冷彎十字型連接件連接剪力墻結構滯回性能研究

陳霞，萬馨，高鵬，明文卉

（內蒙古科技大學，內蒙古包頭 014010）

0 引言

目前，我國大量建筑為高耗能建筑，造成嚴重環境污染。不同于傳統現澆建筑，裝配式建筑不僅節能減排，且效率經濟；大力發展裝配式建筑有助于促進建筑業高耗能建筑向綠色建筑轉型升級。已研究的帶外肋板鋼板混凝土組合剪力墻墻梁節點的連接采用焊接，焊縫處易發生應力集中造成脆性破壞[1]，且焊縫質量難以保證，本文基于帶外肋板的鋼板混凝土組合剪力墻的研究成果，提出一種使用冷彎十字型連接件連接節點，使預制裝配式鋼板組合剪力墻與鋼連梁連接成一個整體，實現了結構全裝配，節點通過大量螺栓、少量焊縫連接，構造簡單，結構所有構件均可在工廠提前生產，現場裝配化施工，避免現場濕作業方式存在資源消耗、安全隱患等問題。

為了解冷彎十字型連接件連接的組合剪力墻結構抗震性能，本文基于ABAQUS有限元軟件建立了14個冷彎型十字型連接件連接的剪力墻結構有限元模型，分析不同參數對冷彎十字型連接件連接的剪力墻結構滯回性能的影響。

1 有限元模型建立

使用ABAQUS有限元軟件建立3層冷彎十字型連接件連接的聯肢鋼板組合剪力墻結構模型。參考相關規范及已有研究成果設計模型尺寸，幾何尺寸如圖1所示。組合剪力墻外框采用兩片鋼板，內置豎向加勁肋，腔室內填筑混凝土；連梁采用H型鋼梁，墻梁節點采用冷彎十字型連接件連接，連接件由一塊十字型鋼板90°冷彎成兩個U型端，鋼板組合墻與連接件一側U型端通過10.9級高強對拉螺栓連接，鋼梁與連接件另一側U型端通過10.9級摩擦型高強螺栓連接，鋼梁腹板與連接件采用焊縫焊接。

圖1 結構及十字型連接件尺寸

模型考慮幾何非線性與材料非線性，忽略初始缺陷及冷彎型連接件鋼材殘余應力。由于混凝土開裂、壓碎會產生不可恢復損傷，混凝土采用ABAQUS自帶的綜合了多軸硬化塑性及各向同性的線性塑性損傷模型，選用丁發興等[2]提出的本構關系，能很好模擬混凝土在加載后期的損傷情況；C30混凝土材料本構膨脹角為30°，流動勢偏移值為0.1，控制平面上曲線形狀參數Kc為2/3，泊松比為0.2，黏滯系數取0.0005，彈性模量為3.25×104MPa。鋼材均為Q235B級鋼，采用Von Mises三折線模型[2],能很好地模擬鋼板塑性性能，鋼材本構關系如圖2所示，高強螺栓采用雙折線模型，材料性能參數如表1所示。

圖2 鋼材本構

表1 材料性能

模型各部件均采用八節點線性減縮積分實體單元C3D8R。約束模型底部全部自由度，模型頂部設置平面外約束，在墻肢頂上施加豎向荷載，墻肢側面頂端X方向耦合點上施加水平位移荷載，模型彈性階段加載由荷載控制，每級循環一周，屈服后水平荷載由位移控制，以1倍的屈服位移Δy為增量，每級循環2周，加載至模型破壞或荷載下降至峰值荷載的85%以下，水平循環反復加載向X方向先推后拉。

鋼板與加勁肋間的焊接通過綁定約束固定。模型中面面接觸，法向行為采用“硬接觸”，切向行為采用庫倫摩擦模型，通過定義摩擦因數模擬鋼板與混凝土間的黏結與滑移，鋼板與混凝土間摩擦因數取0.6[3]，為真實模擬加載過程中螺栓滑移、螺栓孔壁擠壓變形、板件間擠壓等現象，按不同的摩擦面處理方式對螺栓接觸的鋼板相互間的摩擦面設置不同切向摩擦因數[4-5]，通過ABAQUS中的螺栓線荷載向螺栓施加預緊力，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2有限元參數分析

本文通過變化連接件梁端螺栓直徑、與螺栓連接的鋼板摩擦面抗滑移系數[6]、鋼梁跨高比3個參數，建立14個有限元模型，對模型進行計算分析。參考規范[4],對螺栓直徑為22、24、27 mm的冷彎十字型連接件受剪力方向的栓距e1、e2及端距c1、c2進行重新設計,e2為90 mm,其他如表2所示。

表2 模型參數設計

2.1 DM系列模型破壞特征

圖4為結構第二層，連接件、鋼梁端部為結構A端（加載端）放大云圖，結構屈服后，最大應力發展路徑總結為7種：①梁兩端G1、g1排螺栓孔→連接件梁端角部；②梁兩端G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件與翼緣交匯處；③梁腹板與連接件間的焊縫附近→腹板；④梁翼緣→腹板；⑤梁加勁肋焊縫附近→腹板；⑥梁兩端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件與翼緣交匯處；⑦梁兩端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件梁端角部。當位移加載至2Δy，DM1最大應力發展路徑為⑥，DM2為⑦，base～DM5為①；加載至3Δy，DM1最大應力發展路徑相繼為⑥③、梁翼緣上的最大應力不斷擴展，DM2為⑦③，base、DM4、DM5為①②③，DM3為①②；加載至5Δy，DM1最大應力發展路徑相繼為⑥③、梁翼緣上的最大應力充分發展，DM2為⑦③⑤，base、DM4、DM5為①②③④，DM3為①②④。

圖4 DM系列模型破壞特征云圖

DM1、DM2由于螺栓直徑過小，冷彎十字型連接件發生翹曲并與梁翼緣接觸面發生相對滑移，見圖4（a）、圖4（b），結構較早屈服，梁端螺栓均進入塑性狀態，連接件與腹板間的焊縫附近應力集中水平較大。當墻端位移約Δy時，連接件與梁翼緣接觸面發生相對滑移，連接件與梁翼緣間出現相對轉角，說明螺栓直徑過小會阻礙連接件有效傳遞應力，即螺栓直徑較小的DM1、DM2在梁端屈服前螺栓先發生破壞，無法保證墻梁的可靠性連接。與DM1、DM2相比，base～DM5連接件末端的梁翼緣塑性鉸的形成與發展更充分，表明較大的螺栓直徑有利于連接件末端梁翼緣塑性鉸的形成；DM3～DM5與base相比，連接件與腹板間焊縫附近最大應力水平有所降低，原因為螺栓孔較大，一定程度上削弱了螺栓孔附近鋼材的剛度。

2.2 滯回曲線

圖5為DM、HY、LC系列模型滯回曲線，均呈飽滿梭形。DM系列模型中DM1、DM2的滯回曲線比其它飽滿，滯回環包圍面積更大，可見梁端連接件螺栓直徑較大的結構整體耗能性能更優；LC系列模型中LC1、LC2彈性階段滯回曲線斜率明顯更大，說明跨高比為2.2～3.3時的結構初始剛度較大。

圖5 各系列模型滯回曲線

2.3 承載能力

如圖6所示，DM系列模型中DM1承載力下降速率較快，下降段明顯，DM2～DM5的差異不大；HY系列模型曲線基本重合；與DM、HY相比，LC系列各模型承載力差異較大。

圖6 各系列模型骨架曲線

如表3所示，DM2比DM1極限承載力高出8.8%，base比DM2高出0.5%，DM3比base高出3.4%，DM4比DM3高出0.4%，DM5比DM4高出2.5%；base比HY1的極限承載力高出2.2%，HY2比base高出2.1%，HY3比HY2低5.3%，HY4比HY3低5.1%；LC2比LC1極限承載力高出1.1%，LC3比LC2高出16.3%，LC4比LC3高出1.0%，LC4比base高出7.8%。由此可知，隨著螺栓直徑增大，結構極限承載力略有提升；隨著螺栓連接的鋼板間摩擦面抗滑移系數增加，結構承載能力先增后減；隨著跨高比增加，結構極限承載力逐漸提升，幅度較大，與其他參數相比，跨高比對結構承載能力影響更顯著。

表3 各系列模型骨架曲線特征值

2.4 延性性能

如表3所示，各系列模型延性系數μ值均在4.3之上，表明3個參數下冷彎十字型連接件連接的剪力墻結構延性性能良好。DM2比DM1的μ值高出18.4%，base比DM2 高出4.6%，DM3 比base 高出2.0%，DM4 比DM3高出2.6%，DM5比DM4高出2.3%；

base比HY1的μ值高出2.6%，HY2比base高出3.3%，HY3比HY2低6.4%，HY4比HY3低7.2%；LC2比LC1的μ值高出2.4%，LC3比LC2高出8.1%，LC4比LC3高出6.2%，LC4比base高出1.7%。

螺栓直徑、跨高比增大，結構延性性能提升，LC比DM系列的μ值增幅大，跨高比對延性性能影響較大；抗滑移系數超過0.4，延性性能大幅度減弱。

2.5 耗能能力

能量耗散系數E值常用來評估結構耗散能量的能力,如圖7所示，各模型E值均在1.8以上，耗散能力優良。DM2、BASE、DM3、DM4、DM5與DM1相比，E值分別高出6.0%、8.3%、11.1%、13.5%、15.5%；HY2比HY1高出5.6%，HY4比HY2低出15.5%；base與LC1相比，E值高出20.3%，螺栓直徑、跨高比增大，結構耗能能力得到提升，跨高比增大能更大程度提升耗能能力，與螺栓連接的鋼材摩擦面抗滑移系數越大，結構剛度越大，耗能能力反而減弱，抗滑移系數小，螺栓連接的鋼板摩擦面容易發生滑移，有助于結構耗能。

3 結論

本文通過有限元軟件ABAQUS，在低周往復循環加載作用下，對3組參數14個冷彎十字型連接件連接的剪力墻結構模型進行加載計算、分析，得到以下結論：1）連接件梁端螺栓直徑增大，結構承載能力、耗能性能、延性性能得到提升。較小螺栓直徑使結構梁端屈服前螺栓先破壞，螺栓直徑取22～27 mm，有利于連接件末端梁翼緣塑性鉸的形成。2）改變與螺栓連接的鋼板摩擦面抗滑移系數對承載能力影響不大，對延性性能、耗能能力影響較大。抗滑移系數大于0.4，延性性能、耗能能力反而減弱，抗滑移系數為0.3～0.4時，結構承載能力、延性性能、耗能能力更好。3）跨高比對結構滯回性能影響較大，隨跨高比增加，承載能力、耗能能力、延性性能均得到提升，跨高比宜取4.5～6.6。