蒸压轻质加气混凝土 (ALC) 外墙板是一种轻质、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，该产品已经成为装配式钢结构建筑的主流部品。

　　 长期以来，ALC外墙板在物流类、仓储类公共建筑中应用普遍，常采用勾头螺栓连接节点，该节点施工方便、造价低，但是存在开孔易损伤板材的缺点，主要应用于多层建筑外墙。日本是地震多发国家，在减震方面，外墙板内置钢管锚节点的摇摆工法在日本应用比较广泛，相关试验研究较为系统^[1]，但其加工制作和安装工艺比较复杂，对施工人员要求较高。为推广ALC外墙板在高层钢结构建筑外墙中的广泛应用，本文提出一种预埋件式减震摇摆节点，其容差性好，便于安装和调节，抗震、抗风性能优异。

　　 高层钢结构建筑外墙围护系统对外墙板及其连接节点提出了更高的性能要求:外墙板应具有足够的刚度和强度，以及适应主体结构变形的能力。ALC外墙板常用规格为宽度600mm，高度及厚度根据需要确定。用于高层钢结构建筑外墙的ALC外墙板采用上下各一个连接节点的安装方式 (图1) ，墙板与主体结构之间和墙板之间设置柔性缝^[2]，在地震或风荷载作用下，主体结构发生侧向变形，ALC外墙板随着层间变形发生转动并随动变形，避免主体结构、围护结构之间的碰撞损伤。

　　 ALC外墙板是经高温、高压下养护制成的内置双层钢筋网 (图2) 的多孔状轻质加气混凝土制品。基于该制品的成型工艺，为提高其连接节点的承载力，本文提出一种预埋件式减震摇摆节点 (图3 (a) ) 。该连接节点采用预埋件锚筋与ALC外墙板钢筋网绑扎锚固，预埋板内置长圆孔滑动槽，与墙板一并蒸压养护成型，实现预留预埋并形成有效锚固。安装时采用高强螺栓紧固实现连接，具体构造见图3 (b) 。连接节点现场安装双向可调整，容差性好，安装便捷。相比于勾头螺栓连接节点，该连接节点无需现场开孔、焊接，避免了损伤板材，属于柔性连接节点。

　　 遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念^[2]，外墙板在多遇地震作用下应正常使用;在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用;在预估的罕遇地震作用下外挂墙板不应整体脱落。在正常使用状态下，ALC外墙板应具有良好的工作性能，即多遇地震和风荷载作用下，外墙板系统不宜出现可见裂缝。本文提出的预埋件式减震摇摆节点，通过控制可滑动螺栓的预紧力，控制连接节点在多遇地震作用下锁紧、设防地震作用下滑动变形、罕遇地震作用下约束限位，即通过改变节点的受力模式实现外墙板系统三阶段的性能设计，ALC外墙板三阶段的受力模式见图4。

　　 高效连接节点的主要目的在于保证连接可靠安全的前提下，可以通过调整节点的受力模式来适应墙板的性能目标。该墙板的性能目标为“小震不裂、中震无损、大震不掉”，因此，对该高效连接节点的要求为保证多遇地震作用下连接点固定，设防地震作用下节点滑移，释放有害变形，罕遇地震作用下节点不破坏。

　　 该节点可以视为由摩擦型高强螺栓紧固的两块连接板组成，螺栓孔为长圆孔，可滑动位移为±20mm。工作原理为多遇地震作用下内力不超过摩擦力，保持弹性;设防地震作用下内力突破摩擦力，开始滑移;罕遇地震作用下螺栓与长圆孔边接触，限制位移，防止脱落。

　　 按典型外墙尺寸进行试算，一条规格3 000mm×600mm×200mm的B05级ALC外墙板，两端各由一个节点连接，一个节点的地震作用^[3]可由式 (1) 进行计算:

　　 式中:F为非结构构件地震作用;γ为非结构构件功能系数;η为非结构构件类别系数;ξ₁为状态系数;ξ₂为位置系数;α_max为水平地震作用影响系数最大值;G_k为外挂墙板的重力荷载标准值。

　　 单个节点在8度区高层建筑 (丙类建筑) 中承担的地震作用产生的节点作用力见表1。

　　 按照《钢结构设计标准》 (GB 50017—2017) ，高强螺栓摩擦型连接承载力可按下式进行计算:

　　 式中:N_v^b为螺栓受剪承载力设计值;k为孔型系数，内力与槽孔长向平行时取0.6;n_f为传力摩擦面数目;μ为抗滑移系数;P为螺栓预拉力设计值。

　　 为了使该连接节点受力超过多遇地震作用时的节点受力，节点可以开始滑动，可以通过调节螺栓预拉力P，来实现节点摩擦抗剪承载力与多遇地震作用下节点力的匹配。通过计算，本案例中螺栓预紧力可以按4.5kN施加。

　　 采用通用有限元软件ABAQUS对节点进行模拟，钢板采用实体建模，传力摩擦面通过非线性弹簧连接。多遇地震作用下螺栓位于长圆孔中部，未发生滑移 (图5 (a) ) ，罕遇地震作用下螺栓滑动至长圆孔边缘，限值位移 (图5 (b) ) 。

　　 通过对节点施加逐渐增大的周期性往复荷载，可以得到该节点的骨架曲线，如图6所示。当节点力在0.7 kN以下时，节点基本保持弹性，仅产生极微小的变形，保证多遇地震作用下节点不滑动，节点处于弹性状态;当节点力超过0.7 kN后，节点刚度急剧降低，开始滑动释放位移，保证设防地震作用下墙板可以随着主体结构变形;当位移达到长圆孔极限后，节点锁定，保证罕遇地震作用下节点不会滑脱，墙板不会脱落。

　　 图6 节点骨架曲线

　　 罕遇地震作用下，螺栓滑动至长圆孔边缘，与长圆孔接触，卡紧限位。节点的等效应力如图7 (a) 所示，螺栓孔与螺栓接触点存在均布应力集中 (图7 (b) , (c) ) ，但节点绝大部分均处于100MPa以下的低应力状态;节点的变形如图8所示，螺栓端部位移约为0.1mm，节点板变形约0.09mm。由分析可见，罕遇地震作用下节点处于弹性状态，变形极小，具有足够的承载力，可以保证节点罕遇地震作用下不发生破坏。

　　 实际工程中，预埋件式减震摇摆节点采用后置式螺栓旋入预埋件平板中部预留孔槽与主体结构连接。为试验方便，采用L形螺杆代替后置式螺栓，L形螺杆与预埋件平板焊接，预埋件预置于尺寸为1 000mm×600mm×300mm加气混凝土构件内，勾住上下两层钢筋网。板底中间部位布置一个位移计，用来测量加气混凝土墙板的跨中位移。为了模拟风荷载作用，对预埋件节点施加平面外拉力，测试其承载能力，试验构件见图9。

　　 试验采用两种不同配筋的蒸压加气混凝土墙板试件，内置预埋件，预埋件端板厚为10mm，钢材等级为Q235B，锚筋勾住上下两层钢筋网。试验采用试件组A, B, C，试件组A有4个试件 (A-1, A-2, A-3, A-4) ，试件组B有2个试件 (B-1, B-2) ，试件组C有3个试件 (C-1, C-2, C-3) ，共计9个试件。3组试件的锚筋规格 (即直径) 均为12mm，试件组A, B的L形螺杆有效直径为12.56mm，试件组C的L形螺杆有效直径为10.56mm。依据试验数据，绘制出各试件组的荷载-位移曲线，见图10。试件组A板材的配筋为75，试件组B, C板材的配筋为56.5。试件组A板材的配筋率比试件组B板材的配筋率低，纵筋直径相对较小。对比图10 (a) , (b) 可知，在试件板材出现裂缝之前，试件组A与试件组B具有几乎相同的弹性阶段，但试件A-1, A-2比试件组B表现出更好的弹性。这是由于75的配筋形式较56.5密，对加气混凝土形成了较好的约束，整体性好，试件A-1, A-2比试件B-1, B-2表现出更高的承载力。

　　 由图10 (b) 曲线可知，试件组B, C在试验时所使用的L形螺杆平均直径分别为12.56, 10.56mm，试件B-1, B-2比试件C-1, C-2, C-3表现出更高的承载力。从图可知，加载至10mm之前，试件组C的位移较试件组B的位移增长较快，因直径为10.56mm的螺杆在加载过程中变形速度较直径为12.56mm的快，故试件组C曲线弹性段的斜率较小。加载至10mm之后，试件组C的L形螺杆屈服，曲线接近钢筋的本构曲线，有明显的屈服段与强化段，板材出现以L形螺杆长支为圆心的环形裂纹，L形螺杆屈服后，裂纹不再开展。试件破坏照片见图11。试件组B在达到L形螺杆屈服应力之前板材就出现不同程度的破坏，曲线后期趋于平缓。

　　 图1 0 试件组荷载-位移曲线

　　 试件组B为实际工程代表样本，试件组A、试件组C用作对比样本，试件组B的面外抗拉承载力极限值为25kN，其面外抗拉承载力标准值可取10kN。试件组B对应的连接节点，由其荷载-位移曲线看，具有较好的延性，性能稳定，可以满足工程应用。

　　 共进行了4组推覆试验，考察ALC外墙板在低周往复荷载作用下其预埋件式减震摇摆节点、板材和拼接缝的破坏形态，分析其滞回性能、承载能力的变化规律，检验预埋件式减震摇摆节点的抗震性能。推覆装置见图12，分别以层间位移角限值1/500, 1/250, 1/100, 1/50作为控制位移加载，每一级加载循环3次。4组试验的4个试件分别为S1, S2, F1, F2，得到的荷载-位移滞回曲线如图13所示。

　　 采用预埋件式减震摇摆节点的蒸压加气混凝土板材，在弹性层间位移角达到1/250之前，各个试件的滞回性能表现相近，均处于弹性阶段，板材未产生破坏。

　　 墙板接缝采用聚氨酯泡沫胶的试件S1和试件S2，在层间位移角为1/100时，出现蒸压加气混凝土板材角部磨损微裂、荷载下降现象，但预埋件节点周围混凝土完好。

　　 墙板接缝采用普通砂浆的试件F2，在层间位移角为1/500时，拼接缝砂浆出现裂缝，因此刚度较小。墙板接缝采用专用砂浆的试件F1，砂浆刚度较大，加载前期出现墙板整体平移，节点平移量耗尽后，随着荷载继续上升，在层间位移角为1/100时，蒸压加气混凝土板材接缝出现裂缝、板材角部开裂、预埋件节点周围混凝土开裂现象。当层间位移角达到1/50时，试件F1的预埋件节点螺杆断裂，而试件S1, S2的预埋件式减震摇摆节点滑移释放变形，节点完好。采用预埋件式减震摇摆节点的蒸压加气混凝土墙板最终破坏主要集中在板材的接缝、板材角部和连接节点周围。

　　 由试验可知，墙板接缝采用柔性做法时，墙板形成了摇摆运动，节点可以通过滑移释放有害变形，有效地保护了墙板和节点的完整。墙板接缝采用刚性做法时，墙板形成整体刚度，随着推覆力增加，内力转移至节点，极限情况下节点破坏。因此，墙板设计应采取预埋件式减震摇摆节点与柔性接缝做法相结合的处理方式，形成运动耗能机制，避免损伤。

　　 为进一步验证墙板预埋件式减震摇摆节点在实际地震下的性能，制作了两层足尺钢框架 (外挂墙板、内嵌墙板) 模拟实际建筑，如图14所示。振动台试验中的ALC墙板采用了预埋件式减震摇摆节点，主要考察地震作用下板材和节点的动力特性、破坏模式，以及墙板对主体结构的动力特性影响。试验使用2条天然波 (El Centro波和Taft波) 和1条人工波，进行70gal, 200gal, 400gal等多种工况的振动台试验。

　　 为了比较各种试验工况下的动力性能，表2列出了空框架和安装ALC墙板后框架的一阶频率和阻尼比，表3列出了外挂墙板框架和内嵌墙板框架在各工况下的频率和阻尼比。

　　 从表2中可以看到，安装ALC墙板后框架结构初始频率比空框架的频率要高，空框架的一阶频率为2Hz，外挂墙板框架一阶频率为2.5Hz，内嵌墙板框架一阶频率为2.75Hz。表明在初始阶段，ALC墙板的存在对主结构的刚度有一定的影响^[4]，其中内嵌墙板的影响更大，这主要与内嵌墙板的安装方式有关。

　　 从表3中可以看出，多遇地震作用下框架模型的周期没有变化，设防地震作用下框架模型的周期变长，说明预埋件式减震摇摆节点实现了多遇地震作用下紧固，设防地震作用下释放位移的性能要求。此外，框架模型经过多遇、设防、罕遇三级地震后，结构周期逐渐变长，说明随着墙板的拼缝逐渐开裂，墙板对结构的刚度贡献逐渐减小。

　　 各级地震作用下框架模型层间位移角如表4所示，从表4中可以看到，8度多遇地震作用下，外挂墙板框架1层的最大层间位移角为1/273, 2层的最大层间位移角为1/388;内嵌墙板框架1层的最大层间位移角为1/284, 2层的最大层间位移角为1/358;此时无论是外挂墙板框架还是内嵌墙板框架均未发现裂缝。

　　 8度设防地震作用下，外挂墙板框架1层的最大层间位移角为1/66, 2层的最大层间位移角为1/91;内嵌墙板框架1层的最大层间位移角为1/82, 2层的最大层间位移角为1/106;此时加气混凝土墙板1层和2层均已在窗洞边缘的墙板拼缝处产生垂直裂缝，其他部位完好。

　　 8度罕遇地震作用下，外挂墙板框架1层的最大层间位移角为1/44, 2层的最大层间位移角为1/57;内嵌墙板框架1层的最大层间位移角为1/39, 2层的最大层间位移角为1/64;此时ALC墙板窗洞处的上下角边缘处均出现明显的沿板拼缝的垂直裂缝，在墙板与钢柱连接部位出现明显的裂缝。

　　 多遇地震作用下，螺栓未发生滑动，螺栓保持在节点板中部 (图15 (a) ) 。设防地震作用下，节点剪力超过摩擦力，节点开始滑动，在地震往复作用下，螺栓在水平长圆孔内左右滑动 (图15 (b) ) 。罕遇地震作用下，节点滑移量增大，螺栓与孔壁接触，限制螺栓继续滑动，墙板角部产生裂缝 (图15 (c) ) ，局部破坏，但节点未发生破坏。

　　 依据试验结果和分析可以得到如下结论:

　　 (1) 本次振动台试验研究的外挂墙板框架和内嵌墙板框架在8度区多遇地震作用下结构保持完好，设防地震作用下墙板有轻微损坏，罕遇地震作用下墙板有明显损坏，但无严重破坏。

　　 (2) 由于钢框架安装了外挂墙板和内嵌墙板，模型的阻尼比比空框架有所提高，在大变形情况下板缝之间相对运动摩擦对消耗结构地震能量、提高房屋的抗震能力比较有利。

　　 (3) 本次试验研究的钢框架最大层间位移达到约1/39，尽管窗洞边缘墙板拼缝产生通长裂缝，但墙板本身没有损坏，墙板与主结构之间的高效连接节点完好，表明墙板及高效连接节点具有良好的抗震性能。

　　 以北京地区高度为100m的钢结构住宅为例，层高为3m，抗震设防烈度为8度 (0.2g) ，基本风压w₀为0.45 k N/m²，地面粗糙度类别按B类设计，外墙选用尺寸为3 000mm×600mm×300mm的蒸压加气混凝土外墙板，连接节点采用预埋件式减震摇摆节点。

　　 按照《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ，外挂墙板的风荷载标准值为:

　　 式中:w_k为风荷载标准值;β_gz为高度z处的阵风系数;μ_sl为局部风压体型系数;μ_z为风压高度变化系数;w₀为基本风压 (高度60m以上，基本风压放大1.1倍) 。

　　 风压高度变化系数μ_z以北京地区地面粗糙度类别B类设定，高度为100m处风压高度变化系数μ_z为2.0;高度为100m处的阵风系数β_gz为1.5;局部风压 (吸) 体型系数μ_sl为2.0，则w_k=2.97kN/m²。

　　 单个节点承受的风荷载设计值为:

　　 计算水平地震作用标准值采用等效静力法，按公式 (1) 计算。单个节点承受的地震作用设计值为:

　　 对于单个连接节点而言，风荷载对ALC外墙板的影响比地震作用的影响大。单个高效连接节点的面外承载力标准值为10 kN，安全因子为2.67，连接节点具备足够的安全度。

　　 (1) 墙板配筋对预埋件节点面外抗拉承载力的影响不能单纯靠配筋面积来判断，配筋形式与钢筋强度的影响不容忽略，钢筋网越密，钢筋强度越高，预埋件节点的面外抗拉承载力越高。

　　 (2) ALC外墙板系统采用预埋件式减震摇摆连接节点，多遇地震作用下完好，设防、罕遇地震作用下形成连接节点变形运动机制，有效地减小了墙板的随动变形幅度，降低了地震作用的不利影响，实现了外墙板设防地震作用下轻微破损、罕遇地震作用下不跌落的目标。

　　 (3) 在结构层间位移角达到1/50时，预埋件式减震摇摆节点不会发生破坏，具有较好适应变形的能力。

　　 (4) 预埋件式减震摇摆节点是ALC外墙板系统的一种新型高效连接节点，经试验验证及示范工程应用，节点性能可靠，安装简便、高效，可广泛应用于建筑高度不超过100m的高层建筑外墙系统，促进了外墙系统装配式技术的进步。

　　 (5) ALC外墙条板的固定方式采取上下各1个连接节点，为防止其在罕遇地震作用下脱落，建议将连接节点面外作用效应乘以2.0的增大系数，保证必备的安全度。