新型装配式外挂墙板节点构造技术研究

摘要： 针对装配式建筑中组成部分之一预制混凝土外挂墙板安装节点中出现的体系复杂、安装步骤繁多、费工废料等问题进行理论分析，借鉴了国外的相关成熟案例与国内相关文献、规范的经验，研究改进一套符合规范设计要求的安装节点，简化了在施工安装过程中预制墙板的步骤，达到省时省工、便捷安装的目的。

关键词： 装配式、预制墙板、安装节点

中图分类号：TU392.4    文献标志码： A

Abstract:Through analysis installation nodes of precast concrete facede panels,as the componentsof prefabricated building,which have the problem with complicate system,complex installion steps,waste of time and material,and draw lessons from foreign mature cases and relevant domestic literature and normative experience,improve a set of installation nodes that meet the specification design requirements,which can simplify the steps of precast panels in the process of construction and installation, and achieve the purpose of saving time and labor and convenient installation.

Keywords: prefabricated, precast panels, installation node.

0 引言

近年来，随着国务院的大力推进、地方政府政策的相继出台，装配式建筑逐渐进入人们的视野。越来越多的建设单位、施工企业、设计院开始投身装配式建筑的事业。装配式建筑相较于传统现浇建筑有以下好处：一是有助于减少生产过程中的水、抹灰砂浆、模板木材等资源耗费；二是有助于减少在建造进程中所造成破坏环境的影响、减少建筑产生的垃圾。三是有助于大幅度提升工程品质和安全。以在工厂预制的方式代替在项目现场现浇的方式，既可以确保各个装配部件质量，提升安装精度，又提高施工的安全性。四是有助于提升施工工作效率及生产率，节省时间成本。五是有助于推动新兴产业，增进建筑业与工业制造业、物流产业、服务业等各专业进行融合，实现以造汽车的方式造房子的美好愿景。同时，实现建筑装配化也有利于完成国家在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出在2030年实现碳达峰、在2060年实现碳中和的承诺。

其中，外围护系统由屋面、外墙、门、窗等组成，屋面、外墙围护成内部空间，能够装饰、美化建筑外立面，遮蔽外界恶劣气候的侵袭，同时也起到隔声的作用，从而保证使用人群的安全性和私密性。维护系统设计应考虑到的因素有：外观、防水性能、结构性能、热工性能、冷凝水的控制、声学性能、防雷措施、自清洁、耐久性等。而维护系统使用到的最多的装配式构件就是预制外挂墙板，在装配式建筑中起到保证工程质量、降低安全隐患；提高生产效率，降低人力成本；节能环保、减少污染；模数化设计，延长建筑使用寿命等重要作用。工人在工厂将预制混凝土外挂墙板大批量用机械浇筑成墙板，再将预制好的墙板通过卡车等方式运送到施工现场吊挂、拼接、安装，像搭积木一样将整个建筑拼装起来，这就是推行装配式建筑的初衷。

国内比较常规的预制外挂墙板采用四点支承，下部两节点为承重节点，承受墙板的自重及墙板风荷载，上部两节点承受墙板受到的风荷载。预制外挂墙板按照运动方式可分为平移式与旋转式两种不同的墙板。由于下部节点为承重节点，其受力模式、荷载大小则关乎到整块墙板的结构安全，为此次研究的重点。

1 正文

一、预制混凝土外挂墙板节点现状

现阶段采用的常规承重节点如图一所示，上部钢件预埋在墙板内侧，下部钢板、支座与下侧结构钢梁连接，墙板钢件套入下部承重角钢上，用三个方向共计六个螺栓分别调节xyz方向的进出位置。此做法的缺点在于用钢量大、整体节点高度较高、螺栓较多、现场调解复杂。基于以上几点考虑，结合国内外成熟的做法与经验，研发改进了一套新型外挂墙板承重节点构造形式。

(a)外挂墙板节点图

(b)新型外挂墙板节点

图一 外挂墙板节点详图

Fig1. the joint detail of facede panels

二、新型外挂墙板承重节点介绍

新型外挂墙板承重节点主要构造形式如图二所示。上部的角钢与钢肋板整体预埋在预制混凝土墙板上，由工厂统一发至现场安装，下侧的钢底座与钢棒焊接在结构钢梁上。角钢上开大圆孔，方便在节点在xy方向的进出位置调节，选用不同厚度的马蹄形钢垫片来适应高度方向的调差。调整完毕后，将角钢与下侧钢垫片焊接，以完成整体节点的固定。整个外墙挂板系统只允许沿着钢棒方向向上跳动，其余各向均进行固定。 上部挂点与原设计相同，采用角钢加锚栓的方式连接，角钢开大孔，以适应墙板在高度及水平方向的调差，调整完毕后用螺栓与垫片连接锁死。

三、新型外挂墙板承重节点计算

3.1计算条件

本次分析采用ABAQUS进行有限元模拟,校核该支座在正常使用工况下承载能力及极限承载能力。计算选用的预制外挂混凝土墙板长和宽为2700x3800mm，厚100mm，板块尺寸如图及挂点定位如图二所示。其中下部两支座承受墙板的重力荷载与风荷载，上部两支座承受风荷载，主要研究下承重节点受力情况。计算选取的地区按照上海进行取值计算，取基本风压0.55kN/m2，设计计算标高取50m，地面粗糙度取B类，体形系数按照转角区域取值1.6。抗震设防烈度按照7度（0.1g）区进行考虑取值，校核支座在该抗震设防烈度下的受力和变形情况是否满足设计要求。支座反力按照《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》JGJT 458-2018中附录B计算方法，按照旋转式预制外挂墙板进行荷载反力进行计算得到的反力大小为Rvnk=-66.11kN，Rhnk=16.73kN，Hnk=1.55kN，荷载作用方向如图三所示。

图二 外挂墙板尺寸图

Fig2. the size chart of external wallboard

(a)外挂墙板平面内支座反力

(b)外挂墙板平面外支座反力

图三 外挂墙板支座反力

 Fig3. the support pressure of facede panels

3.2计算参数

尺寸控制对于全局尺寸进行控制，控制单元网格长度为3，网格总数量控制在10万左右，对模型整体进行划分。网格计算采用显式分析，八节点线性分析六面体单元，减缩积分，沙漏控制，单元类型为C3D8R。

结构计算采用材料为Q355钢材，弹性模量206000MPa，容重78.5KN/m3，线膨胀系数1.2x10-5，泊松比0.3，抗弯强度f=305N/mm2，端面承压fce=400N/mm2。

3.3 分析准则

屈服准则采用钢材的冯·米塞斯屈服准则。

流动准则采用塑性流动准则。

硬化准则采用各项同向硬化准则。

弹性阶段分析：直接通过查看有限元模型分析的Mises应力，通过与材料的抗压、抗拉应力值进行比较，来判断材料是否安全。

3.4 荷载加载

模型中设置两个荷载步：第一个荷载步施加1.0倍支座反力，支座反力大小为Rvnk=-66.11kN，Rhnk=16.73kN，Hnk=1.55kN，考察在正常使用工况下该节点的应力、位移情况。第二荷载步逐步施加5.0倍支座反力，大小Rvnk=-330.55kN，Rhnk=83.65kN，Hnk=7.75kN，考察在荷载逐渐增大的情况下位移的变化情况，绘制荷载与位移相关曲线，分析该模型的极限承载能力。

3.5应力情况

应力方面上部分角钢与肋板的最大应力为206.7N/mm2，出现的部位位于圆环边侧，该位置为与底部垫片焊接的约束位置，应力云图如图四所示，设计强度为305N/mm2，满足设计要求。

 图四  角钢应力云图

Fig4. stress nephogram of angle iron

下部分钢垫片与钢底座采用Q355，其设计强度为305N/mm2，具体应力云图如图五所示。钢支座应力最大应力为326.7N/mm2，出现的位置位于荷载偏心侧钢底座与钢垫片接触的角部边缘位置，此部分应力产生是在外部荷载作用下，上部角钢有向外倾覆的趋势，垫片与底座在角部边缘接触位置出现的承压应力，局部承压强度为400N/mm2，均满足设计强度要求。钢垫片在中间孔壁局部承压，应力大小为214.8N/mm2，局部承压强度为400N/mm2，计算结果满足设计要求。

(a)垫片应力云图

(b)底座应力云图

图五 应力云图

Fig5. stress nephogram

3.6 位移情况

整个模型最大位移为0.7814mm，位移最大的位置出现在角钢顶部位置，该位置为未约束的自由端，位移云图如图六所示。

图六 位移云图

Fig6. displacement  nephogram

   

3.7 荷载-位移曲线

按照5倍初始荷载对模型施加，其荷载倍数与位移曲线如下图七所示,可以看到在3倍荷载整体变形位移较小，最大位移为3.465mm，在仍处于上升段，未进入平直段，说明节点未达到极限承载力，满足规范规定的承载力要求。在超过3.0倍荷载以后，整体模型位移发生较大变化，据此认定该模型在超过标准荷载作用的三倍之后已达到极限承载阶段，该模型已经失效。

图七  荷载-位移曲线

Fig7. curves of load-displacement

四、实验设计

根据理论分析与有限元仿真模拟得到的初步计算结果绘制钢件加工图纸，联系钢结构加工厂试制了六组承重节点样件，分别为垫片在角钢上侧与垫片在角钢下侧的样件各三组，保证实验样件承载能力可靠性。同时联系专业力学实验室根据实验室现场条件进行实验设计。由于实验室现场压力机为竖直加压，与该支座受力模式不符，故将支座倾斜，夹角与荷载的夹角相同，以模拟在实际工况下真实受力状态与大小，校核有限元分析的真实性与合理性，辅助校正计算结果。实验样件安装至试验台的现场照片如图八所示。

图八 实验样件及压力台

Fig8. test sample and pressure table

荷载按照每10KN为一个梯度进行加载，逐步加载直至样件发生破坏，失去承载能力，记录承重支座在荷载作用下破坏情况。经实验验证，6组样件可承受荷载平均可达100KN，最大压力可达150KN，超过设计荷载，属于安全范围。主要破坏出现在钢棒底座与钢支座连接部分，钢棒被拔出，根据分析，钢棒与底座焊缝未打坡口，焊缝高度不够，未达到理想实验效果。但角钢在150KN荷载作用下仍未发生破坏，钢棒根部也未有明显破坏，据此认为承重支座至少可承受2倍荷载而不发生破坏。试验机压力读数可见图a，样件破坏情况可见图b。

 

万能试验机压力读数

       

试件破坏情况

图九 实验现场照片

     Fig9. photos of experimental field

五、优化效果

相较于原节点，该节点具有以下优势：

1、比原节点节省用钢量约30%，在物料价格日趋升高的今天，让企业利润率得到提升，减少能源使用与碳排放，实现节能增效。

2、比原节点更省工时，安装便捷，原节点安装数量多，安装工序复杂。通过螺栓进行方向进出调节，部分螺栓孔在预制墙板过程中会有堵塞的情况，现在需对螺栓孔进行清理后再安装调节，调节过程费时费力。

3、比原节点安装高度更低，原节点由于体系构造的问题，高度超过了300mm，支座容易漏出地面，需要额外进行遮挡。改进后支座高度控制在180mm以下，靠楼板的厚度即可覆盖支座，完成面无需凸出楼面。

4、安全系数高，改进后的节点安全系数可达2.0，在未达到2.0倍的极限承载能力之前不会失效，保证了外墙挂板的安全可靠性。

六、结语

  本文针对新研发的预制外挂墙板节点进行结构验算，建立空间有限元计算模型，按照规范计算提取支座反力，比起理论计算模型，可有效地、全面地分析结构受力，判断节点的安全可靠性，且计算结果可靠，可供广大技术人员参考。

参  考  文  献

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