裝配式剪力墻按節點剛度的分類方法研究

周桐，周建民，劉超 （同濟大學建筑工程系，上海200092）

0 前言

裝配式混凝土剪力墻結構是裝配式混凝土結構中的重要結構體系之一，是國家重點發展的建筑形式。由于裝配式剪力墻結構利用節點連接，節點性能將很大程度決定結構的整體性能和抗震性能。目前國內外的研究主要從不同連接形式下裝配式剪力墻結構的性能出發，聚焦于某種連接形式節點能否使結構整體的承載力、變形能力、剛度達到“等同現澆”的水平；針對裝配式剪力墻節點本身的剛度特性研究較少。簡單常規的連接節點在進行設計時按剛接和鉸接兩種形式劃分，易于定性化判斷；由于裝配式混凝土剪力墻連接節點的多樣性和復雜性，如何判斷其節點的剛度性能缺乏定量化的分類方法研究。

裝配式剪力墻節點的剛度特性對自身、層間其他豎向構件及建筑整體的受力有較大影響，不用類型的節點連接形式對于結構的計算及模型的選取有較大影響。明確裝配式剪力墻節點的剛度按照其類別的分類，利于在結構設計過程中采用合理的計算模型，設計出合理的節點連接方式。本文對裝配式剪力墻節點的剛度性能特點進行綜述和統計分析，提出裝配式混凝土剪力墻結構節點按剛度比值分類的方法。

1 裝配式剪力墻的剛度性能特點

裝配式剪力墻板之間采用節點進行連接，相比于同等條件下的整體現澆剪力墻結構，裝配式剪力墻結構在節點處是結構受力的薄弱環節。盡管裝配式剪力墻結構的設計以達到等同現澆為目的，但由于部分施工工藝復雜、施工質量難以保證且較難檢測等因素使得裝配式剪力墻在承載力、結構剛度等性能難以達到“等同現澆”的效果。

裝配式剪力墻結構的節點施工工藝較多，由于節點連接構造和受力機理不同，不同連接形式的預制裝配式剪力墻結構有著不同的力學特性和剛度性能。裝配式大板以鍵槽連接為主，結構整體性、抗震性能和節點性能較差[1-2]。漿錨連接、套筒連接的裝配式剪力墻結構能有效通過節點傳遞剪力墻中的內力，其整體承載力、耗能能力、變形能力、結構剛度等性能基本與現澆剪力墻相當[3]。干式連接的裝配式剪力墻結構常采用螺栓連接和焊接，荷載作用下的變形也主要集中在節點處。當采用高強螺栓連接時，節點剛度較大，結構本身的性能也能達到“等同現澆”的效果[4]。疊合墻板裝配式剪力墻結構通過預制面層板和現場澆筑達到“等同現澆”的設計理念。一些采用“強連接”的疊合墻板裝配式剪力墻已經達到甚至超過了現澆剪力墻的性能[5]。上述幾種類型的預制裝配式剪力墻設計時以達到等同現澆的效果為目的。可恢復功能結構裝配式剪力墻結構包括自復位剪力墻、搖擺剪力墻等，在設計時往往希望變形集中在接縫處；其承載力和結構剛度明顯低于現澆剪力墻，且在剛度下降時比現澆墻更加迅速[6]。

2 常用節點剛度分類方法與剛度比

在鋼結構節點設計中，通常將節點分為三類:柔性節點（鉸接）、剛性節點、半剛性節點[7]。大量研究表明，理想的柔性節點和剛性節點是不存在的，常見的大部分節點為介于理想剛接和理想鉸接之間的半剛性節點[8]。一般情況下認為在外力作用下，只要節點對梁柱的轉動約束效果達到理想剛性連接約束效果的90%以上就可以視為剛性連接；梁柱相對轉角達到理想鉸接的80%以上的連接視為柔性連接[9]。

鋼結構節點和鋼筋混凝土梁柱節點按剛度分類的研究通常采用“剛度比”無量綱量進行分析，即選定一個標準狀態剛度，如節點抗彎剛度、梁或柱子初始線剛度等，用節點的某個剛度值與標準狀態剛度相比，取該剛度比值進行節點的分類[9]。如歐洲EC3規范和美國荷載和抗力系數規范AISC-LRFD均以節點的初始連接（轉動）剛度和與之相連的梁剛度的比值方式進行判斷，當該比值大于某個界限值即認為節點為剛性節點，小于某個界限值則為鉸接，介于中間為半剛性連接。與鋼結構節點不同的是，由于該剛度比由初始剛度得出，其值為常數；在進行剪力墻的連接分析時則需要考慮整個加載過程中的剛度變化情況以及特征點處的剛度。

3 “等同現澆”預制裝配式剪力墻剛度分析

裝配式剪力墻的剛度除與節點連接方式相關，還受混凝土強度、構件尺寸、軸壓比、配筋等因素的影響，不同試驗中所用裝配式剪力墻的等效割線剛度絕對大小存在較大差異；為避免應節點絕對剛度值和除節點連接方式外的其他因素對節點分類的影響，采用上文“剛度比”概念進行歸一化分析。引用的試驗對各片剪力墻頂點位移和荷載進行觀測，得到結構平面內的抗彎剛度。由于裝配式剪力墻的剛度會隨著加載位移的增加和塑性損傷的逐漸累積而逐漸降低，為真實反映剪力墻剛度變化情況，本文采用等效割線剛度K進行分類；即用裝配式剪力墻等效割線剛度與同等尺寸、同等條件下、相同側向位移的現澆剪力墻等效割線剛度的比值作為分類依據，考慮整個加載過程中的剛度變化情況和特征點的剛度進行裝配式剪力墻剛度的劃分。

等效割線剛度K定義如圖1所示。

圖1 等效割線剛度示意圖

K采用式（1）進行計算。當單調加載時，K等于第i級荷載與該荷載作用下剪力墻頂點位移之間的比值；當往復加載時，K等于每級正負循環荷載峰值點之間的斜率。

式中Ki表示第i級循環荷載下的等效割線剛度；Fi、-Fi分別為第 i級正向和負向循環峰值點對應的荷載值；Δi、-Δi分別為第i級正向和負向峰值點荷載作用下的位移值。

漿錨連接裝配式剪力墻、套筒連接裝配式剪力墻、疊合墻板裝配式剪力墻、螺栓連接剪力墻的設計采用“等同現澆”理念。收集39片不同連接形式的“等同現澆”預制裝配式剪力墻[10-19]（含同等條件下的現澆剪力墻）如表1所示，包含試件的類型、編號、基本尺寸、軸壓比、混凝土強度，以及試驗結果所得的開裂位移角、屈服位移角、極限位移角和位移延性系數。

“等同現澆”裝配式剪力墻試驗參數 表1

通過荷載-位移試驗數據得到滯回曲線，提取各次循環加載的正負向荷載極值點，進而計算同等條件下不同側向位移點的預制裝配式剪力墻和現澆剪力墻的等效割線剛度值，得到不同類型“等同現澆”預制裝配式剪力墻的剛度比值圖2(a)-(j)。

圖2 “等同現澆”裝配式剪力墻與現澆墻節點剛度比

取各試驗中與現澆墻具有相同軸壓比的預制裝配式剪力墻22片進行節點剛度比對比分析，加載全過程剛度比如圖3所示，其中相對側向位移為各級加載側向位移與最大加載側向位移之比。

圖3 相同軸壓比的“等同現澆”裝配式剪力墻節點剛度對比

從圖3可以發現，當現澆墻與“等同現澆”理念設計的裝配式剪力墻在相同軸壓比的條件下，對于不同連接形式的節點，在往復荷載加載的過程，即相對側向位移從0到1的過程中，剛度比值基本在0.8～1.2的范圍之間波動。95.12%的“等同現澆”裝配式剪力墻剛度比值大于0.8，只有少部分裝配式剪力墻在加載初期和后期的剛度比低于0.8。

在上述裝配式剪力墻的試驗結果中，裂縫一般出現在節點接縫處，裂縫的開展和剪力墻的破壞形態基本與現澆墻一致；其受力特點和最終的破壞特征和現澆墻具有高度相似性。采用漿錨、套筒、螺栓連接及疊合墻板裝配式剪力墻具有同現澆剪力墻節點相近的剛度性能。其中采用漿錨連接、螺栓強連接等增強節點的裝配式剪力墻節點剛度比超過1.0，說明通過增強節點的措施能使裝配式剪力墻比現澆墻具有更大的剛度。通過圖2(a)、(f)可以發現，隨著軸壓比的增大，剛度比值增大，使裝配式剪力墻具有比現澆墻更大的剛度；TW2～4、DW2～4共6片裝配式剪力墻由于軸壓比較大，剛度比明顯超過1.2的范圍。此外，由圖3可分析隨著軸壓比的增大，剛度比值增大，甚至部分軸壓比較大的裝配式剪力墻剛度比會超過0.8～1.2的范圍，裝配式剪力墻的剛度性能受軸壓比的顯著影響。

4 可恢復性裝配式剪力墻剛度分析

可恢復功能結構裝配式剪力墻以自復位裝配式剪力墻、搖擺剪力墻、可更換構件剪力墻為代表；通常該類裝配式剪力墻的結構剛度低于現澆剪力墻。采用剛度比的方法對表2中收集的12片可恢復功能結構裝配式剪力墻[20-22]（含同等條件下的現澆剪力墻）進行節點剛度對比分析。

可恢復功能結構裝配式剪力墻試驗參數 表2

上述可恢復性裝配式剪力墻的剛度比值如圖4(a)-(c)所示。

圖4 可恢復性裝配式剪力墻與現澆墻節點剛度比

取其中具有相同軸壓比的裝配式剪力墻進行節點剛度比對比，如圖5所示。

圖5 相同軸壓比的可恢復性裝配式剪力墻節點剛度對比

由圖5可發現，不同類型的可恢復性裝配式剪力墻的剛度比值主要集中在 0.4～0.8的范圍內。圖4(b)、(c)中，在往復荷載加載后期，剛度比接近1，超過0.4～0.8的范圍；這是由于裝配式剪力墻極限強度和極限位移均接近于現澆墻，使得加載后期兩者等效割線剛度接近。

5 裝配式剪力墻節點剛度分類

通過上述51片“等同現澆”裝配式剪力墻、可恢復性裝配式剪力墻與同條件的現澆墻的剛度歸一化分析，可以發現可恢復功能結構裝配式剪力墻與“等同現澆”裝配式剪力墻的剛度比值存在一個較為明顯的劃分界限。“等同現澆”的裝配式剪力墻剛度比值基本介于0.8～1.2的范圍內；可恢復性裝配式剪力墻剛度比值主要介于0.4～0.8之間。基于上述分析，考慮到結構設計時更加安全的下限值的選取，認為：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當裝配式剪力墻與現澆墻的若干個節點剛度比值滿足95%大于等于0.8時，屬于同現澆墻相似的剛性連接；當裝配式剪力墻與現澆墻節點剛度比值滿足位于0.4～0.8范圍內屬于半剛性連接；對于剛度比值小于0.4的裝配式剪力墻，在實際工程中通常需要和其他結構形式共同作用才能為建筑提供足夠的抗側剛度，視為柔性連接。

在實際應用中，若運用上述結論進行裝配式剪力墻的節點剛度分類，需要考慮整個加載過程中的剛度變化情況并作統計，存在計算量大、應用復雜等缺點。若能以特征點的剛度比值為節點剛度分類參考值，能更方便地運用于實際設計。進一步對圖3的“等同現澆”預制裝配式剪力墻進行屈服點剛度比值統計發現，剪力墻屈服點剛度比值大于0.8的比例為100%，其中54.5%（12片）的剪力墻屈服點剛度比值大于1.0；圖5中試驗剪力墻屈服點剛度比值位于0.4～0.8范圍內的比例為100%；即相應的剛性連接和半剛性連接的裝配式剪力墻在屈服點處的剛度比值均100%位于相應的范圍內。為便于在實際中應用，以屈服點剛度比代替加載全過程的剛度比進行裝配式剪力墻節點按剛度分類，即：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當裝配式剪力墻與現澆墻節點在屈服點的剛度比值大于等于0.8時，屬于剛性連接；當屈服點的剛度比值位于0.4～0.8范圍時，屬于半剛性連接；當屈服點的剛度比值小于0.4時，屬于柔性連接。

6 結論

通過受力性能和設計理念等方面總結不同類型裝配式剪力墻節點剛度的特點，結合剛度比值這一無量綱參數提出了一種適用于裝配式剪力墻的剛度分類。該法采用同等尺寸、同等軸壓比、相同側向位移下裝配式剪力墻節點與現澆墻屈服點的等效割線剛度比值這一無量綱參數進行表征。結合加載全過程的剛度分析得出節點按剛度分類的界限，同時考慮實際應用的簡便性，得出：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當裝配式剪力墻與相應的現澆墻在屈服點的剛度比值大于等于0.8時屬于剛性連接，當屈服點的剛度比值為0.4～0.8時屬于半剛性連接，小于0.4屬于柔性連接。通過明確裝配式剪力墻節點按照剛度分類的類型，將其應用于節點連接方式的設計和計算模型的選取中，對于裝配式建筑的結構設計有著重要的實際意義。