摘要： 針對(duì)裝配式建筑中組成部分之一預(yù)制混凝土外掛墻板安裝節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)的體系復(fù)雜、安裝步驟繁多、費(fèi)工廢料等問(wèn)題進(jìn)行理論分析，借鑒了國(guó)外的相關(guān)成熟案例與國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)，研究改進(jìn)一套符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求的安裝節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了在施工安裝過(guò)程中預(yù)制墻板的步驟，達(dá)到省時(shí)省工、便捷安裝的目的。

關(guān)鍵詞： 裝配式、預(yù)制墻板、安裝節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TU392.4    文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

近年來(lái)，隨著國(guó)務(wù)院的大力推進(jìn)、地方政府政策的相繼出臺(tái)，裝配式建筑逐漸進(jìn)入人們的視野。越來(lái)越多的建設(shè)單位、施工企業(yè)、設(shè)計(jì)院開始投身裝配式建筑的事業(yè)。裝配式建筑相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑有以下好處：一是有助于減少生產(chǎn)過(guò)程中的水、抹灰砂漿、模板木材等資源耗費(fèi)；二是有助于減少在建造進(jìn)程中所造成破壞環(huán)境的影響、減少建筑產(chǎn)生的垃圾。三是有助于大幅度提升工程品質(zhì)和安全。以在工廠預(yù)制的方式代替在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆的方式，既可以確保各個(gè)裝配部件質(zhì)量，提升安裝精度，又提高施工的安全性。四是有助于提升施工工作效率及生產(chǎn)率，節(jié)省時(shí)間成本。五是有助于推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)，增進(jìn)建筑業(yè)與工業(yè)制造業(yè)、物流產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)等各專業(yè)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)以造汽車的方式造房子的美好愿景。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)建筑裝配化也有利于完成國(guó)家在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的承諾。

其中，外圍護(hù)系統(tǒng)由屋面、外墻、門、窗等組成，屋面、外墻圍護(hù)成內(nèi)部空間，能夠裝飾、美化建筑外立面，遮蔽外界惡劣氣候的侵襲，同時(shí)也起到隔聲的作用，從而保證使用人群的安全性和私密性。維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到的因素有：外觀、防水性能、結(jié)構(gòu)性能、熱工性能、冷凝水的控制、聲學(xué)性能、防雷措施、自清潔、耐久性等。而維護(hù)系統(tǒng)使用到的最多的裝配式構(gòu)件就是預(yù)制外掛墻板，在裝配式建筑中起到保證工程質(zhì)量、降低安全隱患；提高生產(chǎn)效率，降低人力成本；節(jié)能環(huán)保、減少污染；模數(shù)化設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)建筑使用壽命等重要作用。工人在工廠將預(yù)制混凝土外掛墻板大批量用機(jī)械澆筑成墻板，再將預(yù)制好的墻板通過(guò)卡車等方式運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)吊掛、拼接、安裝，像搭積木一樣將整個(gè)建筑拼裝起來(lái)，這就是推行裝配式建筑的初衷。

國(guó)內(nèi)比較常規(guī)的預(yù)制外掛墻板采用四點(diǎn)支承，下部?jī)晒?jié)點(diǎn)為承重節(jié)點(diǎn)，承受墻板的自重及墻板風(fēng)荷載，上部?jī)晒?jié)點(diǎn)承受墻板受到的風(fēng)荷載。預(yù)制外掛墻板按照運(yùn)動(dòng)方式可分為平移式與旋轉(zhuǎn)式兩種不同的墻板。由于下部節(jié)點(diǎn)為承重節(jié)點(diǎn)，其受力模式、荷載大小則關(guān)乎到整塊墻板的結(jié)構(gòu)安全，為此次研究的重點(diǎn)。

1 正文

一、預(yù)制混凝土外掛墻板節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段采用的常規(guī)承重節(jié)點(diǎn)如圖一所示，上部鋼件預(yù)埋在墻板內(nèi)側(cè)，下部鋼板、支座與下側(cè)結(jié)構(gòu)鋼梁連接，墻板鋼件套入下部承重角鋼上，用三個(gè)方向共計(jì)六個(gè)螺栓分別調(diào)節(jié)xyz方向的進(jìn)出位置。此做法的缺點(diǎn)在于用鋼量大、整體節(jié)點(diǎn)高度較高、螺栓較多、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)解復(fù)雜。基于以上幾點(diǎn)考慮，結(jié)合國(guó)內(nèi)外成熟的做法與經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)改進(jìn)了一套新型外掛墻板承重節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

(a)外掛墻板節(jié)點(diǎn)圖

(b)新型外掛墻板節(jié)點(diǎn)

圖一 外掛墻板節(jié)點(diǎn)詳圖

Fig1. the joint detail of facede panels

二、新型外掛墻板承重節(jié)點(diǎn)介紹

新型外掛墻板承重節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)造形式如圖二所示。上部的角鋼與鋼肋板整體預(yù)埋在預(yù)制混凝土墻板上，由工廠統(tǒng)一發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)安裝，下側(cè)的鋼底座與鋼棒焊接在結(jié)構(gòu)鋼梁上。角鋼上開大圓孔，方便在節(jié)點(diǎn)在xy方向的進(jìn)出位置調(diào)節(jié)，選用不同厚度的馬蹄形鋼墊片來(lái)適應(yīng)高度方向的調(diào)差。調(diào)整完畢后，將角鋼與下側(cè)鋼墊片焊接，以完成整體節(jié)點(diǎn)的固定。整個(gè)外墻掛板系統(tǒng)只允許沿著鋼棒方向向上跳動(dòng)，其余各向均進(jìn)行固定。 上部掛點(diǎn)與原設(shè)計(jì)相同，采用角鋼加錨栓的方式連接，角鋼開大孔，以適應(yīng)墻板在高度及水平方向的調(diào)差，調(diào)整完畢后用螺栓與墊片連接鎖死。

三、新型外掛墻板承重節(jié)點(diǎn)計(jì)算

3.1計(jì)算條件

本次分析采用ABAQUS進(jìn)行有限元模擬,校核該支座在正常使用工況下承載能力及極限承載能力。計(jì)算選用的預(yù)制外掛混凝土墻板長(zhǎng)和寬為2700x3800mm，厚100mm，板塊尺寸如圖及掛點(diǎn)定位如圖二所示。其中下部?jī)芍ё惺軌Π宓闹亓奢d與風(fēng)荷載，上部?jī)芍ё惺茱L(fēng)荷載，主要研究下承重節(jié)點(diǎn)受力情況。計(jì)算選取的地區(qū)按照上海進(jìn)行取值計(jì)算，取基本風(fēng)壓0.55kN/m2，設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)高取50m，地面粗糙度取B類，體形系數(shù)按照轉(zhuǎn)角區(qū)域取值1.6。抗震設(shè)防烈度按照7度（0.1g）區(qū)進(jìn)行考慮取值，校核支座在該抗震設(shè)防烈度下的受力和變形情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。支座反力按照《預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJT 458-2018中附錄B計(jì)算方法，按照旋轉(zhuǎn)式預(yù)制外掛墻板進(jìn)行荷載反力進(jìn)行計(jì)算得到的反力大小為Rvnk=-66.11kN，Rhnk=16.73kN，Hnk=1.55kN，荷載作用方向如圖三所示。

圖二 外掛墻板尺寸圖

Fig2. the size chart of external wallboard

(a)外掛墻板平面內(nèi)支座反力

(b)外掛墻板平面外支座反力

圖三 外掛墻板支座反力

 Fig3. the support pressure of facede panels

3.2計(jì)算參數(shù)

尺寸控制對(duì)于全局尺寸進(jìn)行控制，控制單元網(wǎng)格長(zhǎng)度為3，網(wǎng)格總數(shù)量控制在10萬(wàn)左右，對(duì)模型整體進(jìn)行劃分。網(wǎng)格計(jì)算采用顯式分析，八節(jié)點(diǎn)線性分析六面體單元，減縮積分，沙漏控制，單元類型為C3D8R。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用材料為Q355鋼材，彈性模量206000MPa，容重78.5KN/m3，線膨脹系數(shù)1.2x10-5，泊松比0.3，抗彎強(qiáng)度f(wàn)=305N/mm2，端面承壓fce=400N/mm2。

3.3 分析準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則采用鋼材的馮·米塞斯屈服準(zhǔn)則。

流動(dòng)準(zhǔn)則采用塑性流動(dòng)準(zhǔn)則。

硬化準(zhǔn)則采用各項(xiàng)同向硬化準(zhǔn)則。

彈性階段分析：直接通過(guò)查看有限元模型分析的Mises應(yīng)力，通過(guò)與材料的抗壓、抗拉應(yīng)力值進(jìn)行比較，來(lái)判斷材料是否安全。

3.4 荷載加載

模型中設(shè)置兩個(gè)荷載步：第一個(gè)荷載步施加1.0倍支座反力，支座反力大小為Rvnk=-66.11kN，Rhnk=16.73kN，Hnk=1.55kN，考察在正常使用工況下該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、位移情況。第二荷載步逐步施加5.0倍支座反力，大小Rvnk=-330.55kN，Rhnk=83.65kN，Hnk=7.75kN，考察在荷載逐漸增大的情況下位移的變化情況，繪制荷載與位移相關(guān)曲線，分析該模型的極限承載能力。

3.5應(yīng)力情況

應(yīng)力方面上部分角鋼與肋板的最大應(yīng)力為206.7N/mm2，出現(xiàn)的部位位于圓環(huán)邊側(cè)，該位置為與底部墊片焊接的約束位置，應(yīng)力云圖如圖四所示，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為305N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

 圖四  角鋼應(yīng)力云圖

Fig4. stress nephogram of angle iron

下部分鋼墊片與鋼底座采用Q355，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為305N/mm2，具體應(yīng)力云圖如圖五所示。鋼支座應(yīng)力最大應(yīng)力為326.7N/mm2，出現(xiàn)的位置位于荷載偏心側(cè)鋼底座與鋼墊片接觸的角部邊緣位置，此部分應(yīng)力產(chǎn)生是在外部荷載作用下，上部角鋼有向外傾覆的趨勢(shì)，墊片與底座在角部邊緣接觸位置出現(xiàn)的承壓應(yīng)力，局部承壓強(qiáng)度為400N/mm2，均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。鋼墊片在中間孔壁局部承壓，應(yīng)力大小為214.8N/mm2，局部承壓強(qiáng)度為400N/mm2，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)墊片應(yīng)力云圖

(b)底座應(yīng)力云圖

圖五 應(yīng)力云圖

Fig5. stress nephogram

3.6 位移情況

整個(gè)模型最大位移為0.7814mm，位移最大的位置出現(xiàn)在角鋼頂部位置，該位置為未約束的自由端，位移云圖如圖六所示。

圖六 位移云圖

Fig6. displacement  nephogram

   

3.7 荷載-位移曲線

按照5倍初始荷載對(duì)模型施加，其荷載倍數(shù)與位移曲線如下圖七所示,可以看到在3倍荷載整體變形位移較小，最大位移為3.465mm，在仍處于上升段，未進(jìn)入平直段，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)未達(dá)到極限承載力，滿足規(guī)范規(guī)定的承載力要求。在超過(guò)3.0倍荷載以后，整體模型位移發(fā)生較大變化，據(jù)此認(rèn)定該模型在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用的三倍之后已達(dá)到極限承載階段，該模型已經(jīng)失效。

圖七  荷載-位移曲線

Fig7. curves of load-displacement

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析與有限元仿真模擬得到的初步計(jì)算結(jié)果繪制鋼件加工圖紙，聯(lián)系鋼結(jié)構(gòu)加工廠試制了六組承重節(jié)點(diǎn)樣件，分別為墊片在角鋼上側(cè)與墊片在角鋼下側(cè)的樣件各三組，保證實(shí)驗(yàn)樣件承載能力可靠性。同時(shí)聯(lián)系專業(yè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)壓力機(jī)為豎直加壓，與該支座受力模式不符，故將支座傾斜，夾角與荷載的夾角相同，以模擬在實(shí)際工況下真實(shí)受力狀態(tài)與大小，校核有限元分析的真實(shí)性與合理性，輔助校正計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)樣件安裝至試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖八所示。

圖八 實(shí)驗(yàn)樣件及壓力臺(tái)

Fig8. test sample and pressure table

荷載按照每10KN為一個(gè)梯度進(jìn)行加載，逐步加載直至樣件發(fā)生破壞，失去承載能力，記錄承重支座在荷載作用下破壞情況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，6組樣件可承受荷載平均可達(dá)100KN，最大壓力可達(dá)150KN，超過(guò)設(shè)計(jì)荷載，屬于安全范圍。主要破壞出現(xiàn)在鋼棒底座與鋼支座連接部分，鋼棒被拔出，根據(jù)分析，鋼棒與底座焊縫未打坡口，焊縫高度不夠，未達(dá)到理想實(shí)驗(yàn)效果。但角鋼在150KN荷載作用下仍未發(fā)生破壞，鋼棒根部也未有明顯破壞，據(jù)此認(rèn)為承重支座至少可承受2倍荷載而不發(fā)生破壞。試驗(yàn)機(jī)壓力讀數(shù)可見圖a，樣件破壞情況可見圖b。

 

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓力讀數(shù)

       

試件破壞情況

圖九 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

     Fig9. photos of experimental field

五、優(yōu)化效果

相較于原節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、比原節(jié)點(diǎn)節(jié)省用鋼量約30%，在物料價(jià)格日趨升高的今天，讓企業(yè)利潤(rùn)率得到提升，減少能源使用與碳排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。

2、比原節(jié)點(diǎn)更省工時(shí)，安裝便捷，原節(jié)點(diǎn)安裝數(shù)量多，安裝工序復(fù)雜。通過(guò)螺栓進(jìn)行方向進(jìn)出調(diào)節(jié)，部分螺栓孔在預(yù)制墻板過(guò)程中會(huì)有堵塞的情況，現(xiàn)在需對(duì)螺栓孔進(jìn)行清理后再安裝調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3、比原節(jié)點(diǎn)安裝高度更低，原節(jié)點(diǎn)由于體系構(gòu)造的問(wèn)題，高度超過(guò)了300mm，支座容易漏出地面，需要額外進(jìn)行遮擋。改進(jìn)后支座高度控制在180mm以下，靠樓板的厚度即可覆蓋支座，完成面無(wú)需凸出樓面。

4、安全系數(shù)高，改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)可達(dá)2.0，在未達(dá)到2.0倍的極限承載能力之前不會(huì)失效，保證了外墻掛板的安全可靠性。

六、結(jié)語(yǔ)

  本文針對(duì)新研發(fā)的預(yù)制外掛墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，建立空間有限元計(jì)算模型，按照規(guī)范計(jì)算提取支座反力，比起理論計(jì)算模型，可有效地、全面地分析結(jié)構(gòu)受力，判斷節(jié)點(diǎn)的安全可靠性，且計(jì)算結(jié)果可靠，可供廣大技術(shù)人員參考。

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