车旭明 熊 锐 郭金龙 张 芳

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；

2.中建海峡建设发展有限公司，福建 福州 350015)

多年来我国的建筑业存在着资源消耗高、施工污染大、施工质量不易控制等问题，同时随着劳动力成本逐渐上升，“民工荒”问题逐年显著.因此建筑工业化成为我国建筑业发展的趋势，建筑工业化是我国建筑业节能减排、结构优化升级的必经之路.大力推广预制装配式混凝土(Precast Concrete，简称PC)建筑，是实现建筑工业化的重要内容. 相比于传统的现浇建筑高能耗、长周期的建造方式，PC建筑具有施工进度快、现场湿作业少、人工需求量低、施工排放量微等诸多优点，符合工业化的特点，并且大大降低了对环境的污染，符合可持续发展的要求.

预制混凝土外挂墙板(PC外挂墙板)是PC建筑重要的组成部分，其位于PC建筑主体外围，起到对建筑内部的围护作用，同时也直接影响建筑立面的质量，其生产工艺、构造技术影响着PC建筑的质量、节能效果和美观程度.已有部分学者对PC外挂墙板的力学性能进行了相关研究.例如：侯和涛等[1-2]对夹心保温PC外挂墙板与钢框架连接节点开展试验研究，试验设计了两系列共七榀单层单跨平面钢框架结构，研究结果显示柱连接在初始抗侧刚度、耗能能力、极限承载力方面要优于梁柱连接.Carradine等[3]对复合PC墙板与框架结构的相互作用开展了试验研究，研究发现复合墙板的平面内刚度对结构整体横向刚度影响十分显著，且连接节点的强度决定了复合墙板的承载力和剪切刚度.Heimbs等[4]通过对蜂窝夹层复合PC墙板的拉拔性能和抗剪性能开展研究，试验研究了分别使用螺栓节点和L型节点的墙板的破坏形态.Todut和Dan[5，6]对PC墙板在受到平面内剪力情况下的力学特性展开研究，发现导致墙板失去承载力的原因是墙板受剪破坏.此外还有许文峰[7]开展了轻钢龙骨PC外挂墙板连接节处的力学性能研究，吴金虎等[8]提出了节点在风荷载、地震荷载以及自重作用下的设计组合的算法、节点各处部件验算时荷载作用点的合理取法以及节点承载力具体验算方法.

但目前已有的这些研究多关注于带夹心层PC外挂墙板的力学性能.我国东南沿海地区气候宜人，墙体保温问题不突出，大部分建筑设计工况下，可除去PC外挂墙板的保温功能，轻质的无夹心PC外挂墙板更具区域性工程应用价值，并且在墙板生产过程中免去了夹心层的制作安装过程，墙板厚度方向不存在拼缝，墙板整体性更强.而目前针对无夹心PC外挂墙板的研究尚不多见，此外东南沿海地区台风天气多发，强风作用下建筑外墙脱落、破损等事故屡见报道.因此，针对无夹心PC外挂墙板进行研究，分析其在强风作用下的变形特征，具有较强的研究意义.

本研究所分析的无夹心PC外挂墙板的尺寸为2 400 mm×1 800 mm，墙板采用轻质混凝土，强度等级C35；
墙板厚度170 mm，内嵌直径12 mm的双层钢筋网，水平筋和竖向筋间距均为200 mm，且墙板四边布有一圈直径8 mm的拉筋；
墙板上、下方分别带有上、下连接件，上、下连接件采用Q235钢结构，上、下连接件分别锚固于上、下层预制梁位置.下节点螺栓采用10.9级M30高强螺栓，上节点锚固钢筋和下节点锚固钢筋均为直径20 mm的三级钢筋，墙板构造如图1所示.

2.1 计算模型与材料参数

本研究采用大型通用有限元程序ABAQUS对所研究的PC外挂墙板进行分析，带新型连接件无夹心PC外挂墙板有限元模型示意图如图2所示.有限元模型采用分离式建模，其中混凝土墙体采用C3D8R实体单元，采用文献[9]提供的混凝土单轴受压、受拉应力-应变关系，使用程序内置的塑性损伤模型(concrete damaged plasticity)，具体参数设置如表1所示.

表1 混凝土材料参数

表中，ρ为密度；
E为弹性模量；
ν为泊松比；
φ为膨胀角；
af为双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度比值；
K为拉伸子午面与压缩子午面上的第二应力不变量的比值；
μ为粘性系数.

钢筋采用T3D2桁架单元，密度为7 800kg/m3，钢筋材料采用理想弹塑性本构模型，屈服强度为400MPa，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3.钢结构连接件采用C3D8R实体单元，密度为7 800kg/m3，钢材采用理想弹塑性本构模型，屈服强度为235MPa，弹性模量210GPa，泊松比为0.3.

2.2 接触形式与边界条件

模型中钢筋和混凝土之间考虑为粘结良好，连接件可靠地锚固在外挂墙板和预制混凝土梁内，彼此之间均无相对滑移，故钢筋和混凝土墙体之间、钢结构连接件和混凝土墙体之间采用内嵌形式.

钢材的焊接区域均采用绑定约束.滑动垫片和上角钢、螺栓与底座、上节点锚固钢筋与滑动垫片以及上节点锚固钢筋与上角钢均采用表面与表面接触，在接触对的切向设置摩擦公式为罚，摩擦系数设为0.2.

约束上、下连接件底部平面所有单元节点的Y方向(墙板平面的竖直方向)、X方向(墙板平面的水平方向)、Z方向(垂直墙板平面方向)的自由度，即Ux=Uy=Uz=θx=θy=θz=0.

根据热传导理论[10]，正交各向异性固体中导热的微分方程为：

(1)

式中，T为物体的瞬时温度，单位℃；
t为热传导过程经历的时间；
lx、ly、lz为材料三个主轴方向的导热系数；
ρ为材料的密度；
C为材料的比热容，qv为材料的内热源强度.对于物体内部没有热源的三向同性材料，则导热微分方程转化为：

(2)

本研究中将无夹心PC外挂墙板视为三向同性材料，采用DC3D8实体单元模拟混凝土及钢结构连接件，采用DC1D2单元模拟钢筋，定义材料热工性能：混凝土的热传递系数为1.355 W/(m2·K)，比热容为1 069.167 J/(kg·K)，钢筋的热传递系数为47.56 W/(m2·K)，比热容为430.57 J/(kg·K)，钢材的热传递系数为47.12 W/(m2·K)，比热容为440.77 J/(kg·K).墙板的初始温度设为20 ℃，加载温度室外38 ℃，室内26 ℃，室内外温差持续作用时间6 h.室内外温差作用下，无夹心PC外挂墙板各时刻温度分布情况如图3所示.

(a)1 h (b)2 h (c)3 h

图3(a)所示为室内外温差作用1 h后墙板的温度分布情况，从中可见，墙板外表层温度29.5 ℃，沿着厚度向室内方向递减，墙板内表层温度约20 ℃.在室内外温差作用2 h后，从图3(b)中可见，墙板外表层温度31.5 ℃，墙板内表层温度21.9 ℃，相比1 h时刻，墙板整体温度上升.

墙板内外表面的温度变化曲线如图4所示，在室内外温差作用初始时刻，墙板整体温度上升幅度较大，曲线斜率较大，而随着作用时间延续，曲线斜率逐渐减缓，墙板整体升温幅度降低.在室内外温差作用6 h后，从图3(f)中可见，墙板外表层温度34.6 ℃，墙板内表层温度25.8 ℃，内外表层各自趋向于室内外温度.

图4 墙板内外表面温度变化

由上述分析可见，墙板在东南沿海地区夏季室内外温差作用下，墙板自身热工性能稳定，温度场分布较为合理，无夹心PC外挂墙板具有较强的气温适用性.

正常使用下，外挂墙板主要受自身重力荷载作用，此外还可能受到一些附加建筑部品、建筑外饰的重力荷载作用，例如外墙的广告牌、宣传标志等.本文在外挂墙板受自重荷载作用基础上，再于墙板平面内竖直向下方向加了等同于外挂墙板自重的附加竖向荷载，分析结果如图5、图6所示.

(a)平面内

从图5(a)可知，在自重及等同于其自重的附加竖向荷载共同作用下，PC外挂墙板在竖直方向上发生一定变形，由于下连接件刚度相对较大，墙板在下连接件位置竖向位移相对较小，沿竖直方向向上竖向位移逐渐累积，在上连接件位置竖向位移最大，最大位移0.07 mm.此外PC外挂墙板整体还呈现一定的平面外弯曲变形，从图5(b)可知，平面外变形最大处近似发生在墙板中部标高的两边缘处，这两片区域受上下连接件约束效应最低，故发生平面外变形最明显，最大平面外位移0.06 mm.由此可见，在常规受荷作用下，带新型连接件的无夹心PC外挂墙板发生微量变形，变形几乎不会影响墙板彼此之间的拼接缝正常工作，也不会导致对拼接缝的拉压破坏.

从图6(a)可知，在自重及等同于其自重的附加竖向荷载共同作用下，墙板自身混凝土处于低应力状态，最大应力仅1.4 MPa.图6(b)所示为上连接件应力分布图，该连接件位于图5(a)所示墙板的右上角处，可见上连接件在锚固钢筋处存在一定的应力集中区域，从图6(c)可见该下连接件在耳板及螺栓处存在一定应力集中区域，钢结构连接件最大应力37.6 MPa.

(a)墙板应力分布

由此可见，在常规受荷作用下，墙板自身混凝土处于低应力状态，竖向荷载主要由上、下连接件承担，连接件钢结构受力合理，未发生破坏或无法继续使用的大变形.带新型连接件的无夹心PC外挂墙板能够承担等同于其自重的附加竖向荷载而几乎不产生变形.

东南沿海地区受季风影响，各地基本风压普遍较大，福州市区基本风压0.7 kPa，厦门市区基本风压0.8 kPa，平潭特区基本风压1.3 kPa，浙江部分地区基本风压更是达到1.8 kPa，在全国范围内均属前列.

根据文献[11]，围护结构受风压wk计算公式：

wk=βgzμslμzw0

(3)

式中，βgz为高度z处的阵风系数；
μsl为风荷载局部体型系数；
μz为风压高度变化系数；
w0为基本风压，单位为kPa.

分析具有密集建筑群的城市市区的情况，地面粗糙度可取为C类，在距离地面100 m的高度，根据文献[11]βgz取为1.69，μz取为1.50；
而对于常规封闭式矩形平面房屋，局部体型系数μsl在迎风面取其最大正值1.0(正压)，在侧面取其最大负值-1.4(负压).则东南沿海典型地区强风荷载作用工况可列于表2，本文对这8种工况进行分析，强风荷载以均布荷载的形式作用在墙板的外表面上，并通过加载方向来定义正负风压.

表2 强风作用工况

由于下节点底座圆孔与螺栓之间存在2 mm的间隙，在各风荷载作用工况下，下连接件螺栓与底座均出现较大的位移错动，从而导致墙板中下部发生较大位移， 下节点变形图如图7所示.

图7 强风作用工况1下节点变形

计算得到各工况风压下墙板最大位移量如表3所示，可见随着风压增大，墙板的位移量逐渐增大，最大为2.095 mm，变形几乎不会影响墙板彼此之间的拼接缝正常工作，也不会导致对拼接缝的拉压破坏.

表3 各工况位移量

分析强风荷载作用下PC外挂墙板应力分布情况，从图8(a)所示的墙板应力分布图可知，墙板整体依然处于低应力状态，最大应力2.1 MPa，且主要发生在墙板上、下连接件锚固处.上连接件最大应力位于锚固钢筋处，最大应力为83.7 MPa，下连接件钢结构则受最大应力104.9 MPa，发生在下节点底座处.

(a)墙板应力分布

由此可见，在强风荷载作用下，下连接件受力较大，但依然满足强度要求，未发生破坏或无法继续使用的大变形.带新型连接件的无夹心PC外挂墙板能够承载东南沿海典型地区的多数高层建筑外墙所受的强风荷载作用，产生的变形也不影响墙板正常使用.

(1)无夹心PC外挂墙板在东南沿海地区夏季室内外温差作用下，墙板自身热工性能稳定，温度场分布较为合理，具有较强的气温适用性.

(2)带新型连接件的无夹心PC外挂墙板能够承担等同于其自重的附加竖向荷载而几乎不产生变形.

(3)带新型连接件的无夹心PC外挂墙板能够承载东南沿海典型地区的多数高层建筑外墙所受的强风荷载作用，产生的变形也不影响墙板正常使用.

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