外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

李锋 姬淑艳 姜宝龙 冯力强 牛昌林 陈鸷坤

摘 要：對外挂式 ALC 条形墙板与传统钩头螺栓节点的破坏特征及受力机理进行了试验 研究.针对上述连接方式不足，提出了在ALC墙板内部节点周围布置加密钢筋网的抗震措施，对加强墙板节点受力性能进行了研究.为此设计了不开窗洞墙板钢框架、开窗洞墙板钢框架、节点加强墙板钢框架、节点加强开窗洞墙板钢框架四个试件进行低周反复加载试验，利用有限元软件ABAQUS 建立了实体模型，研究结果表明：洞口是墙体的薄弱环节，洞口周围墙体最 容易先出现破坏，窗墙比对框架整体的滞回性能影响很小.对于采用传统钩头螺栓连接的试件，当层间位移角在1/250 rad以内，墙板之间的灌浆勾缝处出现竖向裂缝，连接节点周围出现 少量的水平裂缝，基本可以满足结构的正常使用要求.当层间位移角达到1/75rad，墙板连接节点处裂缝斜向发展，周围混凝土逐步挤压破碎，墙板不能适应主体框架的变形，罕遇地震下有掉落、坍塌的风险.钢筋加密网是一种可靠的抗震措施，对墙板受力贡献较大，可以有效延 缓墙板开裂时的层间位移，减轻墙板的损伤程度，使墙板满足钢结构较大的层间变形的需求，满足规范中对非结构构件层次的抗震设防要求.

关键词：钢框架;ALC墙板;抗震性能;连接节点;侧向变形

中图分类号：TU391;TU352.1文献标志码：A

Study onmechanical Behavior of Steel Frame with ALC Wall Panels and Its Connections

LI Feng1，JI Shuyan2?，JIANG Baolong1，Feng Liqiang3，NIU Changlin4，Chen Zhikun5

（1.School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing400045，China;

2.School of Constructionmanagement and Real Estate，Chongqing University，Chongqing400045，China;

3.Gansu Construction Investment（Holdings）Group Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;

4.Gansu Construction Investment Technology Research Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;

5.China Resources Land Limited，Chongqing400050，China）

Abstract：Quasi-static experiments were conducted to study the failuremode and bearingmechanismof exter-nal ALC wall panel and traditional hook blot connections.In view of the insufficiency of the above connections， theseismic detailmeasures of placing the densified steelmesh around the internal connections in ALC wall panels were proposed ， and themechanical performance of the connections is studied.For this purpose， wall panels with and with-out an opening and the panel reinforced with steelmesh were designed， and low-cycle loading tests were conducted on these specimens.The finite element software ABAQUS was used to conduct numerical simulation.The results showed that openings were the weak components of ALC panels and destroyed firstly， but the size of openings has little effect on steel frames seismic performance.For the specimens with traditional hook blot connections， when the story drift ratio was less than1/250 rad， there were vertical cracks on fillingmaterials between ALC panels and tiny horizontal cracks around blot connections， which satisfies the requirements of the serviceability limit state.When the story drift ratio reached1/75 rad，the cracks around connections develop obliquely， and the surrounding concrete was gradually compressed and crushed， so the panels were less likely to adapt to the deformation ofmain structures with the risk of dropping down and collapse under rare earthquake.However， thismeasure for the specimens embedded with reinforcing steelmesh in the panel was effective and reasonable， which provide enough force support for the pan-els， and can effectively delay the crack displacement of panels， satisfy the needs of relatively large structural lateral deformation and satisfied the requirement for seismic resistance of non-structure components in codes.

Key words：steel frames;ALC wall panels;seismic performance;connections;lateral deformation

目前，装配式钢结构住宅主体的设计技术趋于成熟，生产和安装也基本实现了工业化，但围护体系相关研究的滞后制约其应用和推广[1].不少学者对围护体系展开了研究，文献[2-8]研究表明，内嵌式 墙板对整体结构的初始刚度和承载力均有一定贡 献;外挂式墙板对整体框架的滞回性能影响相对较小[9]，连接节点是关键部位，是保证墙板和主体框架 协同工作的前提[10-12]，如果采用刚性连接或者在地 震作用下墙板不能适应主体框架的变形，往往导致节点发生破坏，墙板可能从高空脱落，对人员生命安 全造成威胁.针对外挂式墙板与钢框架连接节点的问题，文献[13-15]设计了不同形式的柔性节点，研究 发现3种节点均有较高的承载力和一定的变形能力，能够适应多高层钢结构住宅在地震作用下发生大的侧 向变形，但是上述连接节点的形式多样，构造相对复 杂，难以符合构件标准化、建筑工业化的发展要求.

钩头螺栓固定工法是钢结构外挂墙板常采用的连接节点形式，该连接构造相对简单，施工方便，便 于标准化生产，但是当钢结构发生较大侧向弹塑性变形，该节点的适用性和可靠性需要进一步研究.如图集《蒸压轻质加气混凝土板（NALC）构造详图》（03SG715-1）[16]规定：钩头螺栓节点仅适用于层间位移和刚度中等大小的钢结构体系，没有详细说明当结构层间位移角超越1/120 rad时，墙板和节点的工作性能和损伤状态.图集《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》（13J104）[17]第2.3.2小节规定：墙板作为填充墙时，对于超过24m的钢结构建筑，需要按照 工程实际情况个体设计.以上两本图集对钩头螺栓节点的适用范围给出了限制，不便在高层装配式钢结构住宅体系应用.

此外，墙板在实际应用过程中需要满足一定使用要求，如开窗洞口.墙板窗洞会对受力状态、结构的刚度和承载力产生重要影响，文献[18-20]对内嵌 式墙板开窗洞的位置、面积等参数进行了有限元分析，窗洞宜布置在两边缘柱中间的墙板，洞口应远离 边缘柱;随着墙板开洞面积的增大，结构的强度和承载力均呈现明显减小趋势.以上研究主要是利用有限元计算，分析了内嵌式开洞墙板对钢框架抗震性能的影响，对外挂式墙板开洞的研究较少，相关试验 研究资料缺乏.

基于以上两点，对外挂式墙板采用传统钩头螺 栓连接的钢框架进行试验，侧重分析柔性钢框架发生较大水平变形时，墙板的损伤状态、裂缝开展情况、窗洞对主体结构受力性能的影响等，填补了相关 图集和目前研究空缺;其次根据钩头螺栓受力特点 及节点的局部损坏情况，提出了墙板内部节点孔周 围布置加密钢筋网的抗震构造措施，并对加强后墙 板及钢框架进行试验和有限元分析，为外挂墙板的设计和应用提供参考意见，以期在高烈度区或高度更大的装配式钢结构建筑中应用.

1試验方案

1.1试件设计

本次试验以典型的装配式钢结构住宅体系为原型，参照设计图集《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》（13J104）中钩头螺栓及节点构造，不同之处是本文未设置专用托板，墙板的自重由钩头螺栓承担.共设计加工了4个足尺试件进行低周反复加载试验，试件编号为S1、S2、S3和S4，分别对应不开窗洞墙板钢框架、开窗洞墙板钢框架、节点加强墙板钢框架、节点加强开窗洞墙板钢框架.

试件均为单层单跨平面钢框架，钢框架的高度和跨度为2 950mm×5 040mm，柱采用箱型钢柱，截面尺寸为□400mm×400mm×14mm，梁采用H型钢梁，截面尺寸为H350mm×180mm×8mm×10mm，梁、柱均采用Q345B 级钢材，梁柱焊接连接在一起，框架与地梁采用m27高强螺栓连接.试件信息详见 表1，开洞尺寸为1800mm×1000mm，试件S2（S4）的尺寸详图见图1，试件S1和S3 没有开窗洞口，表2 给出了不同厚度Q345B 级钢材的力学性能.

1.2 外挂ALC 墙板竖装及节点加密钢筋网

蒸压轻质加气混凝土板（ALC 板）委托重庆泰日建材有限公司进行生产，墙板强度等级为A5.0，墙板 干密度级别为B06，干密度为625kg/m3，抗压强度为5.0mPa，干燥收缩值为0.50mm/m，导热系数为0.16 W/（m·k），截面尺寸宽度和厚度为600mm×150mm，高度为2 990mm.墙板之间的填缝材料选用水灰比0.25的粘结砂浆，上部、下部钩头螺栓均与角钢焊 接，角钢与钢梁或钢地梁焊接构造细节见图2，钩头 螺栓见图3.

ALC墙板选择 TU板或企口形板，断面图见图4，纵向受力钢筋的直径均为8mm，横向分布钢筋直径为6.5mm，其中试件S3和S4对墙板连接节点处洞口进行了局部加强，由于墙板内存在钢筋保护层，横向钢筋网片之间距离为110mm，在ALC墙板内钢筋网 之间的洞口位置，沿厚度方向每 20mm设置加密的钢筋网，因此在每个墙板内部螺栓孔洞处，沿厚度方 向均设置了5 片加密钢筋网，每片加密钢筋网构造如图5所示，试件S1和S2没有采用加强措施.

1.3 试验测点布置

在试件的关键部位布置了位移计和应变片，详 见图6.位移计WYJ-1放置在地梁的中心线处，测量 地梁的滑移值;位移计WYJ-2放置在右侧箱型钢柱的底部，测量柱底部的滑移值;位移计WYJ-3 放置在最左侧墙板的顶部，记录结构的整体变形情况.应变片是左右对称布置，钢梁左侧上翼缘、腹板和下翼 缘分别为LB-1、LB-2和LB-3，钢梁右侧对称位置的应变片记为RB-1、RB-2和RB-3，左侧钢柱柱脚应变片为LC-1～LC-4，右侧柱脚应变片为RC-1～RC-4，通过应变片了解钢构件的内力发展和屈服时序.

1.4 试验加载装置及加载方案

试验在重庆大学结构实验室进行，利用200 t千 斤顶在试件顶部施加低周反复荷载，在框架的面外 设置了侧向支撑，防止出现面外失稳的现象.同时对外挂 ALC墙板进行了编号，从右往左序号依次为1～9，9号板侧边的两块墙板序号为10、11，总计11块墙 板，见图7.

试验采用位移控制加载，在试验正式开始前先进行预加载，水平方向施加反復荷载1次，层间位移角取值1/750 rad.正式加载是通过控制层间位移 角实现的，第一阶段的层间位移角分别为1/1000、1/750和1/500 rad，这三级荷载均仅循环1次，第二 阶段的层间位移角分别为1/250、1/150、1/100、1/75、1/50 rad，这五级荷载（除1/50 rad外）各循环 2次，见 图8.当出现下列情况之一，停止试验，1）试验水平荷载达到极限荷载的85%;2）钢框架的侧向弹塑性变形超过1/50 rad.

2试验现象

2.1试件S1

当层间位移角达到1/500 rad时，3号和4号板材之间勾缝开始出现0.53mm的裂缝，往复荷载作用下，裂缝逐渐开展，控制位移达到1/250 rad时，4号板 材下部螺栓节点处出现微小的斜向裂缝，且各板材竖向勾缝均有拉通延长的现象，墙板出现错动.层间位移角增加到1/150 rad时，5、6号板材下部形成了贯通螺栓孔的裂缝，螺栓出现松动，层间位移角 增加到1/100 rad时，1～8号各板底部均出现明显贯 通的斜裂缝，且伴随混凝土剥落，墙板发生较大的错动滑移，墙板的破坏形态呈现锯齿状（层间位移 角1/75 rad）.整个加载过程中，螺栓没有发生较大变形，螺栓和角钢的焊缝连接依然可靠，试件S1的破坏形态见图9.钢框架基本处于弹性状态，梁上翼缘 左侧应变片 LB-1测得应变最大，应力为275mPa.

2.2试件S2

与试件S1不同的是，试件S2 在4号、5号和6号 墙板上开了窗洞.初次加载的层间位移角为1/1000 rad，3号整板与4号上下两块分板以及 7号整板与6号上下两块分板之间，出现了约2mm宽的裂缝.当层间位移角增加到1/500 rad时，窗洞四角的裂缝竖 向延伸和开展，同时洞口周围的螺栓孔处出现微小裂缝.层间位移角增加到1/250 rad时，1号与2号板 间的勾缝产生了通长裂缝，墙板之间发生错动，6号 板下部螺栓孔洞处出现裂缝.当加载级达到1/75rad时，窗口钩头螺栓出现松动，有一定程度变形，但是螺 栓没有剪断，仍然保持良好的工作状态，3号墙板底部 出现贯通的裂缝，混凝土被压碎，部分脱落.最终破坏的整体图形如图10所示，靠近窗洞的螺栓孔处混凝 土挤压破坏严重，但是整个加载过程中，其余部位没有出现明显裂缝和破坏.最大应力发生在梁上翼缘 左侧，达到 269mPa，钢框架基本处于弹性状态.

2.3试件S3和S4

通过试件S1和S2的试验发现：层间位移角达到1/250 rad时，墙板底部的螺栓连接节点出现裂缝;层间位移角达到1/75 rad时，螺栓孔周围的混凝土容易 压溃和脱落，说明该螺栓连接节点不能适应主体钢框架发生较大的侧向变形.文献[21]指出，墙板的配 筋质量对节点极限承载力影响较大，合适的钢筋保 护层厚度和焊接良好的纵横钢筋网，有助于提高节点的极限承载力，因此为了提高节点周围墙板的承载力，增强混凝土受拉强度，本文提出了在墙板内部节点周围布置加密钢筋网的构造措施，试件S3和S4的ALC 墙板采用了如图5所示的加强措施，其余和试件S1和S2 均一样.

试件S3 试验现象如下：当层间位移角从1/1000 rad 增加到1/500 rad时，4号板、5号板、8号板和9号 板之间填缝砂浆出现微小的竖向裂缝，随着控制位移的增加，裂缝不断扩展，砂浆出现掉落，墙板发生微小错动滑移，当层间位移角达到1/150 rad时，1号 板下部的节点首次出现水平裂缝;当层间位移角达 到1/100 rad时，4号板下部螺栓孔也出现了细小裂 缝，延伸至墙板底端;当层间位移角达到1/50 rad时，钢框架左柱焊缝出现裂纹，8号板螺栓孔周围出现水平裂缝，但是混凝土脱落很少，与试件S1相比，螺栓 孔周围裂缝的数量大大减少，仅有两块墙板底部各出现一条裂缝，同时螺栓松动程度降低，墙板损坏程 度较轻，整体破坏形态见图11，此时以墙板之间，竖 向裂纹为主，每块墙板自身有良好的整体性.

试件S4 试 验 现 象如下：当层间位移 角 加至1/1000 rad时，3号整板与4号上下两块分板以及 7号整板与6号上下两块分板之间勾缝，均出现了明显的竖向裂缝;层间位移角增加到1/250 rad时，6号 上块分板 靠 近 窗 洞 部 位，出 现了斜 裂 缝 ;当层间位移 角 达 到1/150 rad时，窗洞处的扁钢与墙板脱 落，8号与9号板及 9号与10号板之间裂缝发展成通长缝;当层间位移角达到1/75 rad时，钩头螺栓出现一定变形，没有发生破坏，仍可以正常工作，8号板螺 栓孔周围的混凝土部分脱落，墙板的整体性相对较好.应变片 LB-1计算得到最大应力为441mPa，发生在钢梁左侧上翼缘处，钢框架部分进入屈服状态.

2.4 变形特点及破坏状态总结

窗洞是薄弱部位，窗洞的角部容易率先出现斜 向裂缝，可能会影响建筑的正常使用;层间位移角达 到1/150～1/75 rad，墙板的破坏主要集中在下部螺栓节点周围，罕遇地震下可能引发墙板脱落.构件的破坏顺序为：窗洞（节点和角部）斜裂缝—ALC 墙板节点周围贯通裂缝 —钢框架梁柱节点屈服并形成塑性铰.

由试件S3和S4可以发现，加强后的墙板损伤状 态有明显改善，下部螺栓周围出现裂缝时对应的层间位移角从1/250 rad 增大到1/100 rad，墙板裂缝数量显著减少，有效地减轻了墙板的开裂和局部塑性损伤程度.当控制层间位移角达到1/75 rad时，钢框 架梁柱节点进入屈服阶段，同时钩头螺栓仍可以正 常工作，墙板不会掉落.《建筑幕墙》（GB/T 21086— 2007）[22]规定建筑幕墙抗震设计时，平面内变形能力应不小于主体结构弹性层间位移角控制值（1/300）的3倍，即主体框架层间位移角达到1/100 rad时，墙 板不应出现破坏.《建筑抗震设计规范》（GB 20011— 2010）[23]对建筑非结构构件的抗震设防目标设定了高、中、低层次3个要求，其中高要求指出：外观可能损坏而不影响使用功能和防火能力，可经受相连结构构件出现1.4倍以上设计挠度（约1/150 rad）的变形，即墙板在设防地震下需要满足功能要求，并且当相连框架变形达到1/107 rad时，墙板不发生破坏.试件S3和S4 均满足上述要求，表明在ALC 墙板内部设 置局部加强钢筋网可以有效地提高墙板的受力性能，这是一种可靠的抗震措施.

对比4次试验墙板的上部和下部连接节点的破坏状态，可以发现，下部节点容易出现贯通螺栓孔的裂缝，裂缝数量多，但是上部节点裂缝较少，裂缝宽 度不大.上部节点和下部节点的构造相同，区别在于螺栓孔距离墙板短边边界的距离，下部节点距离小（69mm），上部为460mm，更靠近墙板底侧边界，见图5.初步分析，当框架发生较大的侧向变形，墙板节点处出现圆孔的应力集中，引起的应力扰动范围达 到1.5倍的孔口尺寸，而下部节点距离墙板边界非常 近，受到圆孔高峰应力的影响，因此实际工程应适当 增大下部连接节点到墙板边界的距离.

3试验结果分析

3.1钢框架滞回曲线

钢框架滞回曲线，即荷载-位移曲线如图13所示，可以发现：

1）4个试件的滞回曲线相似，形状均为S 形或 Z 形，加载初始阶段，滞回曲线均接近直线，滞回环包 围的面积小，因为各构件基本处于弹性阶段，残余变形较小.随着位移增大，包络线的面积开始增加，曲 线稳定，但是曲线均没有出现下降段，承载力一直增 加，主要原因为方钢管柱的抗弯承载力较高，钢框架 抗侧刚度较大，仅有部分构件（如梁柱节点）进入屈 服阶段，此外试验中没有考虑在柱顶施加轴力.

2）试件S1和S2的滞回曲线几乎重合，试件S3和S4 滞回曲线正向加载部分重合度也很高，表明外 挂墙板开洞口对框架整体的滞回性能影响很小，可以忽略.原因是外挂式墙板通过钩头螺栓“挂”在钢梁上，与内嵌式墙板不同，不直接参与抵抗侧向力.需要说明的是，负向加载时，试件S3和S4 荷载相差较大，最高达到 50.7%，主要因为在负向加载过程中，试件S3的地梁存在滑移.

3）试件S2和S4的滞回曲线形状相似，负向加载时，试件S4的曲线斜率比 S2 略大，对应的荷载数值 也略高，表明节点设置加密钢筋网的构造措施对主体框架的滞回性能存在一定影响，可以略微提高承载力.两条曲线在正向加载的后3个加载级存在一定差异，导致滞回耗能面积相差 24.6%，原因同 2），试件S4的地梁出现小滑移，荷载没有完全加到框 架上.

3.2 骨架曲线和刚度退化曲线

图14 是试件S1、S2和S4的骨架曲线，由于试件S3的地梁发生滑移，对荷载的数值影响较大，后续分析不采用试件S3的数据，图15 是对应的刚度退化 曲线，可以发现：

1）3个试件骨架曲线特点很相似.加载初期，工 字钢梁、钢柱等构件处在弹性阶段，荷载增长较快;随着位移增大，骨架曲线的斜率开始下降，这是因为少部分构件截面达到屈服应变，开始进入弹塑性阶段，结构的刚度逐渐降低，荷载增速放缓;当层间位移角达到1/50 rad（59.9mm），墙板已经发生了破坏，但是骨架曲线均没有出现下降段，说明方钢管柱-钢框架具有良好的变形能力和较高的承载力，外挂式 墙板对框架的受力性能影响很小.

2）试件S1和S2的骨架曲线几乎重合，刚度的大小和变化趋势很接近，表明开窗洞对框架的承载力影响很小，可以忽略.试件S4的负向荷载比 S2和S1略高，如在层间位移角为1/75 rad时，试件S4 比 S2 承载力高7%，可以看出加强墙板的连接节点对框架的承载力也略有提高.试件S4的刚度退化曲线存在突变，原因是正向加载的最后3个加载级，地梁出现了小滑移.

3.3 能量耗散系数曲线

钢框架的能量耗散能力是通过滞回曲线的面积 来衡量，本文采用能量耗散系数Edc 指标来评价.图16 是试件S1、S2和S4的能量耗散系数曲线，可以看出，试件S1、S2、S4的能量耗散系数总体呈现增大的趋 势，因为随着侧向位移增大，梁柱节点及柱脚应力逐 渐达到屈服，材料进入非线性，耗散能量.试件S4 地 梁出现小的滑移，导致荷载没有完全加上，滞回曲线不如预期的饱满，耗能系数下降，出现一定波动.能量耗散系数最大值为0.65，远小于1，表明钢框架整 体塑性发展程度不高.

4有限元模型建立

4.1单元类型及网格划分

采用有限元软件ABAQUS，建立开窗洞墙板钢框架 S2和节点加强开窗洞墙板钢框架 S4的实体模型.墙板的截面尺寸、墙板内钢筋的直径、布置和局 部加强钢筋网尺寸等参数选自1.2小节，钩头螺栓选 用m12，型号为钩头160，角钢规格为L63×6.

墙板、钩头螺栓、角钢、钢梁和钢柱均采用八节点六面体减缩积分单元 C3D8R 模拟，墙板内竖向受力钢筋、横向分布钢筋和局部加强钢筋网片均采用桁架单元 Truss 模拟.经过多次试算，钢梁和钢柱网 格尺寸为60，墙板网格尺寸为80，墙板节点处进行了多次切割，细分网格，使螺栓孔和周围墙板单元之 间合理过渡，确保网格质量，钩头螺栓采用Sweep 划分技术和medial axis算法，减小网格尺寸差异，受力钢筋和局部加密钢筋网格尺寸分别为50和15.

4.2材料本构关系

ALC 墙板本构关系采用ABAQUS有限元软件中提供的混凝土 CDP损伤塑性模型，通过损伤因子 dt 和dc 来表征轻质混凝土的刚度退化和非弹性行为，参数的确定参考文献[24]，ALC 墙板材应力-应变曲 线参考文献[25]，材料峰值抗压强度σt 取3.6mPa，峰值抗压强度σc 取0.44mPa，弹性模量 Ec为1.658×103mPa，ALC 墻板密度为625kg/m3.由于混凝土为脆性材料，当墙板拉应力达到峰值时，判定墙板发生开裂，应力-应变曲线见图17.

ALC 墙板内配筋采用HPB300钢筋，屈服强度为300mPa，弹性模量 E1取 2.1×105mPa，角钢及钩头螺 栓均采用Q235B 级钢材，屈服点为235mPa，弹性模 量 E2 取 2.1×105mPa，本构关系均为双斜线随动强化 模型，塑性模量均为0.01倍的弹性模量，钢梁及钢柱的本构关系按照表2，泊松比为0.3，采用Vonmises 屈服准则，钢材应力-应变曲线见图18.

4.3 边界条件

钩头螺栓与螺栓孔接触，法向设置“Hard Con-tact”，切向摩擦系数为0.3，钩头螺栓端部与角钢进行绑定Tie，下部角钢采用嵌固边界，上部角钢只释 放水平位移，即Ux ≠0，Uy=Uz=θx=θy=θz=0.横、竖钢筋网以及局部加强钢筋使用“Embedded Region”，直接嵌 入到墙板内，不考虑钢筋和混凝土之间滑移.

钢梁和钢柱之间采用Tie模拟焊接，对钢梁面外 自由度进行约束，即Uz=0，以此考虑侧向约束，试验中钢柱底部焊接了矩形钢板，使用螺栓将矩形钢板 及上部钢柱固定在钢地梁上，有限元模型中对螺栓 简化处理，矩形钢板一面与钢柱 Tie，另一面采用嵌 固边界.

模型中不考虑 ALC墙板与填缝材料的作用，各块墙板之间相互接触，法向设置“Hard Contact”，切 向摩擦系数为0.44[4].

试件S4的有限元模型以及网格划分见图19，ALC墙板螺栓洞口的精细化模型见图20，在墙板内布置了5层加强的钢筋网片.

5有限元模型验证及受力机理分析

5.1有限元模型结果与试验对比

以试件S2和S4为例，钢框架在水平荷载下的骨 架曲线见图21，初始弹性刚度有一定差异，软件计算结果均大于试验结果，主要原因是钢地梁在加载 方向存在一定滑移，极限承载力的误差相对较小.此 外，对比试件S2或 S4与纯钢框架（未布置ALC墙板）的骨架曲線可以发现，两条曲线几乎重合，表明外挂 式的墙板对主体框架的初始刚度、承载力等指标影 响小，同时也说明窗墙比的大小对主体结构的抗震性能影响较小，可以忽略.

图22 是试件S4 墙板的第一主拉应力云图和第三主压应力云图，对应的层间位移角为1/100 rad，可以发现，局部螺栓洞口和窗洞周围主应力较高，是高峰应力集中的部位，当层间位移角进一步增加，容易 出现墙板局部开裂，但墙板整体压应力相对较低，因 而墙板可以保持良好的整体性.试件S4层间位移角 达到1/75 rad时，在墙板螺栓孔周围主拉应力和主压 应力均较高，形成了明显的高峰应力区，值得注意的是，底部螺栓孔由于距离底部边缘较近，底部边缘仍 然在高峰应力区域内，图23显示了两块相邻墙板底 部螺栓孔的应力云图，将以上计算结果和试验的破坏特征对比可以发现，本文采用的建模方法是合 理的.

5.2应力分析

对有限元模型计算结果进行整理，得到试件S4各部件在每个加载级下最大的应力值，见图24.图24（a）当层间位移角为1/1000 rad时，外挂墙板达 到了峰值拉应力，且主要集中在窗洞螺栓孔周围，因 此试验中窗洞附近螺栓孔容易最先出现贯穿裂缝.图24（b）是不考虑螺栓孔周围小区域的墙板最大压 应力，墙板压应力随着侧向位移增大而增大，一直处 于上升趋势，但低于墙板的峰值压应力，表明墙板整 体压应力较低，因此加载过程中墙板可以保持良好的整体性能.图24（c）当层间位移角达到1/800 rad，窗洞附近的钩头螺栓最先达到屈服应力，当层间位移角达到1/125 rad时，钢柱发生屈服，由此可知，构件破坏的顺序可能为：窗洞斜裂缝—ALC 墙板节点 周围贯通裂缝，钩头螺栓屈服—钢框架梁柱节点屈 服并形成塑性铰，图中钩头螺栓应力一直上升是因为螺栓孔周围的积分点应力集中.图24（d）中随着位移增大，墙板内横向和纵向钢筋的应力一直在增加，但并未达到屈服，因为墙板整体应力比较小，螺 栓孔周围加强钢筋网在层间位移角为1/152 rad时达 到屈服，并一直稳定在屈服状态，表明加强钢筋网可以和墙板协同工作，共同承担拉应力，因此可以减少 裂缝的数量和减小宽度.

5.3 外挂墙板适应钢框架变形能力分析

为了研究水平荷载下，外挂墙适应主体框架变形的情况，δ1为S4钢框架加载点侧向变形，δ2为同一高度外挂墙板侧向变形，δ为两者之差，即δ=δ1-δ2，由图25可知，墙板和钢框架的相对变形随着位移增大而增加，但最大不超过1.7mm，外挂墙板和钢框架的侧向变形基本一致，钩头螺栓使两者能够协同变形.

受力机理分析如下：水平荷载下钢框架会发生一定的侧向变形，外挂 ALC条板采用钩头螺栓两点 连接支承方式与主体结构连接，外挂墙板在面内发生相应的转动以适应主体结构的变形，这是与内嵌 墙板的本质区别，因此墙板的整体应力相对较低，但是在螺栓孔周围存在较大的拉应力，裂缝通常集中在螺栓孔，对此可以考虑本文提出的局部加强钢筋网的抗震措施，共同承担螺栓孔的拉应力，此外也可 考虑增大螺栓孔至墙板底边的距离，远离应力区.

6 结论

通过对4 榀装配式外挂墙板钢框架的试验研究和有限元分析，得到如下结论：

1）窗洞是墙板的薄弱部位，如果多遇地震下窗 洞螺栓孔附近也可能出现裂缝，需要引起重视，窗墙 比对框架整体的抗震性能影响很小，可以忽略.

2）墙板图集中的钩头螺栓工法适用于多层或底层住宅的墙板连接构造，墙板和框架可以协同工作，有如下变形特点：层间位移角在1/1000～1/500 rad时，墙板之间的填缝材料开始出现竖向裂缝，其余构件保持完好;层间位移角达到1/300～1/250 rad，填缝 材料的竖向裂缝开展，数量增加，相邻墙板发生较小错动，部分墙板下部连接节点出现肉眼可见的裂缝，钢梁钢柱部分截面进入屈服阶段;当层间位移角达 到1/75～1/50 rad，各墙板发生转动，墙板之间互相挤 压，端部呈现锯齿状形态，连接节点松动，节点周围 混凝土脱落，该节点难以适应钢框架较大的变形.

3）加强钢筋网片是一种可靠的抗震措施，能够 改善混凝土墙板螺栓孔洞处的受力状态，满足罕遇 地震下对外挂墙板的抗震性能要求.

4）连接节点到墙板底边或顶边的距离对节点的受力性能有很大影响，建议增加相应距离，避免高峰 应力影响.

参考文献

[1]张爱林，马林，刘学春，等.装配式外挂墙板钢框架受力性能有限元分析[J].建筑结构学报，2016，37（S1）：152-157.   ZHANG A L，MA L，LIU X C，et al.Finite element analysis onme-chanical performance of steel frame structure with prefabricated external wall panel[J].Journal of Building Structures，2016，37（S1）：152-157.（In Chinese）

[2]李国强，赵欣，孙飞飞，等.钢结构住宅体系墙板及墙板节点足尺模型振动台试验研究[J].地震工程与工程振动，2003，23（1）：64-70.

LI G Q，ZHAO X，SUN F F，et al.Shaking table study on a full scalemodel of wall panels and their connections of steel frame resi-dential building systems[J].Earthquake Engineering and Engi-neering Vibration，2003，23（1）：64-70.（In Chinese）

[3]刘玉姝，李国强.带填充墙钢框架结构抗侧力性能试验及理论研究[J].建筑结构学报，2005，26（3）：78-84.

LIU Y S，LI G Q.Experimental and theoretical research on lateral load resistance of steel frames with infilled walls[J].Journal of Building Structures，2005，26（3）：78-84.（In Chinese）

[4]趙滇生，陈亮，王伟伟.带 ALC墙板的钢框架结构滞回性能分析[J].浙江工业大学学报，2010，38（4）：448-452.

ZHAO D S，CHEN L，WANG W W.Hysteretic behavior analysis of Steel frame structure with ALC walls[J].Journal of Zhejiang University of Technology，2010，38（4）：448-452.（In Chinese）

[5]王波，王静峰，李响，等.填充 ALC墙板钢管混凝土框架抗震试验与数值模拟[J].土木工程学报，2014，47（S2）：56-61. WANG B，WANG J F，LI X，et al.Experiments and analysis of CFST frames with ALC walls under seismic action[J].China Civil Engineering Journal，2014，47（S2）：56-61.（In Chinese）

[6]mATTEIS G D.Effect of lightweight cladding panels on the seis-mic performance ofmoment resisting steel frames[J].Engineering Structures，2005，27（11）：1662-1676.

[7]BIONDINI F，LAGO B D，TONIOLO G.Role of wall panel con-nections on the seismic performance of precast structures[J].Bul-letin of Earthquake Engineering，2013，11（4）：1061-1081.

[8]ELADLYmm.Numerical study onmasonry-infilled steel framesunder vertical and cyclic horizontal loads[J].Journal of Construc-tional Steel Research，2017，138：308-323.

[9]马俊，李元齐.外挂混凝土墙板对钢框架结构自振周期的影响[J].湖南大学学报（自然科学版），2018，45（5）：76-84.

MA J，LI Y Q.Effect of exterior concrete wall panels on natural period of steel frame structures[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2018，45（5）：76-84.（In Chinese）

[10]和涛，周健，臧海涛，等.复合墙板与钢框架的连接节点抗震试验研究[J].工程力学，2014，31（10）：85-91.

HE T，ZHOU J，ZANG H T，et al.Experimental study on seismic test of connections of steel frames and sandwich composite panel[J].Engineeringmechanics，2014，31（10）：85-91.（In Chinese）

[11]陈晓，王曙光，刘伟庆.柔性连接叠合填充墙板-框架结构抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2014，35（12）：37-43.   CHEN X，WANG S G，LIU W Q.Experimental study on seismic behaviors of composite filling wall-frame structures with flexible connection[J].Journal of Building Structures，2014，35（12）：37-43.（In Chinese）

[12] FANGmJ，WANG J F，LI G Q.Shaking table test of steel framewith ALC external wall panels[J].Journal of Constructional Steel Research，2013，80：278-286.

[13] 王雪芹，刘学春，马林，等.装配式 ALC外挂墙板抗震性能试验研究[J].钢结构，2017，32（4）：22-26.

WANG X Q，LIU X C，MA L，et al.Experimental research on seis-mic behavior of prefabricated ALC external panels[J].Steel Con-struction，2017，32（4）：22-26.（In Chinese）

[14] 曹石，舒赣平，林坤洪，等.一种新型装配式钢结构外挂墙板连接节点的受力性能分析和设计方法[J].建筑结构，2017，47（10）：46-52.

CAO S，SHU G P，LIN K H，et al.Designmethod and strength analysis of a new out-hang connection of assembled steel structure cladding wall panels[J].Building Structure，2017，47（10）：46-52.（In Chinese）

[15] 饶宇，陈颖，耿丽，等.装配式 ECP钢框架足尺模型振动台试验研究[J].四川建筑科学研究，2019，45（4）：30-35.

RAO Y，CHEN Y，GENG L，et al.Shaking table study on a full scalemodel of prefabricated ECP steel frame building[J].Sich-uan Building Science，2019，45（4）：30-35.（In Chinese）

[16] 蒸压轻质加气混凝土板（NALC）构造详图：03SG715-1[S].北京：中国建筑标准设计研究所，2003：5-6.

Construction of autoclaved lightweight aerated concrete plate：03SG715-1[S].Beijing：China Architecture Standard Design In-stitute，2003：5-6.（In Chinese）

[17] 蒸压加气混凝土砌块、板材构造：13J104[S].北京：中国计划出版社，2013：5-6.

Autoclaved aerated concrete block and plate construction：13J104[S].Beijing：China Planning Press，2013：5-6.（In Chinese）

[18] 陈亮.装配式墙板与钢框架组合体系抗侧性能分析研究[D].杭州：浙江工业大学，2009：63-66.

CHEN L.Study of lateral performance of steel frame with fabri-cated wall panels[D].Hangzhou：Zhejiang University of Technol-ogy，2009：63-66.（In Chinese）

[19]吕远.ALC填充墙对钢框架结构抗震性能的影响[D].锦州：辽宁工业大学，2018：38-41.

L Y.The influence of ALC Infill Wall on seismic behavior of steel frame structure[D].Jinzhou：Liaoning University of Technol-ogy，2018：38-41.（In Chinese）

[20] HOFMEYER H，TEEUWEN P A，KLEINMAN C S，et al.Experi-mental and numerical investigations into the composite behavior of steel frames and precast concrete infill panels with window open-ings[J].Steel & Composite Structures，2010，11（10）：77-84.

[21] 金勇，程才淵.蒸压加气混凝土墙板连接节点性能实验研究[J].墙材革新与建筑节能，2009（2）：34-37.

JIN Y，CHENG C Y.Experimental study on joint performance of autoclaved aerated concrete wall panels[J].Construction Wall In-novation & Building Energy-Saving，2009（2）： 34-37.（In Chi-nese）

[22] 建筑幕墙：GB/T 21086—2007[S].北京：中国建筑科学研究院，2007：5-7.

Curtain wall for building： GB/T 21086—2007[S].Beijing： China Academy of Building Research，2007：5-7.（In Chinese）

[23] 建筑抗震设计规范：GB 20011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2016：265-266.

Code for seismic design of buildings：GB 20011—2010[S].Bei-jing：China Architecture & Building Press，2016：265-266.（In Chinese）

[24] 刘巍，徐明，陈忠范.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数标定及验证[J].工业建筑，2014，44（S1）：167-171.

LIU W，XUm，CHEN Z F.Parameters verification of concrete damaged plasticmodel of ABAQUS[J].Industrial Construction 2014，44（S1）：167-171.（In Chinese）

[25] 颜雪洲.轻质高性能混凝土力学性能试验研究及新型复合墙体性能分析[D].北京：北京交通大学，2006：33-36.

YAN X Z.Experimental study on themechanical behavior of light-weight and high-performance concrete andmulti-ribbed compos-ite wall[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2006：33-36.（In Chinese）