外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

第49卷

2022年3月

第3期

JournalofHunanUniversity（NaturalSciences）

湖南大学学报（自然科学版）

Vol.49，No.3

Mar.2022

文章编号：1674-2974（2022）03-0133-12DOI：10.16339/b.2022034

外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

李锋

1

，姬淑艳

2†

，姜宝龙

1

，冯力强

3

，牛昌林

4

，陈鸷坤

3.甘肃省建设投资（控股）集团有限公司，甘肃兰州730000；

2.重庆大学建筑管理与房地产学院，重庆400045；

（1.重庆大学土木工程学院，重庆400045；

5

4.甘肃建投科技研发有限公司，甘肃兰州730000；5.华润置地（重庆）有限公司，重庆400050）

摘要：对外挂式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1/250rad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

StudyonMechanicalBehaviorofSteelFramewith

ALCWallPanelsandItsConnections

LIFeng

1

，JIShuyan

2†

，JIANGBaolong

1

，FengLiqiang

3

，NIUChanglin

4

，ChenZhikun

5

ofConstructionManagementandRealEstate，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；

onstructionInvestmentTechnologyResearchCo，Ltd，Lanzhou730000，China；

esourcesLandLimited，Chongqing400050，China）

onstructionInvestment（Holdings）GroupCo，Ltd，Lanzhou730000，China；

（ofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；

oftheinsufficiencyoftheaboveconnections,the

∗

收稿日期：2021-03-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51638002），NationalNaturalScienceFoundationofChina（51638002）；住房和城乡建设部研究开

发项目（2018-K9-072），MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentResearchProject（2018-K9-072）

作者简介：李锋（1994—），男，江苏盐城人，重庆大学博士研究生

†

通信联系人，E-mail：****************.cn

Abstract：Quasi-staticexperimentswereconductedtostudythefailuremodeandbearingmechanismofexter⁃

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湖南大学学报（自然科学版）2022年

seismicdetailmeasuresofplacingthedensifiedsteelmesharoundtheinternalconnectionsinALCwallpanelswere

proposed,spurpose,wallpanelswithandwith⁃

outanopeningandthepanelreinforcedwithsteelmeshweredesigned,andlow-cycleloadingtestswereconducted

ults

showedthatopeningsweretheweakcomponentsofALCpanelsanddestroyedfirstly,butthesizeofopeningshas

storydriftratiowaslessthan1/250rad,therewereverticalcracksonfillingmaterialsbetweenALCpanelsandtiny

graduallycompressedandcrushed,sothepanelswerelesslikelytoadapttothedeformationofmainstructureswith

littleeffectonsteelframe’specimenswithtraditionalhookblotconnections,whenthe

horizontalcracksaroundblotconnections,e

storydriftratioreached1/75rad，thecracksaroundconnectionsdevelopobliquely,andthesurroundingconcretewas

r,thismeasureforthespecimensembedded

els,andcaneffectivelydelaythecrackdisplacementofpanels,satisfytheneedsofrelativelylargestructurallateral

deformationandsatisfiedtherequirementforseismicresistanceofnon-structurecomponentsincodes.

Keywords：steelframes；ALCwallpanels；seismicperformance；connections；lateraldeformation

withreinforcingsteelmeshinthepanelwaseffectiveandreasonable,whichprovideenoughforcesupportforthepan⁃

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

围护体系展开了研究，文献［2-8］研究表明，内嵌式

相关研究的滞后制约其应用和推广

［1］

.不少学者对

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》

［16］

（03SG715-1）规定：钩头螺栓节点仅适用于层间

［17］

板材构造》（13J104）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.

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1/120rad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、

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135

1.2外挂ALC墙板竖装及节点加密钢筋网

1试验方案

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2950mm×5040mm，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.

表1试件信息

Tab.1Specimeninformation

试件编号

S1

S2

S3

S4

400

1

0

0

0

2

开窗尺寸（/mm×mm）

—

1800×1000

—

1800×1000

节点加强

—

—

加密钢筋网

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/m

3

，抗压强度为

5.0MPa，干燥收缩值为0.50mm/m，导热系数为0.16

高度为2990mm.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.

钢梁

角钢

63×6

W/（m·k），截面尺寸宽度和厚度为600mm×150mm，

M12钩头螺栓

@600

M12钩头螺栓

窗洞

窗洞

洞口加强角钢

洞口加强角钢

M12钩头螺栓

M12钩头螺栓

@600

角钢

63×6

钢地梁

1-1

（a）1-1剖面

M12钩头螺栓

窗洞

窗洞

5535

400

4640

1

H350×180×8×10

窗洞

2

600

400×400×14

3

3

5

0

2

9

5

0

4

0

3

6

0

1800

钩头螺栓节点

1

5040

洞口加强角钢

2-2

（b）2-2剖面

ALC墙板

M27高强螺栓

图2钩头螺栓连接构造

Fig.2Hookboltconnections

图1试件尺寸详图（单位：mm）

Fig.1Detailsofspecimens（unit：mm）

表2钢材材性试验

Tab.2Testresultsofsteelmaterials

板厚

t/mm

10

14

8

弹性模量

E/（×10

5

N·mm

2

）

2.05

2.05

2.03

屈服强度

f

y

/MPa

360

362

354

极限强度

f

u

/MPa

477

472

467

图3钩头螺栓

Fig.3Hookbolt

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湖南大学学报（自然科学版）2022年

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

ALC墙板选择TU板或企口形板，断面图见图4，

WYJ-3

H350×350×8×14

RB-1

LB-1

LB-2RB-2

RB-3

LB-3

液压千斤顶

（LC-4）

LC-2

LC-1LC-3

400×400×14

（RC-4）

RC-2

RC-3

RC-1

WYJ-2

WYJ-1

反力墙

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.

纵向受力钢筋

1

5

0

横向受力钢筋

600

图6位移计和应变片布置

Fig.6Layoutofdisplacementsensorsandstraingauges

液压千斤顶

ALC条板

⑨⑧⑦⑥⑤④③②①

钢地梁

（a）不开窗洞试件

⑥⑤④

⑨⑧⑦

③②①

图4ALC墙板断面（单位：mm）

Fig.4SectionofALCpanels（unit：mm）

钢筋网片

1

5

×

5

=

7

5

螺栓杆

⑥⑤④

15×5=75

（b）开窗洞试件

图5加密钢筋网构造（单位：mm）

Fig.5Sizeofthereinforcingsteelmesh（unit：mm）

图7试件安装及编号

Fig.7Specimensinstallationandsequence

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200t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，水平方向施加反复荷载1次，层间位

移角取值1/750rad.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1/500rad，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、

1/50rad，这五级荷载（除1/50rad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1/50rad.

0.06

位

移

Δ

/

m

m

0.04

0.02

0

-0.02

-0.04

-0.06

024681012

循环圈数n

图8加载制度

Fig.8Loadingsystem

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层间位移角增加到1/500rad时，窗洞四角的裂缝竖

2试验现象

2.1试件S1

当层间位移角达到1/500rad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1/250rad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1/150rad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1/100rad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1/75rad）.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.

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1/250rad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.

（a）洞口螺栓孔裂缝（b）洞口角钢螺栓焊接可靠

（a）墙板砂浆裂纹（b）螺栓孔微小裂缝

（c）墙板螺栓孔混凝土脱落（d）整体最终破坏状态

图10试件S2破坏形态

Fig.10FinaldamagestateofspecimenS2

2.3试件S3和S4

（c）螺栓孔裂缝发展（d）钩头螺栓焊接可靠

1/250rad时，墙板底部的螺栓连接节点出现裂缝；层

通过试件S1和S2的试验发现：层间位移角达到

间位移角达到1/75rad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

锯齿状

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

（e）墙板锯齿形竖向错动

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.

rad增加到1/500rad时，4号板、5号板、8号板和9号

试件S3试验现象如下：当层间位移角从1/1000

图9试件S1破坏形态

Fig.9FinaldamagestateofspecimenS1

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

号上下两块分板之间，出现了约2mm宽的裂缝.当

rad，3号整板与4号上下两块分板以及7号整板与6

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

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138

湖南大学学报（自然科学版）2022年

微小错动滑移，当层间位移角达到1/150rad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1/100rad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1/50rad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.

（d）S4整体破坏

图12试件S4破坏形态

Fig.12FinaldamagestateofspecimenS4

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1/150~1/75rad，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1/250rad增大到1/100rad，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1/75rad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/T21086—

［22］

2007）

规定建筑幕墙抗震设计时，平面内变形能力

（a）8号板下部裂缝（b）S3整体破坏

图11试件S3破坏形态

Fig.11FinaldamagestateofspecimenS3

1/1000rad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1/250rad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1/150rad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1/75rad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.

试件S4试验现象如下：当层间位移角加至

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1/100rad时，墙

板不应出现破坏.《建筑抗震设计规范》（GB20011—

［23］

2010）

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

构构件出现1.4倍以上设计挠度（约1/150rad）的变

损坏而不影响使用功能和防火能力，可经受相连结

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1/107rad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

（a）3、4号墙板之间裂缝（b）窗洞斜裂缝

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

（c）上部螺栓正常工作

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第3期李锋等：外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

139

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.

形，加载初始阶段，滞回曲线均接近直线，滞回环包

形较小.随着位移增大，包络线的面积开始增加，曲

1）4个试件的滞回曲线相似，形状均为S形或Z

围的面积小，因为各构件基本处于弹性阶段，残余变

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

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：

600

400

荷

载

P

/

k

N

200

0

-200

-400

-600

-60-40-200204060

S1

S2

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

S3的地梁发生滑移，对荷载的数值影响较大，后续分

曲线，可以发现：

图14是试件S1、S2和S4的骨架曲线，由于试件

位移Δ/mm

600

400

荷

载

P

/

k

N

200

0

-200

-400

-600

-60

（a）试件S1和S2

S3

S4

析不采用试件S3的数据，图15是对应的刚度退化

-40-200204060

600

400

荷

载

P

/

k

N

200

0

-200

-400

-600

-60-40-200204060

位移Δ/mm

S1

S2

S4

600

400

荷

载

P

/

k

N

200

0

-200

-400

-600

-60

（b）试件S3和S4

S2

S4

位移Δ/mm

-40-200204060

图14骨架曲线

Fig.14Skeletoncurves

位移Δ/mm

（c）试件S2和S4

图13荷载-位移曲线

Fig.13Load-displacementhystereticloops

字钢梁、钢柱等构件处在弹性阶段，荷载增长较快；

1）3个试件骨架曲线特点很相似.加载初期，工

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140

湖南大学学报（自然科学版）2022年

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1/50rad（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.

22

刚

度

K

（

/

k

N

·

m

m

-

1

）

20

18

16

14

12

10

8

S1

S2

S4

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

01020

位移Δ/mm

30405060

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Medialaxis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

图15刚度退化曲线

Fig.15Rigiditydegradationcurves

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1/75rad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E

dc

指标来评价.图16

0.7

0.6

耗

散

系

数

E

d

c

0.5

0.4

0.3

0.2

0

S1

S2

S4

2）试件S1和S2的骨架曲线几乎重合，刚度的大

提供的混凝土CDP损伤塑性模型，通过损伤因子d

t

参数的确定参考文献［24］，ALC墙板材应力-应变曲

和d

c

来表征轻质混凝土的刚度退化和非弹性行为，

线参考文献［25］，材料峰值抗压强度σ

t

取3.6MPa，

峰值抗压强度σ

c

取0.44MPa，弹性模量E

c

为1.658×

10

3

MPa，ALC墙板密度为625kg/m

3

.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.

是试件S1、S2和S4的能量耗散系数曲线，可以看出，

300MPa，弹性模量E

1

取2.1×10

5

MPa，角钢及钩头螺

栓均采用Q235B级钢材，屈服点为235MPa，弹性模

ALC墙板内配筋采用HPB300钢筋，屈服强度为

量E

2

取2.1×10

5

MPa，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

屈服准则，钢材应力-应变曲线见图18.

的本构关系按照表2，泊松比为0.3，采用VonMises

位移Δ/mm

图16能量耗散系数曲线

Fig.16Energydissipationcoefficientcurves

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第3期

σ

σ

t

（1-d

c

）（1-d

t

）E

0

（1-d

c

）E

0

李锋等：外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

上部角钢

H型钢梁

钩头螺栓

141

水平荷载

ALC条板

E

0

（1-d

t

）E

0

ε

E

0

σ

c

下部角钢

钩头螺栓

箱型钢柱

洞口

角钢

图19试件S4有限元模型

Fig.19FiniteelementmodelofSpecimenS4

图17ALC板损伤塑性模型应力-应变曲线

Fig.17Stress-straincurveofALCconcrete

damageplasticitymode

横向、

纵向钢筋

加强钢筋网

σ

f

u

f

y

钩头螺栓

下部角钢

ALC条板

放大

图20试件S4单片墙板有限元模型

Oε

y

ε

u

ε

Fig.20FiniteelementmodelofspecimenS4wallpanel

图18钢材应力-应变曲线

Fig.18Stress-straincurveofsteel

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）

的骨架曲线可以发现，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.

800

S2模拟曲线

600

纯框架模拟曲线

400

200

0

-200

-400

-600

-800

-60-40-200204060

位移Δ/mm

（a）试件S2

S2试验曲线

4.3边界条件

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U

x

≠0，U

y

=U

z

=θ

x

=θ

y

=θ

z

=0.横、竖钢筋网

入到墙板内，不考虑钢筋和混凝土之间滑移.

自由度进行约束，即U

z

=0，以此考虑侧向约束，试验

钢梁和钢柱之间采用Tie模拟焊接，对钢梁面外

以及局部加强钢筋使用“EmbeddedRegion”，直接嵌

钩头螺栓与螺栓孔接触，法向设置“HardCon⁃

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

荷

载

P

/

k

N

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“HardContact”，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，

800

S4模拟曲线

纯框架模拟曲线

600

400

200

0

-200

-400

-600

-800

-60-40-200204060

位移Δ/mm

（b）试件S4

S4试验曲线

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.

图21试件S2和S4的试验与模拟结果比较

Fig.21ComparisonofS2andS4testandFEMskeletoncurves

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荷

载

P

/

k

N

142

湖南大学学报（自然科学版）

S，Min，Principal

（Avg：75%）

+1.368e-03

-2.987e-01

-5.989e-01

-8.990e-01

-1.199e+00

-1.499e+00

-1.799e+00

-2.099e+00

-2.400e+00

-2.700e+00

-3.000e+00

-3.300e+00

-3.600e+00

-5.664e+00

2022年

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1/100rad，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1/75rad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.

S，Max，Principal

（Avg：75%）

+4.433e-01

+4.300e-01

+3.942e-01

+3.583e-01

+3.225e-01

+2.867e-01

+2.508e-01

+2.150e-01

+1.792e-01

+1.433e-01

+1.075e-01

+7.167e-02

+3.583e-02

+0.000e+00

-1.134e+00

主压应力区

主压应力区

（c）主压应力云图

图23层间位移角1/75rad试件S4墙板螺栓孔破坏

Fig.23PanelholesofS4atstorydriftratio1/75rad

5.2应力分析

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1/1000rad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

对有限元模型计算结果进行整理，得到试件

（a）墙板主拉应力

S，Min，Principal

（Avg：75%）

+8.924e-02

+0.000e+00

-3.000e-01

-6.000e-01

-9.000e-01

-1.200e+00

-1.500e+00

-1.800e+00

-2.100e+00

-2.400e+00

-2.700e+00

-3.000e+00

-3.300e+00

-3.600e+00

-9.662e+00

的整体性能.图24（c）当层间位移角达到1/800rad，

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1/125rad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

主

拉

应

力

σ

c

/

M

P

a

0.4

0.3

0.2

0.1

0

00.0100.020

主

压

应

力

σ

c

/

M

P

a

0.5

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

00.0100.020

（b）墙板主压应力

图22层间位移角1/100rad试件S4墙板应力

Fig.22PanelstressofS4atstorydriftratio1/100rad

层间位移角θ/rad

（a）墙板拉应力

层间位移角θ/rad

（b）墙板压应力

加墙钢筋网

横、纵向钢筋

500

应

力

f

/

M

P

a

400

300

200

100

0

0

钩头螺栓

钢框架

（a）试验螺栓孔裂缝

S，Max，Principal

（Avg：75%）

+4.262e-01

+4.150e-01

+3.804e-01

+3.458e-01

+3.113e-01

+2.767e-01

+2.421e-01

+2.075e-01

+1.729e-01

+1.383e-01

+1.038e-01

+6.917e-02

+3.458e-02

+0.000e+00

-3.303e-01

主拉应力区

主拉应力区

层间位移角θ/rad

0.0100.020

350

300

250

200

150

100

50

0

0

应

力

f

/

M

P

a

层间位移角θ/rad

0.0100.020

（c）钩头螺栓和钢框架（d）加强钢筋网片和横、纵钢筋

图24各部件最大应力-位移曲线

（b）主拉应力云图

Fig.24Maximumstress-displacement

curveofeachcomponent

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第3期李锋等：外挂ALC墙板-钢框架及连接节点受力性能研究

143

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1/152rad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，δ

1

为S4钢框架加载点侧向变形，δ

2

为同一

高度外挂墙板侧向变形，δ为两者之差，即δ=δ

1

-δ

2

，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.

2.0

1.5

相

对

位

移

δ

/

m

m

1.0

0.5

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-0.02-0.0100.010.02

0

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1/1000~1/500rad

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1/300~1/250rad，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1/75~1/50rad，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

4）连接节点到墙板底边或顶边的距离对节点的

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.

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.

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Fig.25Relativedeformationofframeandpanels

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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

2）墙板图集中的钩头螺栓工法适用于多层或底

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.

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144

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