0 引言

　　蒸压加气混凝土(autoclaved aerated concrete,AAC)板是一种轻质、高强、保温、防火、隔声、可循环利用的建筑围护墙板产品。近年来国家大力发展钢结构等装配式建筑，该产品已成为装配式钢结构建筑的主流部品。AAC板受成型和蒸养工艺的尺寸限制，其规格宽度为600mm，尺度小，多用于围护系统，工厂化程度低，现场作业工序多，安装效率低。因此，现阶段的装配式AAC板外墙系统尚处于低层次装配式技术阶段，亟待新产品、新工艺、新技术的发展。

　　为提高AAC板围护系统的工业化、集成化、装饰装修一体化技术水平，本文提出一种AAC板组装单元体技术，将多块AAC板采用预应力紧固技术和销连接技术组装成大板，工厂化作业、整体性好、质量可控、效率高。此外，AAC板组装单元体技术与多种饰面技术结合的研发应用，满足了不同气候区、不同建筑类型的性能需求，提供了多种具有工厂化特点的装饰装修一体化单元大板(见图1)成套技术，做到了围护系统部品的集成化、装饰装修一体化、生产工厂化、运输专业化、安装高效化，为实现装配式围护系统发展应用多、快、好、省的总体目标提供技术支撑。本文将围绕AAC板组装单元体的构造方式、作用机理、运动机制及设计方法进行研究。

　　

　　图1 装饰装修一体化单元大板  

　　 

　　1 AAC板组装单元体构造及工作原理

　　1.1 AAC板组装单元体构造

　　AAC板组装单元体是由公称宽度为600mm的成品单板通过板间构造组装而成，利用预应力紧固技术和销连接技术，将成品单板、上下钢板条骨架、对穿通长紧固钢筋、角钢销键、专用黏结砂浆以特定连接工法相连，组成完整的墙面围护体系，分带洞口和不带洞口2种类型。AAC板组装单元体单板间构造和连接工法如图2所示。

　　

　　图2 AAC板组装单元体  

　　 

　　带洞口AAC板组装单元体的工厂化制作顺序为:条板定尺加工→条板制孔→条板拼装→洞口周圈加强边框固定→对穿螺杆紧固→上、下边框钢板条固定→成型立置。无洞口AAC板组装单元体的工厂化制作顺序为:条板定尺加工→条板制孔→条板拼装→对穿螺杆紧固→上、下边框钢板条固定→成型立置。AAC板组装单元体在工厂内完成构件制作，堆放、运输采用专用钢支架立式摆放，合理利用单元体竖向刚度的优势，保护成品构件质量。AAC板组装单元体用于建筑外墙围护系统，通常采用外置式安装方式，层层托挂，安装过程中采用大型起重机实现批量快速安装。

　　1.2 AAC板组装单元体工作机理

　　本文以外置式无洞口的AAC板组装单元体为例。AAC板组装单元体每2块条板上、下各布置1个支座，层间托挂，单元体下部支座承担面内竖向荷载和面外水平荷载，上部支座承担面外水平荷载。组装单元体构造和支座设置采取匀质化原则，多块(3块、5块、7块等)条板组成单元体的构造和机理基本相同，为简化起见，选取3块条板组装的单元体剖析其构造和传力机理，单元体高度取H=3 900mm，其构造和边界条件如图3所示。

　　

　　图3 标准单元构造 

　　 

　　3块条板AAC板组装单元体的作用机理如图4所示。AAC板组装单元体制作的关键环节是组装条板对穿螺杆预紧固处理，构建板缝接触界面的预压态，形成接触界面摩擦力，之后采用钢销固定上、下边框钢板条，锁紧结构单元，形成预压态的“刚性”结构单元体。组装单元体对穿螺杆的紧固力以保证各状态(小震、中震、大震)拼缝界面保持受压为原则。

　　

　　图4 标准单元作用机理 

　　 

　　根据JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》的有关规定，计算外挂墙板的水平地震作用标准值F_Ek时可采用等效侧力法。

　　

　　 

　　式中:F_Ek为施加于外挂墙板重心处的水平地震作用标准值;β_E为动力放大系数，取5.0;α_max为水平地震影响系数最大值，按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)的规定取值;G_k为外挂墙板的重力荷载标准值。

　　因此，8度区罕遇地震下单块条板的摇摆水平地震作用标准值为:

　　

　　 

　　高度3.9m组装单元体共3根预紧螺杆，墙板厚度按200mm计，单根螺杆的最小预紧固力标准值为:

　　

　　 

　　组装单元体墙板间在预紧螺杆的紧固下，墙板之间产生摩擦力，原则上该摩擦力抵抗单块条板的自重，摩擦系数μ取0.3，摩擦力计算如下:

　　

　　 

　　可见，按8度大震确定预紧螺杆的紧固力可满足组装单元体的平衡态需求。

　　1.3 AAC板组装单元体连接节点

　　AAC板组装单元体一般采用点支承方式(见图5)，点支承外挂墙板通过节点区变形使得外墙板具备适应主体结构变形的能力，可消除温度应力，适应主体结构变形的同时而不产生附加内力，消除施工误差，构件及节点受力简单明确。连接节点设计包含节点承载力和节点变形，直接影响外挂墙板的抗震、抗风性能。考虑到外挂墙板与主体结构连接节点在使用过程中很难进行维护和保养，为提高连接节点的耐久性和可靠性，其连接节点所采用的预埋件、节点连接件应采取长效型防腐措施。此外，为实现“强节点弱构件”的性能目标，连接节点设计应满足大震不屈服和2倍风荷载设计值的能力需求。

　　

　　图5 AAC板组装单元体层间连接节点 

　　 

　　AAC板组装单元体采用平板螺栓连接节点，外挂墙板单元体的受力边界情况如图6所示。单元体各连接节点通过一定长度的螺杆与主体结构拉结，竖向荷载依靠点式钢托件支承。外挂墙板与主体结构连接用节点连接件的受力情况汇总:(1)重力作用和竖向地震作用;(2)面内水平地震作用;(3)面外水平风荷载和面外地震作用。在地震作用和风荷载作用下，单元体外墙通过节点螺杆的弹性刚度实现柔性连接。

　　AAC板组装单元体外墙节点变形能力的设计至关重要。单元体外墙的面内、面外刚度较大，在风荷载和地震作用下，若所有节点均固定则单元体外墙将难以避免地对主体结构刚度、承载力产生影响，单元体外墙与连接节点也易于发生破坏。本文为实现单元体安装过程中三向调节的余地，单元体下部连接件设竖向长圆孔，上部连接件设水平长圆孔。在地震作用下，随着地震能量的不断加大，单元体的运动模式逐步由刚体平动转换为带有一定摇摆特性的刚体平动，单元体上部的变形趋势加大，其上部连接件设水平长圆孔与其变形模式吻合，连接节点摇摆摩擦释放能量，从而有效保护单元体构件。

　　

　　图6 外挂AAC板单元体边界模式 

　　 

　　2 AAC板组装单元体数值模拟计算

　　为进一步解析AAC板组装单元体的工作机理，采用有限元分析软件ABAQUS对其进行模拟计算分析，选取1个标准单元进行分析模拟。对穿紧固螺杆对单元体的整体性起着重要作用，在不考虑上、下钢边框的情况下，通过对穿紧固螺杆施加的预压力使板缝始终受压，并提供摩擦力，支承单元体中间1块无支撑墙板的自重。选取2道和3道对穿紧固螺杆进行对比分析，构造如图7所示。

　　

　　图7 对穿紧固螺杆构造示意 

　　 

　　加气混凝土弹性模量取2 300N/mm²，泊松比取0.20。板缝采用接触单元模拟，法向为硬接触，切向为摩擦接触，摩擦系数取0.7。有限元模型如图8所示。

　　采用上、下2道对穿紧固螺杆的组装单元体墙板在预紧力作用下顶部和底部压紧效果明显，但预紧力扩散后墙板中部压紧效果较差(见图9a)，符合上、下端紧固的变形模式。采用上、中、下3道对穿紧固螺杆的组装单元体在预紧力作用下顶部、中部、底部压紧效果明显，预紧力扩散后未压紧的区域较小(见图9b)。

　　

　　图8 有限元模型 

　　 

　　

　　图9 变形分布云图 

　　 

　　选取其中1条板缝进行分析，可看出采用上、下2道对穿紧固螺杆组装单元体板缝压力分布呈两端大、中间小的趋势(见图10a)，中部压力几乎消失。采用上、中、下3道对穿紧固螺杆组装单元体板缝压力分布相对均匀，上、中、下部均有较明显的压力分布(见图10b)，未受压板缝面积较小。

　　

　　图1 0 板缝压力分布云图 

　　 

　　组装单元体通过板缝摩擦力为中间墙板提供支撑，采用上、下2道对穿紧固螺杆组装单元体板缝摩擦力与压力分布相似，呈两端大、中间小的趋势(见图11a)，中部板缝几乎不提供摩擦力。采用上、中、下3道对穿紧固螺杆组装单元体板缝摩擦力分布相对均匀(见图11b)，可提供摩擦力的板缝面积较大。

　　板缝摩擦力随墙板高度的变化曲线如图12所示，可看出2道与3道紧固摩擦力峰值基本持平，但3道紧固组装单元体墙板中部也存在摩擦力，这是因为3道紧固装置使组装单元体预紧力损失更小，板缝压力分布更均匀，从而使板缝摩擦力分布面积更大，虽峰值接近，但3道紧固装置的摩擦力曲线与y轴所围成的面积更大，说明3道紧固装置所提供的摩擦力更大，因此组装单元体选取3道对穿紧固螺栓构造。

　　

　　图1 1 板缝摩擦力分布云图 

　　 

　　

　　图1 2 板缝摩擦力分布曲线 

　　 

　　3 AAC板组装单元体平面框架拟静力推覆试验

　　采用推覆试验考察AAC板组装单元体在低周往复荷载作用下高效节点、板材和拼接缝的破坏形态，分析其滞回性能、承载力的变化规律，检验高效节点的抗震性能。试验装置如图13所示。在钢框架顶端使用MTS系统提供水平荷载，通过动态采集仪实时记录加载过程中的位移数据。试验采用位移控制进行加载，试验设计小震弹性加载等级为1/600,1/500,1/400,1/350,1/300和1/250，中震加载等级为1/200和1/100，大震加载等级为1/75和1/50，加载制度如表1所示。试验后期由于单元体承受荷载较大，加载方式由循环加载转为单调加载。

　　

　　图1 3 试验装置 

　　 

　　试验加载至层间位移角为1/500时，框架东侧填充缝隙的发泡胶与单元体分离，出现上窄下宽的缝隙。连接板长孔槽内用于固定的螺栓已偏离原有位置，如图14所示。层间位移角为1/400～1/250时，随着循环次数的增加，单元体与框架之间的缝隙变宽，长孔槽内的螺栓滑动范围扩大。滑动距离达到长孔槽长度时，单元体滑动达到极限。在此期间单元体板缝未出现裂缝，内、外饰面均未开裂。

　　  

　　表1 加载制度  

　　 

　　 

　　

　　图1 4 螺栓产生滑动 

　　 

　　层间位移角加载至1/100时，上部板角开裂。各板缝均未出现裂缝，各饰面均未发生破坏;层间位移角加载至1/75时，板角开裂位置出现竖向通缝，缝上的外饰面在板缝位置开裂;层间位移角加载至1/50时，板向上抬起，板缝部分填充砂浆脱落。板缝上的饰面开裂并错动，发生破坏。

　　单元体的滞回曲线如图15中虚线所示。通过单元体滞回曲线和框架滞回曲线对比，在低周往复荷载作用下，单元体产生的层间位移小于框架的层间位移，相差约10mm，说明柔性节点能减小单元体的侧向位移，降低单元体的变形和内力。

　　

　　图1 5 单元体滞回曲线  

　　 

　　由表2可看出，框架层间位移角为1/200时，结构承受中震作用;单元体位移角为1/461，相当于小震作用。当框架层间位移角为1/100时，单元体位移角为1/128，单元体达到中震作用，说明柔性节点能减小单元体在小震和中震作用下的侧向变形，降低单元体承受的地震作用。

　　  

　　表2 单元体随动位移  

　　 

　　 

　　

　　4 结语

　　1)本文提出了一种AAC板组装单元体技术，通过预应力紧固技术和销连接构造，将多块AAC条板组装成单元墙体。

　　2)通过对AAC板组装单元体构造的推敲和解析，梳理和总结组装单元体的技术特点与参数，对AAC组装单元体墙体的发展具有一定借鉴意义。

　　3)通过理论研究、数值模拟、试验测试，验证了AAC板组装单元体的整体性，柔性连接节点的可靠性，为其工程应用提供了技术支持。

　　4)探索了AAC板组装单元体围护、装饰一体化技术，单元体板缝、饰面具有良好的适应性，大震时才发生破坏，实现了装配式围护系统保温装饰一体化、单元化、轻量化，推动了装配式建筑围护系统技术进步，具有推广应用价值。