转载自《建筑结构》《平移式预制混凝土外墙板连接节点的设计方法及力学性能分析》作者：姜瀚、赵雪飞、苗宏恩
［摘要］ 基于实际工程，研究了平移式预制混凝土外墙板连接节点的设计方法。首先，根据建筑的功能需求，提出墙板的板型划分和运动方式选择原则。根据平移式预制混凝土外墙板的移动要求，制定了外墙板与主体结构钢梁的连接结构，然后根据国家现行规定确定。确定预制混凝土外墙板的性能指标，根据外墙板的运动规律，提出不同工况下连接节点的力学模型和性能设计方法。最后给出了具体的工程实例。所提出的设计方法能够实现平移式预制混凝土外墙板小震弹性、连接节点中震弹性、大震不屈服的性能目标，并能保证墙板的安全性能。
[关键词] 平移式预制混凝土外墙板；连接节点；抗震性能
0 简介
预制混凝土外墙板适用于工业与民用建筑的外墙工程。国外广泛应用于公共建筑、住宅建筑、工业建筑的混凝土框架结构和钢结构。近年来，预制混凝土外墙板在国内也得到了一定程度的应用。预制混凝土外墙板能更好地满足建筑外墙装饰、保温、隔热、抗震、围护、防水、防火、隔音、耐久性等各项性能设计要求，将拥有广阔的市场空间和良好的市场前景。未来的应用。前景[1-2]。
外墙板在设计时一般被认为是非结构构件，但墙板本身及其与结构体的连接也应具有良好的抗震性能。否则，地震作用下外墙板的破坏或脱落将造成严重的次生灾害。 。因此，研究预制混凝土外墙板的连接结构及其理论计算方法对于提高其抗震性能具有非常重要的工程应用价值[3-6]。
本文结合具体工程项目，研究平移式预制混凝土外墙板连接节点的设计方法和受力性能，并给出具体工程实例，为类似墙板的设计提供参考。
1 墙板选型及结构
1.1 项目概况
该项目为人才公寓，地下1层，地上29层。层高3。3m，结构高度97。8m，建筑面积22800m2。建筑效果图如图1所示。抗震设防烈度为7度（0。1g）。主体结构为预制钢框架-混凝土剪力墙结构，外围护构件采用预制混凝土外墙板。
1. 2 墙板类型划分原则
外墙挂板根据建筑物外墙的功能定位分为围护板系统和装饰板系统。其中，围护面板系统根据建筑立面特点可分为全室面板系统、水平面板系统、竖向面板系统等。一般整机房板系统适用板宽b≤6. 0m，板高h≤5. 4m；水平板条板系统适用于板宽b≤9. 0m，板高h≤2. 5m；垂直板条板系统适用于板宽b≤2. 5m，板高h≤6. 0m。
本项目综合考虑建筑功能要求、开窗位置、构件运输便利性、受力合理性、制造安装便利性等因素，对墙板进行排列和分割，最终决定采用全室板系统。标准平面图预制混凝土外墙板的拆卸如图2所示；某预制混凝土外墙板尺寸结构如图3所示；三维模型如图4所示。
1. 3 连接方法及运动模式选择
1.3.1 连接方法
外墙板按连接方式可分为点连接和线连接。线路连接要求外墙板通过现浇节段与主体结构部分连接。但在本工程中，外墙板与主体结构钢梁的连接更适合采用点支撑连接。
1.3.2 运动模式
常用的预制混凝土外墙板运动方式可分为平移、旋转和固定。平移和旋转运动图如图5所示。一般情况下，运动模式的选择可以按照表1所示的原则进行。
外墙板运动方式的选择还需要考虑建筑物的功能要求。旋转外墙板主要用于公共建筑。当主体结构受到风荷载或地震作用时，墙板将在平面内旋转，并相对于梁产生旋转位移。墙板和主体结构之间的填充材料可能会松动或破裂。隐患，旋转外墙板在防水、隔音、防烟等要求较高的住宅建筑中很少使用。平移外墙板相对于下层或上层的梁和楼板没有相对位移。墙板与楼板之间的缝隙可以后期用水泥砂浆填充，可以有效解决上下层之间的防水、隔音、防烟问题。 。
本项目为公寓，需要考虑防水、隔音、防烟等问题。最终的选择是平移式预制混凝土外墙板。
1. 4 连接节点结构
基于平移预制混凝土外墙板的运动模式，开发了墙板与主体结构钢梁之间的连接节点结构。上部节点为非承重节点，其连接结构如图6所示。该结构实现了预制混凝土外墙板上节点与主体结构相对位移的效果。预制混凝土外墙板与主体结构钢梁通过槽钢、角钢实现有效连接，避免了主体结构钢梁翼缘开孔削弱钢梁的承载能力。
下部节点为承重节点，连接结构如图7所示。该结构实现了预制混凝土外墙板与钢梁的铰接连接。节点具有承重功能，并能保持与主体结构一致的变形。墙板下端与楼板之间的间隙随后用水泥砂浆填充。
2 设计方法
2.1 性能设计目标
根据《装配式混凝土结构技术规范》（JGJ1-2014）[7]（简称《装配式混凝土结构规范》）和《装配式混凝土建筑技术标准》（GB 51231-2016）的相关规定【 8]：地震频繁 安装时，外墙板不得因塑性变形、板面开裂或零件脱落而损坏由于层间位移。连接节点应具有足够的承载能力和适应主体结构变形的能力；在预期的罕见地震下，墙板本身可能会造成严重损坏，但整个墙板不应脱落或倒塌。
根据装配式结构规范，多地震作用下预制混凝土外墙板的水平地震作用标准值FEhk可采用等侧向力法计算，如式（1）所示：
FEhk = βEαmaxGk (1)
式中：βE为动态放大系数。外墙板在频繁地震作用下的动力放大系数可达5. 0； αmax为水平地震影响系数； Gk为外墙板自重标准值。预制结构规范对墙板连接节点的功能没有影响。
应予以改进，并按式（1）校核墙板及节点承载力。性能级别为小地震弹性。 《装配式混凝土建筑技术标准》（GB 51231-2016）中，提高了墙板连接节点的效果。根据频繁地震效应计算，将效应放大2倍，使连接节点接近中震弹性。要求。
因此，连接节点应比墙板有更高的性能要求。综上所述，墙板采用小震弹力性能指标，连接节点采用中震弹力和大震不屈服性能指标。
2.2 负载条件
预制混凝土外墙板的标准自重值Gk可按下式计算：
Gk = γpV (2)
式中：γp为预制混凝土外墙板的容重； V为预制混凝土外墙板的体积。
预制混凝土外墙板承受垂直于板表面的风荷载。风荷载Fwk标准值可按下式计算：
Fwk = βgzms1mzw0A0 (3)
式中：βgz为高度z处的阵风系数； ms1为风荷载局部体形系数； mz为风压高度变化系数； w0为基本风压； A0为墙板的迎风表面积。
预制混凝土外墙板承受水平和垂直地震作用。根据作用方向的不同，水平地震作用可分为面内作用方向和面外作用方向。多发地震作用下的水平地震作用标准值可按式（1）计算，竖向地震作用标准值FEvk可按式（4）计算：
FEvk = 0. 65FEhk (4)
2.3 动力放大系数和抗震承载力调整系数
小震弹性分析和中震弹性分析时的动力放大系数βE可参照装配式结构规范，取5.0。非结构构件罕见地震作用下的动力放大系数βE值参照现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[9]（2016年版）：地震作用标准值，非结构构件功能系数γ取值，丙类建筑可取1. 0，乙类建筑可取1. 4； 1、非结构构件类别η可取0；状态系数和位置系数与小地震作用下相同，取2.0。因此，验算罕遇地震下外墙板连接节点的承载力时，C级建筑地震作用动力放大系数为4.0，B级建筑地震作用动力放大系数为5.6。本工程外墙板地震作用相关计算参数见表2。
根据装配式建筑规范，对外墙板及连接节点进行承载力验算时，结构重要性系数γ0应不小于1.0，连接节点承载力抗震调整系数γRE应为1.0。
2. 4 通过连接节点简化力学模型
预制混凝土外墙板根据荷载作用方向的不同可分为平面内垂直作用（Z方向）、平面内水平作用（X方向）、平面外水平作用（Y方向）。
2. 4. 1 重力/垂直地震作用
墙板接缝在重力或竖向地震作用下的应力图如图8所示。其中，a、d为非承重节点，b、c为承重节点。非承重节点的螺栓可沿X方向左右滑动。
在自重或竖向地震作用下，承重节点b、c的螺栓仅产生Z方向竖向反力。通过静力分析方法可以得到垂直反力的标准值。节点b的垂直反力Rvb的标准值如式(5)所示，节点c的垂直反力Rvc的标准值如式(6)所示。
Rvb = Nb2 /( b1 + b2) (5)
Rvc = Nb1 /( b1 + b2) (6)
式中：N为重力GK或垂直地震作用FEvk的标准值，可按式（2）、（4）计算； b1为墙板重心到节点b的水平距离； b2是墙板重心到节点c的水平距离。
在垂直墙板平面的Y方向上，承重节点b和c。重力和竖向地震作用引起的节点反力标准值受竖向偏心ey的影响，会产生Y方向的水平反力Hb和Hc，如式（7）和式（8）所示。
Hb = N( ey + e0) b2 /［( b1 + b2) ( h1 + h2) 】 (7)
Hc=N(ey+e0)b1/［(b1+b2)(h1+h2)】(8)
式中：h1为墙板重心到节点b（或节点c）的垂直距离； h2为墙板重心至节点a（或节点d）的垂直距离； e0 是构造误差。
非承重节点a、d的螺栓在重力或竖向地震作用下仅承受Y方向的水平拉力Ha、Hd。计算公式如下：
Ha=N(ey+e0)b2/［(b1+b2)(h1+h2)】(9)
Hd=N(ey+e0)b1/［(b1+b2)(h1+h2)】(10)
2. 4. 2 面内水平地震作用
面内水平地震作用下墙板的应力图如图9所示。
在墙板平面（X方向）水平地震作用下，认为水平作用引起的水平力由其中一根承重节点螺栓承受，反力标准值在演出：
RHb = RHc = FEhk (11)
水平地震作用产生的力矩将在Z方向上对承载节点螺栓b和c产生附加力Rvb和Rvc。计算公式如下：
Rvb = - Rvc = FEhkh1 /( b1 + b2) ( 12)
在竖向墙板Y方向上，水平地震作用引起的节点反力标准值受竖向偏心ey的影响。承重节点螺栓将在竖向墙板平面方向产生反作用力Hb和Hc。计算公式如下：
Hb = Hc = FEhk( ey + e0) ·[h2/[( b1 + b2) ( h1 + h2)] ] ( 13)
非承重节点螺栓a、d在平面水平地震作用下仅承受Y方向拉力Ha、Hd。计算公式如下：
Ha = Hd = FEhk( ey + e0) ·[h1/( b1 + b2) ( h1 + h2) ] ( 14)
式中FEhk为水平地震作用标准值，可按式（1）计算。
2. 4. 3 面外水平地震或风荷载
在垂直墙板平面（Y方向）风荷载和水平地震作用下，外墙板支撑点的反力应按三点支撑板分别计算，并取包络线值确定。为了简单起见，水平力也可以平均分布在三个节点上。受力图如图10所示，各节点受力如式(15)～(18)所示。
水平地震作用下承重节点b、c处螺栓Y方向力Hb、Hc
计算公式如下：
Hb = Hc = FEhk /3 (15)
风载作用下承重节点b、c处螺栓Y方向的力Hb、Hc
计算公式如下：
血红蛋白 = Hc = Fwk /3 (16)
非承重节点a、d处螺栓在水平地震作用下Y方向受力Ha、Hd计算公式如下：
Ha=Hd=FEhk/3 (17) 非承重节点a、d处螺栓在风载作用下沿Y方向的力Ha、Hd计算公式为：
Ha = Hd = Fwk /3 (18)
2.5 荷载组合
预制混凝土外墙板本体主要承受水平地震作用和垂直于墙板平面的风荷载。
控制水平地震作用的基本组合设计值S1按下式计算： S1=1. 3FEhk + 0. 28Fwk (19)
风荷载控制基本组合设计值S2的计算公式如下：
S2 = 1. 4Fwk (20)
垂直于墙板平面的水平荷载基本组合设计值S
取式（19）和式（20）中较大的值，即：
S = 最大值(S1, S2) (21)
各工况下墙板连接节点受力情况如表3所示。
连接节点需要校核小震弹性、中震弹性和大震下不屈服的内力。组合系数如表4所示。
2. 6 非承重节点螺栓孔长度设计
《装配式混凝土建筑技术标准》（GB 51231-2016）要求外墙板与主体结构连接节点的变形能力应不小于主体结构弹性层间位移角的3倍在设防烈度地震作用下的墙板平面内。 。螺栓滑移计算图如图11所示，其中Ly为上下支撑点之间的垂直距离； α为墙板角度； L0是螺栓在孔中可以移动的最大距离。当α较小时，可近似地，L0=αLy。
按《预制混凝土外墙板（一）》（16J110-
2 16G333)[10]要求，螺栓孔长度按图12规定
显示。
根据图集要求，螺栓孔长度L应满足式（22）的要求。
L>2(L0 + d) + D (22)
式中：L0为螺栓滑移量； d为安装允许误差，可取10mm； D为螺栓直径。 3 外墙板设计实例
3.1墙板体承载力计算
本工程外墙板厚度为120mm，部分区域有向外突出30mm的纹理。混凝土强度等级为C40，双向双层钢筋，主径为8@150，单层钢筋率为0.279%。
通过 ABAQUS 软件对墙板进行了分析。混凝土墙板采用三维实体单元模拟，墙体内部钢筋采用三维平面线单元模拟。钢筋定义为 TRUSS 单元，并且 EMBED 连接属性设置为嵌入混凝土中。墙板在上下节点预埋件附近分布有钢筋，上下四个节点为固定约束。考虑风荷载和地震对垂直墙板的影响。荷载组合按式（19）～（21）计算。外墙板混凝土应力如图13所示，外墙板钢筋主应力如图14所示，外墙板变形如图15所示。
从图13、图14可以看出：外墙面板混凝土的拉应力基本小于C40混凝土拉应力设计值1.71MPa，墙体不会开裂；外墙板开口处钢筋主应力较大（近100MPa），其余位置基本小于40MPa，钢筋不屈服。因此，外墙板本体满足小地震弹性的性能要求。从图15可以看出，墙板最大变形发生在墙洞边缘，最大变形值为0。775mm，满足变形极限要求。
3.2 连接节点承载力计算
经计算，承重节点b、c中节点b的内力较大，非承重节点a、d中节点a的内力较大。节点b和节点a的内力计算结果分别如表5和表6所示。
承重节点b螺栓受力情况如图16所示。螺栓直径为30mm，等级为5.6级，B级。承重节点b螺栓承载力计算结果见表7。可见，该螺栓满足中震弹性和大震不屈服的性能目标。
非承重节点a螺栓受力情况如图17所示。拉紧螺栓直径为27mm，等级为4.6级、C级。地脚螺栓为10.9级高强螺栓，直径20毫米。非承重节点a拉结螺栓承载力计算结果如表8所示。
锚杆预拉力设计值为155kN，摩擦面滑移系数为0.45，锚杆抗剪承载力为125.55kN，大地震作用下锚杆剪力V=54.73/2=27.37kN，满足设计要求。可见，拉紧螺栓和锚栓均满足中等地震弹性和大地震不屈服的性能目标。
3.3 非承重节点螺栓孔长度
非承重节点螺栓孔长度必须满足设防烈度地震作用下3倍弹性层间位移角的变形能力。结构在设防烈度地震作用下最大层间位移角为1/311，3次层间位移角为1/104。根据2.6节相关参数，计算出α=1/98钢结构梁计算公式中的γ是，Ly=2320mm，L0=23.67mm。根据公式（22）计算螺栓孔长度L： L>2(L0+d) +D= 2×(23.67+10) +27 = 94.34mm
综上所述，螺栓孔长度为100mm即可满足设计要求。
4 结论
本文结合实际工程研究平移式预制混凝土外墙板的设计方法。分别研究了墙板选型要求、移动方式、连接节点结构选择原则、连接节点简化力学模型、非承重节点螺栓孔长度等。对确定等问题进行了研究，最后给出了具体的工程实例，指导类似工程的设计。通过本文的设计方法，可以实现平移式预制混凝土外墙板小震弹性、连接节点中震弹性、大震不屈服的性能目标，保证墙板的安全性能。
参考
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