模塊裝配式組合剪力墻角部構造優化研究

陳 偉 吳福成 汪大洋 郭榮幸 羅創漣

(1 廣州廣檢建設工程檢測中心有限公司；2 廣州大學土木工程學院)

1 研究背景

裝配式建筑的發展速度和應用前景近年來持續提升，建筑工業化具有巨大優勢和廣闊的發展前景[1-2]。推進建筑結構的型鋼使用率和工廠化，提升建筑產業加工、安裝精度和品質，對節約人力、物力資源，實現生態低碳建筑生產，推動國家碳中和碳達峰戰略，具有較高的現實價值和社會意義。

鄭旭東進行了10 組帶加勁肋多腔雙層鋼板組合剪力墻的低周往復試驗，結果發現，帶加勁肋多腔雙層鋼板混凝土組合剪力墻具有較好的抗震性能[3]。高輝、孫飛飛等建議在后續防屈曲鋼板剪力墻的研究中可以就角部局部加固進行研究，并在大量實驗和有限元模擬的基礎上提出了防屈曲鋼板剪力墻的簡化分析模型，研究了三組現澆混凝土內藏鋼板組合剪力墻抗震性能，結果表明，現澆混凝土板與內藏鋼板緊密結合，共同承擔荷載，其性能優于普通鋼筋混凝土剪力墻[4-5]。郭彥林等提出了不同加勁方式的兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻，并探究了各種不同構造參數對防屈曲鋼板剪力墻抗震性能的影響[6]。

然而，角部的現澆混凝土板以及內藏鋼板在循環位移加載早期就出現了嚴重的局部損傷，從而導致構件承載力過早退化失效，不能充分利用材料的力學性能，關于該方面的研究還非常鮮見。鑒于此，對一種內藏鋼板模塊裝配式組合剪力墻進行角部構造優化研究，在不增加額外成本的前提下，使構件自身材料的物理受力性能得到最大程度的利用。

2 內藏鋼板組合剪力墻損傷分析

采用ABAQUS 軟件建立了為研究內藏鋼板外掛混凝土板的模塊裝配式組合剪力墻(PCSW)，內藏鋼板上陣列布置了栓釘，間距為200mm。最后數值分析了其破壞特征與其抗震性能。圖1 為內藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻效果圖。

圖1 內藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻效果圖

圖2 為內藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻極限屈服點損傷云圖。從圖2 可以看出，內藏鋼板的角部出現明顯鋼材損傷，內藏鋼板角部在低周循環往復位移加載下不斷受連接件的反復擠壓，最終損傷因子達到了0.989；現澆混凝土板同樣是角部形成明顯三角形裂縫發展區域。角部在連接件的擠壓下內藏鋼板以及現澆混凝土板均出現了明顯的應力集中現象和嚴重的局部損傷，此時，現澆混凝土和內藏鋼板剛度下降，無法約束連接件角部屈曲，導致構件承載力無法繼續提高，材料性能得不到進一步利用。

圖2 極限屈服點損傷云圖

3 角部構造優化方案

針對這種內藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻在水平荷載作用下角部會出現嚴重損傷的情況，設計了4 種角部構造優化方案。方案一在每個剪力墻預制模塊的四角取長度為L 的四分一圓形區域，對該區域內內藏鋼板加厚；方案二在方案一的基礎上，釋放每個預制模塊扇形域內現澆混凝土的約束，并在預制模塊四角添加加勁肋；方案三在每個剪力墻預制模塊的四角取長度為L 的三角形區域，對該區域內內藏鋼板加厚；方案四在方案三的基礎上，釋放每個模型四角上三角形區域內現澆混凝土約束，并在預制模塊四角添加加勁肋。具體構件尺寸參數如圖3 所示。

圖3 角部構造優化示意圖

內藏鋼板采用Q235b，寬、高、厚分別為584mm、1184mm、2mm。混凝土板采用C40，寬、高、厚分別為574mm、1174mm、50mm。栓釘及螺栓的間距分別為200mm、100mm。考慮到結構的尺寸大小以及模型計算時間，經過反復的驗算對比，將內藏鋼板、混凝土板、連接件加載梁網格尺寸選取為25mm，外伸板網格尺寸選取為15mm、栓釘與高強螺栓網格尺寸選取為5mm。表1 為4 個角部構造優化試件的參數信息。

表1 試件參數

4 邊界及加載方式

外掛混凝土板與內藏鋼板、兩塊外伸板接觸面之間接觸面法向方向均為硬接觸，切向方向均為摩擦接觸；栓釘與內藏鋼板之間為“Tie”約束，栓釘與混凝土之間則采用Embedded 技術實現兩者的自由度耦合；外伸板中高強螺栓通過在軸線施加螺栓荷載模擬實際中的預緊力，并在法向方向采用“硬接觸”，切向方向采用罰摩擦接觸。

第一加載階段為力加載，第一級荷載為預估構件屈服承載力的50%，并以50kN 的級差循環一圈，當構件接近屈服時降低級差，構件的荷載-位移曲線出現明顯拐點時采用第二加載階段，即位移控制加載，控制參數為構件層間位移角，其定義為θ＝Δ/H（H 為試件基底到水平位移加載點的高度）。初始位移角為屈服位移δy，每級循環2 次，加載目標為4%。

圖4 加載制度

圖5 邊界條件

5 抗震性能分析

4 個角部構造優化的試件和1 個角部構造未優化的構件，采用相同的加載方式，對比分析四個角部構造優化試件在低周往復加載下的滯回性能、耗能能力、骨架曲線、剛度退化、承載力、初始剛性、位移延性、鋼板損傷以及混凝土損傷應力變形等方面的提升情況。

從圖6 中可以看出，在不加肋情況下，相比三角加固方案，圓角加固角部內藏鋼板的優化方案對試件力學性能提升更明顯。但釋放試件角部現澆混凝土約束，設有加勁肋后，三角加勁肋優化方案可以更有效地約束連接件，其試件初始剛度、屈服承載力、極限承載力分別提高39.67%、32.93%、41.02%。由此可見，在添加折角加勁肋后，試件局部損傷嚴重然后導致試件承載力下降的現象得到有效改善，試件整體受力更加均勻。

圖6 骨架曲線

從圖7、圖8 和圖9 中可以看出，四種方案中，PCSW-C、PCSWFR 的滯回曲線更為飽滿，等效阻尼系數提高更為明顯。在耗散能量方面，由于設有加勁肋可以更有效地約束試件連接件角部屈曲，提高了試件的承載力，充分發揮了鋼板和現澆混凝土板的力學性能，所以PCSW-CR、PCSW-FR 兩種方案加載過程中耗散的能量更高，其中三角加勁肋對連接件支撐效果最為突出。

圖7 滯回曲線

圖8 累積能量耗散

圖9 累積應變能

從圖10 中可以看出，與圖2 中PCSW 相比，內藏鋼板角部加厚區域有效抑制了內藏鋼板角部損傷發展，損傷因子峰值下降，鋼板損傷更加均勻。設有加勁肋的PCSW-CR、PCSW-FR 兩種優化方案中內藏鋼板損傷由鋼板四周向中間發展，鋼板損傷面積更大，損傷更加均勻，較少鋼板局部嚴重損傷。從圖11 中可以看出，四種角部優化方案的混凝土損傷均主要以壓縮損傷為主，相比于PCSW，PCSW-C 和PCSW-F 的角部混凝土損傷有所減輕。PCSW-CR 和PCSW-FR 試件的外掛混凝土板損傷有所減低，其破壞更加均勻。再次驗證4 種角部優化方案對內藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻的抗震性能均有較好的提升作用，表明這4 種角部優化方案使得混凝土材料的抗壓能力得到了充分的發揮。

圖10 內藏鋼板損傷云圖

圖11 外掛混凝土壓縮損傷云圖

綜上所述，四種角部優化方案對內藏鋼板外掛混凝土板裝配式組合剪力墻的抗震性能具有較好的提高，其中三角加勁肋方案的改進優化效果最佳，其屈服承載力、極限承載力、構件耗能、黏滯阻尼系數、延性系數分別提高32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。

6 結論

⑴內藏鋼板外掛混凝土板裝配式組合剪力墻的角部在連接件的擠壓下，內藏鋼板以及現澆混凝土板均會出現明顯的應力集中現象和嚴重的局部損傷，外掛現澆混凝土板和內藏鋼板剛度下降至無法約束連接件角部屈曲，會造成構件承載力無法繼續提高，提前退出工作。

圖12 外掛混凝土拉伸損傷云圖

⑵4 種角部優化方案對剪力墻的抗震性能均有較好的提升作用，有效抑制了角部的屈曲，使得內藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻的整體性能得到充分的發揮。

⑶三角加勁肋方案對模塊裝配式組合剪力墻的抗震性能提升效果最佳，其屈服承載力、極限承載力、構件耗能、黏滯阻尼系數、延性系數分別提高了32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。