裝配式剪力墻豎向焊接節點抗剪性能

徐詠 熊峰? 陳江

摘 要：為了對裝配式剪力墻結構節點干式連接方案進行研究，在已有研究成果新型預制復合墻板體系的基礎上提出了采用焊接連接的裝配式剪力墻干式節點方案，并通過兩批共5個焊接節點試件的單調靜力加載試驗來考察豎向節點的抗剪性能和變形能力.試驗表明，節點試件具有較好的抗剪性能和變形能力；試件破壞始于節點周圍區混凝土出現裂縫，終于連接鋼板和錨筋剪斷致使節點試件失去承載能力.在此基礎上通過ABAQUS有限元分析軟件對節點試件受力過程進行了模擬，并對各種材料參數進行了詳細比較和分析.通過比較可知該類節點抗剪性能和變形能力主要由連接鋼板、錨筋抗剪承載力和節點周圍區混凝土抗壓承載力決定，縱筋、箍筋、預埋鋼板等材料參數變化對節點試件影響不大.最終，得到了豎向節點焊接連接方案可用于裝配式剪力墻結構節點連接之中的結論.

關鍵詞：裝配式剪力墻；豎向節點；焊接連接；單調加載靜力試驗；數值分析

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A

Shear Behavior Study on Welded Connection in Precast Shear Wall Vertical Joint

XU Yong， XIONG Feng?， CHEN Jiang

（School of Architecture and Environment， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Abstract： To study the dry connections in precast shear wall structure， this study presented a welded connection approach for precast shear wall vertical joint. By manufacturing and testing 5 specimens， the shear pattern and deformability of the dry connection got well studied. Results showed that the welded connection has a good shear patterns and deformability. The failure of the specimens began with the concrete cracks around the joints and ended up with the shear failure of the connecting steel plates and the anchor bars. Then， detailed analysis and comparison of material parameters were conducted using finite element analysis software ABAQUS. It was observed that shear pattern of welded connection was mainly determined by shear resistance of connecting steel plates， shear resistance of anchor bars， and compressive resistance of the concrete around pre-embedded steel plate； while longitudinal reinforcement， stirrup and pre-embedded steel plate had limited impact. We conclude that this welded connection approach can be utilized for the vertical joint of precast shear wall.

Keywords： precast shear wall； vertical joint； welded connection； monotonic loading static test； numerical analysis

21世紀以來，裝配式住宅因為其快速、環保、經濟和易于保證質量等特點得到了我國政府的重視.我國各地紛紛開展了對裝配式結構的研究.裝配式混凝土結構體系中，節點的連接是關鍵，它在結構的經濟性能、整體性能、耗能能力等方面起著主導作用 [1-2].

我國的裝配式結構節點研究主要集中于濕式連接.如：姜洪斌等[3]提出了插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接的節點方案，該方案因操作簡單、質量易于保證等優點在我國黑龍江地區得到了應用；張微敬等[4]提出了豎向鋼筋套筒漿錨連接的節點形式，其破壞形式、耗能能力、剛度等與現澆結構基本相同，可作為裝配式結構的節點連接形式.近年來，裝配式結構節點干式連接方案的研究開始出現.如：孫建等[5]提出了新型全裝配式鋼筋混凝土剪力墻（IPSW）結構，IPSW結構中水平縫節點通過在預制鋼筋混凝土墻板上、下邊緣設置內嵌邊框，將墻板內豎向鋼筋端部焊接于內嵌邊框內側，相鄰層墻板之間借助連接鋼框、高強螺栓連接，從而傳遞相鄰層墻板之間的作用力.這種高強螺栓連接方式有著很好的變形和受力能力.王威等[6]提出了一種裝配式剪力墻螺栓連接的節點方案，該方案將房屋主體結構邊緣通過鋼筋加強形成暗柱、暗梁并直接在暗柱、暗梁上開螺栓孔，最終通過螺栓連接形成房屋.此種干式節點在純剪狀況下的受力和變形性能良好.

為提高農村住宅的質量，本文以建筑工業化為背景對裝配式結構進行了系列研究.結合我國現有裝配式結構生產狀況，在已有研究成果新型預制復合墻板體系的基礎上[7]，本文提出了裝配式剪力墻結構節點焊接連接方案.該方案為干式節點方案，具有施工迅速簡單、污染少、可拆卸替換等優勢[8].為了考察這種連接方案的抗剪性能和變形能力，本文對豎向節點進行了試驗研究與數值分析.

1 節點性能試驗

裝配式剪力墻結構節點焊接連接方案的核心思想為各構件邊緣做成暗柱和暗梁的形式用以放置焊接節點，通過連接鋼板與預埋鋼板焊接將墻板、樓板、構造柱相互連接起來.豎向節點（構造柱與墻板的連接節點）形式如圖1（a）所示.組裝完成后的農居房屋結構如圖1（b）所示.

為研究豎向節點的受剪性能，本文進行了豎向節點性能試驗.通?？辜粼囼炗袉渭裟Ｐ秃碗p面直剪模型[9]兩種.單剪試驗模型制作簡單，但很難避免彎矩影響，故本文采用雙面直剪模型，制作2批共5個豎向節點焊接連接試件，進行擬靜力加載試驗.

1.2 加載制度

試驗采用四川大學土木工程結構試驗室500T壓力機進行加載.試件加載制度采用荷載-位移雙控制制度，即屈服前采用荷載控制加載，屈服后采用位移控制加載.正式加載之前，在試件中柱頂部鋪一層約1 cm厚濕砂以使試件均勻受壓并首先進行2次峰值為80 kN的預加載以壓實濕砂層.正式加載時，以40 kN為級差加載至試件屈服；屈服后改為位移控制并取屈服位移的倍數加載直至試件破壞或荷載降至最大荷載的85%為止.試驗過程中通過觀察連接鋼板的變形情況來確定節點試件是否達到屈服.

1.3 試驗現象

以HJZ1為例介紹第1批試件的破壞過程.加載初始階段，試件基本完好.荷載上升到140 kN時，中柱預埋鋼板上部與混凝土擠壓致使混凝土開始出現受壓裂縫，同時預埋鋼板下部與混凝土脫離接觸形成一條水平縫（如圖4（a）所示）.隨著加載的進行，邊柱預埋鋼板內側開始出現混凝土受壓裂縫（如圖4（b）所示）.當荷載上升到297.4 kN時，邊柱錨筋1、2和3突然發生剪斷，致使預埋鋼板繞錨筋4發生轉動，并使周圍混凝土發生破壞（如圖4（c）所示），節點試件失去受力能力，試驗結束.第1批試件的破壞為錨筋突然剪壞，破壞時連接鋼板、預埋鋼板和焊縫保持完好，試件為沒有屈服階段的脆性破壞.

為防止發生脆性破壞，同時提高試件承載能力，第2批試件對預埋鋼板與錨筋的連接進行了加強.加載初始階段，第2批試件的破壞過程與第1批試件基本一致.對于HJZ7，當荷載上升到360 kN時，連接鋼板出現明顯剪切變形，左柱出現一條始于錨筋4（錨筋編號同圖4）下方、終于左側邊緣的較長斜裂縫，試件進入位移控制加載模式.當荷載達到400 kN時，右柱錨筋4下方出現對稱斜裂縫，同時原有裂縫繼續發展.497.2 kN時，左右柱錨筋1首先發生剪壞，中柱瞬間出現較大豎向位移，之后錨筋2和3接連剪壞，預埋鋼板繞著錨筋4轉動并使周圍混凝土發生大面積破壞.最終，錨筋1、2、3剪壞，連接鋼板出現明顯塑性變形，試件不能繼續受力，試驗結束.HJZ9破壞過程與HJZ7基本一致.破壞時，連接鋼板與錨筋1、2、3幾乎同時發生剪斷.HJZ8破壞過程與HJZ9相同的同時，還有砂漿的破壞.第2批試件的破壞圖如圖5所示，當連接鋼板發生剪切變形時試件屈服，隨后錨筋和連接鋼板剪斷，整個破壞過程中焊縫保持完好，顯示出塑性破壞的形態.

1.4 試驗結果

試件承載能力和相應位移見表3.表3中，位移延性系數μΔ用試件名義屈服點和極限點對應的位移的比值確定.此時的名義屈服點為用能量等值法[15]通過軟件MATLAB計算得到的，極限點為試件受力下降到峰值荷載85%時的數值點，當試件受力未下降至峰值荷載的85%時，取加載結束時的荷載.試件骨架曲線如圖6所示.對表3和圖6中的數據進行對比分析可得到以下結論：

1）增強錨筋錨固能夠顯著提高試件的受力性能.以HJZ1和HJZ7為例，后者在開裂、屈服和峰值荷載上分別比前者提高了29%、61%和67%.進一步加強錨筋的連接可進一步提升試件的受力性能和變形能力.HJZ9的延性系數和峰值荷載比HJZ7提高了84% 和 8.69%，但是，HJZ7混凝土強度僅為HJZ8和HJZ9的76%，造成此情況的原因有可能是混凝土強度的影響，故需要在數值分析中進一步討論.

2）加密箍筋和增強錨筋連接試件的剛度明顯增加.各個試件的初始剛度特征為：HJZ8、HJZ9>HJZ7>HJZ1=HJZ2.

3）對空隙和凹槽處用砂漿填實對試件的受力性能和變形能力有一定的改善作用.HJZ8的峰值荷載和延性系數是HJZ9的1.02和1.05倍.

2 數值分析

本節采用有限元分析軟件ABAQUS對試件進行模擬，并比較各參數條件下各參數對節點試件的影響.

2.1 ABAQUS模型建立

混凝土、鋼板采用線性六面體減縮積分單元C3D8R，鋼筋采用線性三維桁架單元T3D2[11].模型所有材料基于表1取值并設置為各向同性，混凝土本構采用塑性損傷模型[12]；鋼筋、鋼板本構采用雙折線模型.

將混凝土短柱分為節點區混凝土、節點周圍區混凝土、其他區混凝土三部分（具體劃分如圖7所示），網格單元尺寸分別為：40 mm、80 mm和80 mm；鋼筋網格尺寸為50 mm.連接鋼板和預埋鋼板網格尺寸為20 mm，試件有限元模型如圖8所示.

各個相互接觸的不同區混凝土采用綁定約束.預埋鋼板上下邊緣與節點周圍區混凝土建立硬接觸.錨筋與預埋鋼板接觸部分采用綁定約束，與混凝土接觸部分采用內置約束.試件中有2種焊縫，對于錨筋圍焊焊縫，將焊縫抗剪承載力換算成相應強度錨筋抗剪承載力；對于連接鋼板三面圍焊焊縫，因為節點試件破壞時焊縫均保持完好，故采用連接鋼板與預埋鋼板綁定約束來模擬焊縫的作用.加載前，在中柱柱頂中心創建加載點，并將加載點與中柱柱頂表面耦合，同時將左柱和右柱柱底設置為完全固定.

1）鋼筋.圖9（b）中鋼筋在節點區應力最大，最大Mises應力為377.0 MPa，小于鋼筋實測屈服強度.說明鋼筋受力較小.

2）連接鋼板.圖10左上連接鋼板在邊柱與中柱20 mm空隙范圍內應力最大，且發生剪切變形.其最大應力為397.5 MPa，達到鋼板極限應力.

3）錨筋.圖10左中錨筋在預埋鋼板與混凝土交界處應力最大（錨筋1、2、3達到極限強度623.3 MPa；錨筋4為549.7 MPa，超過屈服強度）并發生不同程度剪切變形，其剪切變形為錨筋1（5.62 mm）>錨筋3（5.28 mm）>錨筋2（1.59 mm）>錨筋4（0.64 mm）.

4）預埋鋼板.圖10左下預埋鋼板只在與錨筋綁定處達到397.5 MPa，而稍微遠離此處受力均較??；從預埋鋼板與節點區混凝土的相對位置可看出預埋鋼板繞錨筋4發生了轉動.

5）混凝土.圖10右中右柱混凝土在靠近中柱一側節點區左下方、節點周圍區左上方混凝土腳部應力最大，最大為18.1 MPa；在遠離中柱一側節點區右上方、節點周圍區右下方腳部應力最大，最大為10.3 MPa；其他區混凝土應力均小.

通過以上對比可知，HJZ9模型的破壞模式主要集中在連接鋼板、錨筋和節點周圍區混凝土上，與試驗現象吻合.

2.2.2 骨架曲線與特征值

各個試件的試驗和模擬骨架曲線對比圖如圖11所示，以試件HJZ9為例，特征值比較見表4.通過骨架曲線的比較可知：

1）數值結果中骨架曲線初始剛度均偏大.這可能是因為試件總是存在空隙、不密實等因素使試驗存在滑移，導致位移偏大，而數值分析不存在這一現象.

2）數值結果和試驗結果的趨勢相同、峰值荷載差別均很小.HJZ1和HJZ2數值結果中骨架曲線達到峰值荷載后不久計算即中斷，HJZ7達到峰值荷載后荷載開始降低，HJZ9達到峰值荷載后有著很長的平滑段，走勢均與試驗結果相似.同時，HJZ9和其他試件的峰值荷載和位移誤差均小于5%，在可接受范圍內，兩者吻合較好.驗證了有限元分析方法對該類試件進行分析計算的有效性和有限元模型的正確性.

2.3 參數分析

采用HJZ9模型進行參數分析.為全面考察焊接節點抗剪強度的影響因素，并得到更好的受力能力和經濟的構造措施，以HJZ9為原始模型，改變鋼筋、鋼板、混凝土在強度、直徑、尺寸各方面參數，共建立了19個有限元模型進行參數分析，模型參數改變詳見表5，計算結果見圖12與表6.

2.3.1 縱筋直徑

縱筋直徑的變化見模型HJZ9-1和HJZ9-2.縱筋直徑由10 mm增大到14 mm使試件極限承載能力增大3.91 kN.說明縱筋材料參數的改變對試件極限承載力影響很小.

2.3.2 箍筋直徑

箍筋直徑的變化見模型HJZ9-3和HJZ9-4.箍筋直徑由6 mm增大到10 mm使試件極限承載能力增大0.32 kN.說明箍筋直徑的改變對試件極限承載力影響很小.

2.3.3 錨筋直徑

錨筋直徑的變化見模型HJZ9-5和HJZ9-6.錨筋直徑由13 mm減小至7.5 mm使試件極限承載能力降低252.37 kN.同時，7.5 mm時數值模型因為變形過大而中斷，說明錨筋直徑的改變對試件極限承載力度影響很大，錨筋直徑過小會使節點脆性破壞嚴重.

2.3.4 混凝土強度

節點區混凝土強度的變化見模型HJZ9-7和HJZ9-8.節點區混凝土強度由C25增大到C50使試件極限承載能力增大0.27 kN.通過類似的分析過程可以得到節點周圍區混凝土和其他區混凝土強度變化的影響.說明節點周圍區混凝土材料參數的改變對試件極限承載力有一定影響而節點區和其他區混凝土對試件極限承載力影響很小.

2.3.5 連接鋼板厚度

連接鋼板強度的變化見模型HJZ9-13和HJZ9-24.連接鋼板厚度由8 mm增大到12 mm使試件極限承載能力增大258.09 kN.說明連接鋼板厚度的改變對試件極限承載力影響很大.

2.3.6 預埋鋼板厚度

預埋鋼板厚度的變化見模型HJZ9-15和HJZ9-16.預埋鋼板厚度由8 mm增大到12 mm使試件極限承載能力增大1.04 kN.說明預埋鋼板厚度的改變對試件極限承載力影響很小.

2.3.7 鋼筋構造措施

鋼筋構造措施的變化見模型HJZ9-18、HJZ9-19和HJZ9-20.鋼筋構造措施的變化使試件極限承載能力變化2.38 kN.說明鋼筋構造的變化對試件影響很小，此時選取最為經濟的鋼筋構造措施，即為縱向4根縱筋、箍筋間距均為150 mm.

3 結論

通過5個豎向節點焊接連接試件的試驗研究和數值分析可得到以下結論：

1）裝配式剪力墻豎向節點焊接連接方案具有良好的抗剪性能和變形能力，是一種可靠的干式連接方案.節點試件破壞始于節點周圍混凝土出現裂縫，終于連接鋼板和錨筋剪斷致使節點失去連接能力.HJZ8和HJZ9節點方案較好，整個破壞過程中焊縫保持完好，連接鋼板、錨筋剪切變形明顯，為塑性破壞.

2）試驗結果表明，錨筋和連接鋼板的加強對試件承載能力和變形性能有較大提高；接縫進行砂漿填實對節點試件有一定的改善作用.

3）數值結果和試驗結果在破壞模式和骨架曲線上均吻合較好，參數分析顯示：縱筋、箍筋、節點區混凝土、其他區混凝土和預埋鋼板對節點抗剪性能沒有明顯的影響；節點周圍區混凝土的存在對試件剛度和承載能力有一定促進作用；錨筋和連接鋼板是決定節點承載能力的最重要因素.

4）豎向焊接節點所在墻板節點區鋼筋構造措施優選方案是墻板暗柱縱筋不小于4根C12，箍筋C8@150節點區可不加密；對錨筋和連接鋼板加強可大幅改進節點性能.

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