鋼筋混凝土剪力墻與后澆筑的鋼筋混凝土梁的貫通式節點的設計研究

摘"要"清水混凝土剪力墻以及采用爬模施工的混凝土剪力墻在施工時，通常要求混凝土墻先于樓面梁板施工。當樓面梁采用鋼筋混凝土梁時，目前采用植筋或預留鋼筋接駁件的方式。該方式存在施工復雜、質量難以保障、新舊混凝土結合面不可靠等缺陷。介紹了一種新的鋼筋混凝土剪力墻與后澆筑的鋼筋混凝土梁的貫通式節點：通過在混凝土墻預留洞口并在洞內預留暗柱鋼筋及墻體水平筋、洞口內壁鑿毛等手段，保證了后澆筑混凝土梁與剪力墻之間節點的可靠性。靜力試驗和數值模擬結果表明，本節點的力學性能與整澆節點十分接近，驗證了本設計的可靠性和實用性。試件的試驗結果和數值分析結果吻合度較高，可以印證各自的可靠性。

關鍵詞"新老混凝土，"后澆筑，"貫通式，"梁墻節點，"節點試驗

Design and Research of Penetrating Joints between Reinforced Concrete Shear Walls and Post Poured Reinforced Concrete Beams

GONG Ming^1，*"HUANG Weizhi¹"WANG Wei²

（1.GOA Architectural Design Co.，Ltd.，"Hangzhou 310000，"China；"2.Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，"China）

Abstract"During the construction of plain concrete shear walls and concrete shear walls constructed using climbing formwork，"it is usually required that the concrete wall be constructed before the floor beams and slabs. When reinforced concrete beams are used for floor beams，"the current method is to plant steel bars or reserve steel bar connectors. This method has defects such as complex construction，"difficulty in ensuring quality，"and unreliable interface between new and old concrete. This article introduces a new type of through joint between reinforced concrete shear walls and post poured reinforced concrete beams："by reserving openings in the concrete wall and reserving hidden column steel bars and wall horizontal bars inside the openings，"and chiseling the inner wall of the openings，"the reliability of the joint between the post poured concrete beams and shear walls is ensured. Through static tests and numerical simulation calculations，"it has been proven that the mechanical properties of this node are very close to those of the cast-in-place node，"and the reliability and practicality of this design have been verified. The test results of the specimen are in good agreement with the numerical analysis results，"which can confirm their respective reliability.

Keywords"old and new concrete，"post pouring，"penetrating joint，"beam wall joint，"joint test

0"引"言

高層框架核心筒結構的建筑在建造時，為加快施工進度，核心筒剪力墻的施工通常采用爬模，《高層建筑混凝土結構技術規程》^［1］建議核心筒領先層數為核心筒剪力墻的施工進度超前樓面的梁板結構4～8層。清水混凝土結構墻在施工時，墻體模板需要具備足夠的密閉性能，防止漏漿^［2］；為保證清水墻的外觀質量，通常要求清水墻澆筑完成后再進行樓面梁板的澆筑^［3］。

在以上類型的結構工程中，鋼筋混凝土剪力墻先于樓面梁板施工。如采用鋼梁，梁端可以直接與混凝土墻面的預埋件連接。如采用混凝土梁，剪力墻與后澆筑的梁節點成為設計難點。

通常的剪力墻與后澆筑的混凝土梁的連接節點采用墻內預埋鋼筋接駁器的方式：接駁器一端鋼筋錨入墻體內，另一端與梁縱筋連接^［4］。該連接方式使框架梁的縱向鋼筋在同一個斷面通過接駁器連接，違反了《混凝土結構設計規范》^［5］中“同一區段內縱向受拉鋼筋機械接頭面積不宜大于50%”的規定。同時，梁端接駁件數量多且間距小，施工質量難以保障。該連接方式中，剪力墻與后澆筑梁間存在豎向新老混凝土的結合面，增加了梁端發生脆性破壞的風險。

本文介紹的新型剪力墻與后澆筑梁節點旨在解決現有技術的缺陷，為此類結構提供一種新的連接方式，節點做法如圖1所示。

1"剪力墻與后澆筑混凝土框架梁節點的貫通式處理方法

1.1 節點構造

剪力墻與后澆筑混凝土框架梁的貫通式節點的節點構造如圖2所示。混凝土墻在梁端位置布置暗柱，并預留與梁截面相同的洞口，墻體和暗柱的鋼筋保留在洞口內；后澆筑梁的縱筋伸進洞口內，并彎折錨固，如錨固長度不夠，可通過在墻體背后設置“背包”的方式保證鋼筋的錨固長度^［5］。

1.2 施工次序

貫通式節點的施工過程如圖3所示，具體步驟如下。

第一步：綁扎剪力墻鋼筋，與框架梁的連接位置，綁扎暗柱鋼筋。先不綁扎框架梁兩側一倍梁高范圍內及框架梁梁高范圍內的剪力墻水平鋼筋及暗柱水平箍筋。

第二步：架設剪力墻的模板，在樓層標高框架梁與剪力墻的相交位置，留出凹槽，凹槽的寬度和高度與框架梁的寬度和高度相同。

第三步：在模板凹槽內安裝開孔槽口裝置。

根據墻內水平鋼筋、暗柱豎向鋼筋、暗柱箍筋的位置，在開孔槽口裝置的底板和側板以及開孔槽口裝置蓋板上預留出穿筋孔。將暗柱鋼筋及梁高范圍內的水平鋼筋穿過穿筋孔，并與相應位置的剪力墻鋼筋完成綁扎。

第四步：澆筑墻內混凝土。將開孔槽口裝置蓋板從上向下穿過暗柱的縱向鋼筋放置于開孔槽口裝置頂部并用鋼釘固定。

第五步：澆筑完本層墻體后，待墻內混凝土達到預設強度后，將模板的整體上移，按上述1～4的步驟完成上一層混凝土剪力墻的澆筑。

第六步：敲除開孔槽口裝置及其蓋板，使整個預留洞口完整外露，把預留洞口內壁鑿毛并進行界面處理。

第七步：架設框架梁模板，綁扎框架梁的鋼筋，將框架梁的受力縱向鋼筋伸入墻體的預留方孔內，鋼筋伸入墻體的長度需滿足鋼筋的錨固長度。如果墻厚較薄，不能滿足鋼筋錨固長度時，縱向鋼筋可穿過墻體伸至墻體外，通過附加混凝土裝置（背包）與墻體形成整體。

第八步：澆筑框架梁的混凝土。節點核心區內混凝土標號與墻體混凝土標號相同，節點核心區外混凝土標號為框架梁本體的混凝土標號，節點核心區與梁本體之間通過45°角的鋼絲網分隔。

2"后澆筑貫通式節點試驗研究

2.1 試件設計

試驗構件尺寸及配筋如圖4所示：剪力墻厚250 mm，高度和寬度分別為1 800 mm和2 200 mm；框架梁截面600 mm×500 mm（同預留洞口尺寸），梁跨度加載點距剪力墻邊緣2 m。框架梁頂面與底面距剪力墻邊緣距離為0.8 m。

2.2 試驗加載裝置

剪力墻水平放置，框架梁向上豎直伸出，作動器在框架梁端部施加荷載。剪力墻的軸向壓力施加方式，如圖5所示。

剪力墻與外圍混凝土邊框整體澆筑，邊框外圍布置封閉鋼框架，千斤頂放置于鋼框架與試驗構件之間，通過千斤頂施加軸壓力。

2.3 加載力及加載方式

根據試件配筋與材料等級進行截面承載力計算，框架梁正截面極限載力為523 kN·m，斜截面極限承載力為698 kN·m。按照加載距離2 m計算，作動器需施加至少263 kN。墻體保證0.1的軸壓比，因此千斤頂施加剪力墻的軸向力需達到860 kN。

先通過千斤頂向剪力墻施加恒定的軸向壓力860 kN：采用每側3個千斤頂，每個千斤頂施加"287 kN的壓力。

然后通過作動器向框架梁端部施加荷載，采用位移控制的方式逐級施加位移荷載：前期每級"1 mm進行加載，直至開裂荷載；之后每級5 mm進行位移加載，直至試件屈服；之后采用每級10 mm進行位移加載，直至構件破壞。每級荷載之間的間隙不少于10 min，同時觀察和記錄試件的破壞形態。試件及加載裝置如圖6所示。

2.4 試驗結果

梁端加載的試驗結果P-δ曲線如圖7所示。

A點對應開裂荷載，P=110.6 kN，δ=3.53 mm；B點對應暗柱受拉鋼筋開始屈服的荷載，P=210.2 kN，δ=18.6 mm；C點對應框架梁受拉鋼筋屈服的荷載，P=247 kN，δ=33.7 mm。B點和C點構件的承載力已經增長變緩。D點對應最大荷載，P=274.64 kN，δ=79.7mm；E點對應試驗結束狀態，構件嚴重破壞，P=218 kN，δ=179 mm。

P-δ曲線的延性分析見表1。位移角是指梁端加載點的位移與加載點到墻內表面距離的比值，延性系數為極限位移與屈服位移的比值。該試件的框架梁在極限狀態下的轉角大于規范的要求值2%，且延性系數為4.25，顯示出較好的延性。

3"后澆筑貫通式節點力學性能的數值模擬

采用ABAQUS軟件進行數值模擬，對其各部件的力學特征作深入了解。本文進行單調加載下的分析。

3.1 材料本構關系及損傷變量

混凝土的本構關系離散性較大，本次建模混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》附錄C曲線^［5］，混凝土本構關系曲線如圖8所示。

采用ABAQUS軟件提供的混凝土損傷塑性模型（CDP模型）。損傷本構關系采用丁發興-余志武塑性損傷模型，文獻［6］用損傷力學理論，將彈性模量損傷和能量損失結合為一體，基于擬合試驗曲線的混凝土單軸受壓、拉應力-應變全曲線，通過大量數值計算并經回歸分析，建立了單軸應力狀態下混凝土損傷演變方程和損傷模型。文獻［7］中將混凝土單軸加載的應力-應變骨架曲線表達式寫成帶損傷變量函數g［D（ε）］的形式，將彈性模量損傷和能量損傷結合為一體，定義損傷變量并建立單軸應力狀態下混凝土損傷演化方程和損傷模型。

鋼材本構關系采用二折線的塑形強化模型，點取各組材料試驗后均值，屈服后的剛度為初始剛度的1/100，其本構關系如圖9所示。

3.2 后澆混凝土交界面處理

后澆筑梁貫通式節點的節點核心區存在后澆梁與混凝土墻預留洞口之間的新老混凝土界面，界面的受力性能影響該節點的受力性能，因而在有限元分析時，需要合理考慮新老混凝土界面的模擬。

ABAQUS中可采用庫侖摩擦模型、內聚力模型、彈簧模型、內聚力-摩擦混合模型用于模擬新老混凝土界面行為。在對新老混凝土界面進行模擬時可根據界面類型、界面受力狀態等實際情況選擇合適的模型^［8］。

為考慮后澆筑梁和墻體預留洞口之間的接觸面，本文的模型采用分離式建模方式。界面采用接觸屬性模擬，即Surface-based cohesive behavior模擬新舊混凝土界面間的粘結行為^［9］，接觸面之間定義法向行為、切向行為、粘結行為和損傷。損傷起始準則選用最大應力準則，按照文獻^［10］取法向和切向臨界應力。

鋼筋采用空間桁架單元T3D2，混凝土采用連續實體單元C3D8R。不考慮鋼筋與混凝土間的粘結滑移，鋼筋通過Embedded region約束嵌入到混凝土中，有限元模型如圖10所示。

3.3 單調加載分析結果

為對比分離式交界面模型，另外建立整體式模型，即模擬梁、墻一體澆筑的情況。

有限元分析中考慮材料非線性、幾何非線性，采用ABAQUS/Standard中隱式計算模塊中提供的Newton-Raphson法求解。

3.3.1 數值模擬結果

按單調加載計算，得到圖11的結果。

計算曲線和試驗曲線的對比圖可以看出：

（1）"不考慮接觸面的混凝土整體式模型更接近于試驗結果，其原因為：試驗室試件的混凝土墻預留洞口內壁經鑿毛并進行界面處理后方才進行節點區混凝土的后澆筑，且新舊混凝土之間存在墻內水平鋼筋、暗柱豎向鋼筋的連接，每個方向的配筋率超過0.25%的下限要求，后澆筑混凝土與墻混凝土之間屬于有效結合^［11］，因此本節點與整澆節點在性能上十分接近。

（2）"在荷載達到125 kN以前，三條曲線較為接近且均表現為線彈性特征；荷載達到150 kN左右，三條曲線均表現出明顯的屈服特征；分離式分析模型在荷載達到200 kN后，節點基本進入塑性鉸狀態；整體式模型在荷載達到280 kN后，節點基本進入塑性鉸狀態。

（3）"整體式模型的塑性強化段更接近試驗結果，且平臺段明顯長于分離式模型，其塑性鉸承載力為分離式模型的1.4倍。這是因為在墻體洞口內預留了大量的墻體和暗柱鋼筋，這些鋼筋起到新舊混凝土之間的植筋的作用，使新舊混凝土界面的破壞形態表現為延性破壞。

3.3.2 特征點的試驗現象及與整體式模型數值模擬結果的比較

（1）A 點：δ=3.53 mm時，P_試驗=110.6 kN，P_模擬=114 kN。

試驗梁的受拉側首先出現裂縫，寬度0.04 mm（圖12）；數值模擬模型在梁墻結合部及梁受拉側出現損傷程度超過0.9的受拉損傷區，墻體的暗柱鋼筋及梁的受拉鋼筋應力接近屈服值（圖13）。

（2）B點：δ=18.6 mm時，P_試驗=210.2 kN，P_模擬=221 kN。

試驗墻暗柱的受拉縱筋發生屈服，試驗梁受拉側與剪力墻交界處出現較大開裂，墻底已開展較多長裂縫（圖14）。數值模擬模型顯示在梁與墻的結合部及墻底（背包側）出現損傷程度超過0.9的受拉損傷區，墻體暗柱的縱筋出現屈服，梁的受拉鋼筋接近屈服（圖15）。

（3）"C點：δ=33.7 mm時，P_試驗=247 kN，P_模擬=250 kN。

試驗墻從節點根部出現的裂縫繼續開展，從節點根部貫穿至墻體側面（圖16）。數值模擬模型在梁墻結合部及墻底（背包側）出現的受拉損傷區繼續擴張，并延展至墻體側面；墻體暗柱的鋼筋和梁的受拉筋出現大量屈服（圖17）。

（4）"D點：δ=79.7 mm時，P_試驗=274.6 kN，P_模擬=285 kN。

試驗梁與剪力墻交界處開裂擴展加寬，剪力墻側面開展出較明顯的斜裂縫（圖18）。數值模擬模型在梁墻結合部及墻底（背包側）出現的受拉損傷區繼續擴張，并繼續沿墻體縱筋方向開展，在墻體側面的損傷區貫穿墻厚方向并出現明顯的斜向分布（圖19）。

（5）"E點：試驗結束點，P=218 kN，δ=179 mm。

框架梁與剪力墻交界處開裂明顯，剪力墻側面斜裂縫開裂加深，墻底相較墻頂破壞更為嚴重（圖20）。

數值模型在位移到達165 mm時退出運算。

4"結"論

為解決現有的剪力墻與后澆筑混凝土梁節點技術的缺陷，本文提出了一種新型的貫通式節點。從節點構造和施工過程中可以看出，該連接便于施工且質量容易控制。根據該節點的試驗結果和數值模擬結果，可以得到以下結論：

（1）"該節點的數值分析結果和試驗結果的吻合度較高，可以印證各自的可靠性。尤其是丁發興-余志武塑性損傷模型能較好地模擬出試驗構件的薄弱部位。

（2）"該貫通式節點核心區域的承載力和剛度優于構件且表現出良好的延性。試驗中最終的破壞形態為剪力墻的縱向鋼筋屈服，墻體混凝土受壓區被壓碎。

（3）"通過在混凝土墻洞口內預留暗柱鋼筋及墻水平筋，且插筋的配筋率大于0.25%；同時，洞口內壁鑿毛，這些手段使新舊混凝土之間的粘結充分，其力學性能與整澆節點十分接近。本節點可按普通現澆節點做設計。

（4）"在梁截面尺寸遠大于墻厚的情況下，通過試驗試件的破壞形態可以看出，當墻-框架梁作為抗側構件時，為防止墻體區域先于梁端破壞，有必要在墻內設置壁柱以避免剪力墻受限進入塑性。

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