在2000～3000元/m2左右，性能优越且成本低廉，适用于大规模推广。

此外，国内外对轻质墙板和钢结构的连接方式研究比较少，所以本文提出了一种NL墙板与钢结构相连的半柔性节点，并对此节点的抗风荷承载力进行了试验研究。

1.1 墙板构造

氮气发泡自保温混凝土墙板是一种新型轻质环保节能的绿色建材，材料内部由极为微小的蜂窝状泡孔进行填充，均匀致密且互不相通，泡孔内植入特殊介质。泡孔阻隔了热能传导，增强了建筑保温隔热性能，材料密度只有普通混凝土的1/5，比普通混凝土节材80 %。墙板如图1所示。

图1 NL墙板图

由于其保温性能优越、吸水率低、隔音抗震、防火轻质等特点，可代替市场上现有的粉煤灰加气块或是砂加气块等需要外贴保温层的围护结构产品，可以广泛应用于民用建筑、商场、大型场馆、厂房、仓库、公共设施等各个领域。

1.2 墙板基础参数

根据 GB/T23451—2009《建筑用轻质隔墙条板》规范[1]，对墙板基础性能进行试验，试验结果汇总见表1。结果表明此次试验墙板满足规范的要求。

表 1 墙板基础性能

2.1 新型连接节点的构造

本文提出的新型连接节点，通过对螺栓施加预紧力，控制节点移动范围，使连接节点在小震作用下不发生滑动、在中震作用下可滑动耗能、在大震作用下通过节点板限制位移，从而实现围护系统的“小震不坏、中震可修、大震不倒”性能设计[2]。

新型节点主要包括S压板、专用托件、钢管锚固螺栓三个构件。构件详图见图2、3、4、5。此节点可以分为上节点和下节点两部分，上节点在S压板下部开有一个水平椭圆孔，下节点在S压板上部开有一个竖直方向椭圆孔。上节点横向椭圆孔有利于墙板的左右滑动，下节点竖向椭圆孔可以在施工安装时调整误差。锚固钢筋在安装时嵌入氮气发泡自保温混凝土墙板中。该节点可认定为半柔性节点，在钢框架结构受力较小时，该种新型连接节点无法克服节点与墙板间的摩擦力，节点与墙板之间无相对滑动，表现为刚性节点；
当受力逐渐增大，墙体相对钢结构通过S压板上的椭圆孔发生滑移，滑移过程中通过摩擦力和移动变形消耗一部分能量，避免了墙板的破坏，此时可认为节点是柔性连接。当受力继续增大时，墙板开始与钢结构共同受力，提高了钢结构的抗震能力和耗能效果。

图2 压板1 图3 压板2

图4 钢管锚剖视图 图5 专用托件

2.2 新型节点承载力计算

氮气发泡自保温混凝土墙板在实际工程中作为围护墙板，对钢结构体系计算时，主要由钢框架承受荷载，NL墙板并不参与受力。但是，对于高层建筑来说，NL墙板会受到平面外的风荷载。所以，在实际工程应用中，墙板与钢框架的连接节点需要有抗风荷的能力。因此，验算此连接节点的承载力能否满足实际工程的使用要求。

计算时选用氮气发泡自保温混凝土墙板规格尺寸为3100 mm*600 mm*300 mm，按照标准GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[4]规定，当计算垂直于建筑物表面上的风荷载标准值时，外墙所受风荷载标准值由下式(1)表示

ωk=βgzμslμzω0

(1)

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。

根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》规定可知，国内基本风压的最大值为0.6kN/m2，其他地区的基本风压值均小于该数值。为增大实际工程安全储备，此次验算选取基本风压为0.6kN/m2。选用房屋高度范围在5～100m，地面粗糙度类别为B的风荷载，作用到氮气发泡自保温混凝土墙板连接节点上的承载力进行计算。在实际工程生产的氮气发泡自保温混凝土墙板规格中，墙板承受风荷载的平面尺寸最大为3100mm×600mm，计算其表面积为1.86m2。地面粗糙度为B类地区的风荷载作用力，计算结果见表2，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[3]。

表 2 地面粗糙度B类地区风荷载

2.3 风荷载对连接节点作用力的分析

氮气发泡自保温混凝土墙板与钢结构的连接方式中，墙板上有两个节点，也有四个节点(上下各两个节点)。为了确保实际施工的安全性，所以要确保在墙板上有2个节点时，节点的极限承载力也需满足施工要求。由表2可知，当高度为100 m、地面粗糙度为B类时，风荷载对墙板的作用力最大为7.50 KN。由此可以得到每个节点至少需要承受3.75KN的力才能达到应用需求。

3.1 墙板与钢结构连接的节点构造

图6 节点与墙板连接图

3.2 试验设计

本次试验共设计两组变量，连接节点预埋深度分别为150 mm和200 mm。考虑实际工程墙板较大，现场浇筑工作量较大，养护工序复杂，所以此次试验截取连接节点周围400 mm*300 mm*300 mm的试块代替。为了避免试验的偶然性，每组变量准备了3块构件。构件参数见下表。

表 3 构件参数表

其中，试验装置主要由20 t锚杆液压拉拔仪、数显峰值压力表、NL墙板、新型连接节点以及试验相关所需配件组成，试验装置图、试件加载节点位置图如下。

图7 试验装置图 图8 节点放置图

3.3 试验现象

当节点预埋深度为150 mm时，以质量为40.75 kg、尺寸400*402*303 mm为例。采用拉拔仪加载，在加载数值达到10 KN之前，试块无任何变化。继续加载，数值达到15.40 KN时，试块内部发出“簌簌”声响，同时预埋节点产生一小段位移，继续加载到16.39 KN时，试块发出“咔、咔”声响，预埋节点产生肉眼可见的位移，同时在试块侧表面出现一条细长裂缝，在节点周围出现环绕节点的裂缝。此时，继续对试块加载，拉拔仪读数增长缓慢，几乎不变。试块侧表面细长裂缝变宽到裂开，预埋节点被拉出，停止加载。观察节点没有肉眼可见的形变。

图9 节点处裂缝15.40 KN 图10 侧面破坏裂缝15.40 KN

当节点预埋深度为200 mm时。以质量为40.15 kg，尺寸400*401*302 mm为例。采用拉拔仪加载，加载数值达到13.19 KN时，节点刚刚开始有微小位移，试块表面无任何现象。继续增加荷载时，预埋节点位移逐渐增加，同时节点周围裂缝开始发展。继续加载到20.63 KN时，预埋节点已经产生较小位移，同时在节点周围出现环绕节点的裂缝。此时，继续对试块加载，拉拔仪读数增长到24.62 KN时，试块发出“咔”的一声并且在侧表面快速形成一条细长裂缝。停止加载。

表 4 试验结果汇总

图11 节点周围裂缝24.62 KN 图12 试块表面裂缝24.62 KN

3.4 试验结果分析

由于此墙板主要材料是氮气发泡混凝土，浇筑之后会存在孔隙，在试验拉拔过程中，连接节点挤压发泡产生微小移动，此时对应的承载力为发泡混凝土的孔隙被压缩而产生。当继续加载时，连接节点继续产生位移，此时对应的承载力为发泡混凝土被压缩产生。由于试验过程人工操作，现象由人眼观察，存在一定试验误差，无法准确得到连接节点压缩孔隙所对应的承载力。为增大实际工程安全储备，在极限承载力范围取值中，全部取其最小值。由此分别计算两种不同深度的极限承载力为10.03 KN和13.40 KN。

由表4可知，预埋节点随着锚固深度增加，周围黏结的发泡混凝土增多，连接节点的预埋钢筋受握裹力增加，试验表现的极限承载力也随之增加。所以可知新型节点预埋深度增加会提高连接节点的抗拉拔极限承载力。

1.本试验的新型预埋式节点可满足地面粗糙度为B类地区、高度100 m及以下建筑围护结构体系承受风荷载的要求。

2.每个预埋式节点的承载力至少要达到3.75 KN，才能保证实际工程中抗风性能的安全性。而由试验所得氮气发泡自保温混凝土墙板每个节点的抗拉拔承载力可知，新型连接节点极限荷载是高层实际风荷载值的2.66～3.57倍，所以，新型连接节点的承载力在实际工程使用中存在一定的安全强度储备。

3.新型节点预埋深度增加会提高连接节点的抗拉拔极限承载力。

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