裝配式剪力墻豎向焊接節(jié)點(diǎn)抗剪性能

徐詠 熊峰? 陳江

摘 要：為了對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)干式連接方案進(jìn)行研究，在已有研究成果新型預(yù)制復(fù)合墻板體系的基礎(chǔ)上提出了采用焊接連接的裝配式剪力墻干式節(jié)點(diǎn)方案，并通過兩批共5個(gè)焊接節(jié)點(diǎn)試件的單調(diào)靜力加載試驗(yàn)來考察豎向節(jié)點(diǎn)的抗剪性能和變形能力.試驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)試件具有較好的抗剪性能和變形能力；試件破壞始于節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，終于連接鋼板和錨筋剪斷致使節(jié)點(diǎn)試件失去承載能力.在此基礎(chǔ)上通過ABAQUS有限元分析軟件對節(jié)點(diǎn)試件受力過程進(jìn)行了模擬，并對各種材料參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較和分析.通過比較可知該類節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土抗壓承載力決定，縱筋、箍筋、預(yù)埋鋼板等材料參數(shù)變化對節(jié)點(diǎn)試件影響不大.最終，得到了豎向節(jié)點(diǎn)焊接連接方案可用于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接之中的結(jié)論.

關(guān)鍵詞：裝配式剪力墻；豎向節(jié)點(diǎn)；焊接連接；單調(diào)加載靜力試驗(yàn)；數(shù)值分析

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)以來，裝配式住宅因?yàn)槠淇焖?、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和易于保證質(zhì)量等特點(diǎn)得到了我國政府的重視.我國各地紛紛開展了對裝配式結(jié)構(gòu)的研究.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點(diǎn)的連接是關(guān)鍵，它在結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能、整體性能、耗能能力等方面起著主導(dǎo)作用 [1-2].

我國的裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究主要集中于濕式連接.如：姜洪斌等[3]提出了插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接的節(jié)點(diǎn)方案，該方案因操作簡單、質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)在我國黑龍江地區(qū)得到了應(yīng)用；張微敬等[4]提出了豎向鋼筋套筒漿錨連接的節(jié)點(diǎn)形式，其破壞形式、耗能能力、剛度等與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本相同，可作為裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接形式.近年來，裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)干式連接方案的研究開始出現(xiàn).如：孫建等[5]提出了新型全裝配式鋼筋混凝土剪力墻（IPSW）結(jié)構(gòu)，IPSW結(jié)構(gòu)中水平縫節(jié)點(diǎn)通過在預(yù)制鋼筋混凝土墻板上、下邊緣設(shè)置內(nèi)嵌邊框，將墻板內(nèi)豎向鋼筋端部焊接于內(nèi)嵌邊框內(nèi)側(cè)，相鄰層墻板之間借助連接鋼框、高強(qiáng)螺栓連接，從而傳遞相鄰層墻板之間的作用力.這種高強(qiáng)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(jié)點(diǎn)方案，該方案將房屋主體結(jié)構(gòu)邊緣通過鋼筋加強(qiáng)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(jié)點(diǎn)在純剪狀況下的受力和變形性能良好.

為提高農(nóng)村住宅的質(zhì)量，本文以建筑工業(yè)化為背景對裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列研究.結(jié)合我國現(xiàn)有裝配式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)狀況，在已有研究成果新型預(yù)制復(fù)合墻板體系的基礎(chǔ)上[7]，本文提出了裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)焊接連接方案.該方案為干式節(jié)點(diǎn)方案，具有施工迅速簡單、污染少、可拆卸替換等優(yōu)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究與數(shù)值分析.

1 節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)

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

為研究豎向節(jié)點(diǎn)的受剪性能，本文進(jìn)行了豎向節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn).通?？辜粼囼?yàn)有單剪模型和雙面直剪模型[9]兩種.單剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骱唵?，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(gè)豎向節(jié)點(diǎn)焊接連接試件，進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn).

1.2 加載制度

試驗(yàn)采用四川大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室500T壓力機(jī)進(jìn)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(jìn)行2次峰值為80 kN的預(yù)加載以壓實(shí)濕砂層.正式加載時(shí)，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(shù)加載直至試件破壞或荷載降至最大荷載的85%為止.試驗(yàn)過程中通過觀察連接鋼板的變形情況來確定節(jié)點(diǎn)試件是否達(dá)到屈服.

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)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(shí)，中柱預(yù)埋鋼板上部與混凝土擠壓致使混凝土開始出現(xiàn)受壓裂縫，同時(shí)預(yù)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(jìn)行，邊柱預(yù)埋鋼板內(nèi)側(cè)開始出現(xiàn)混凝土受壓裂縫（如圖4（b）所示）.當(dāng)荷載上升到297.4 kN時(shí)，邊柱錨筋1、2和3突然發(fā)生剪斷，致使預(yù)埋鋼板繞錨筋4發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并使周圍混凝土發(fā)生破壞（如圖4（c）所示），節(jié)點(diǎn)試件失去受力能力，試驗(yàn)結(jié)束.第1批試件的破壞為錨筋突然剪壞，破壞時(shí)連接鋼板、預(yù)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(fā)生脆性破壞，同時(shí)提高試件承載能力，第2批試件對預(yù)埋鋼板與錨筋的連接進(jìn)行了加強(qiáng).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(dāng)荷載上升到360 kN時(shí)，連接鋼板出現(xiàn)明顯剪切變形，左柱出現(xiàn)一條始于錨筋4（錨筋編號同圖4）下方、終于左側(cè)邊緣的較長斜裂縫，試件進(jìn)入位移控制加載模式.當(dāng)荷載達(dá)到400 kN時(shí)，右柱錨筋4下方出現(xiàn)對稱斜裂縫，同時(shí)原有裂縫繼續(xù)發(fā)展.497.2 kN時(shí)，左右柱錨筋1首先發(fā)生剪壞，中柱瞬間出現(xiàn)較大豎向位移，之后錨筋2和3接連剪壞，預(yù)埋鋼板繞著錨筋4轉(zhuǎn)動(dòng)并使周圍混凝土發(fā)生大面積破壞.最終，錨筋1、2、3剪壞，連接鋼板出現(xiàn)明顯塑性變形，試件不能繼續(xù)受力，試驗(yàn)結(jié)束.HJZ9破壞過程與HJZ7基本一致.破壞時(shí)，連接鋼板與錨筋1、2、3幾乎同時(shí)發(fā)生剪斷.HJZ8破壞過程與HJZ9相同的同時(shí)，還有砂漿的破壞.第2批試件的破壞圖如圖5所示，當(dāng)連接鋼板發(fā)生剪切變形時(shí)試件屈服，隨后錨筋和連接鋼板剪斷，整個(gè)破壞過程中焊縫保持完好，顯示出塑性破壞的形態(tài).

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

試件承載能力和相應(yīng)位移見表3.表3中，位移延性系數(shù)μΔ用試件名義屈服點(diǎn)和極限點(diǎn)對應(yīng)的位移的比值確定.此時(shí)的名義屈服點(diǎn)為用能量等值法[15]通過軟件MATLAB計(jì)算得到的，極限點(diǎn)為試件受力下降到峰值荷載85%時(shí)的數(shù)值點(diǎn)，當(dāng)試件受力未下降至峰值荷載的85%時(shí)，取加載結(jié)束時(shí)的荷載.試件骨架曲線如圖6所示.對表3和圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析可得到以下結(jié)論：

1）增強(qiáng)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(jìn)一步加強(qiáng)錨筋的連接可進(jìn)一步提升試件的受力性能和變形能力.HJZ9的延性系數(shù)和峰值荷載比HJZ7提高了84% 和 8.69%，但是，HJZ7混凝土強(qiáng)度僅為HJZ8和HJZ9的76%，造成此情況的原因有可能是混凝土強(qiáng)度的影響，故需要在數(shù)值分析中進(jìn)一步討論.

2）加密箍筋和增強(qiáng)錨筋連接試件的剛度明顯增加.各個(gè)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(shí)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(shù)是HJZ9的1.02和1.05倍.

2 數(shù)值分析

本節(jié)采用有限元分析軟件ABAQUS對試件進(jìn)行模擬，并比較各參數(shù)條件下各參數(shù)對節(jié)點(diǎn)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(shè)置為各向同性，混凝土本構(gòu)采用塑性損傷模型[12]；鋼筋、鋼板本構(gòu)采用雙折線模型.

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

各個(gè)相互接觸的不同區(qū)混凝土采用綁定約束.預(yù)埋鋼板上下邊緣與節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土建立硬接觸.錨筋與預(yù)埋鋼板接觸部分采用綁定約束，與混凝土接觸部分采用內(nèi)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(yīng)強(qiáng)度錨筋抗剪承載力；對于連接鋼板三面圍焊焊縫，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)試件破壞時(shí)焊縫均保持完好，故采用連接鋼板與預(yù)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(chuàng)建加載點(diǎn)，并將加載點(diǎn)與中柱柱頂表面耦合，同時(shí)將左柱和右柱柱底設(shè)置為完全固定.

1）鋼筋.圖9（b）中鋼筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力最大，最大Mises應(yīng)力為377.0 MPa，小于鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)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(nèi)應(yīng)力最大，且發(fā)生剪切變形.其最大應(yīng)力為397.5 MPa，達(dá)到鋼板極限應(yīng)力.

3）錨筋.圖10左中錨筋在預(yù)埋鋼板與混凝土交界處應(yīng)力最大（錨筋1、2、3達(dá)到極限強(qiáng)度623.3 MPa；錨筋4為549.7 MPa，超過屈服強(qiáng)度）并發(fā)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(yù)埋鋼板.圖10左下預(yù)埋鋼板只在與錨筋綁定處達(dá)到397.5 MPa，而稍微遠(yuǎn)離此處受力均較??；從預(yù)埋鋼板與節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的相對位置可看出預(yù)埋鋼板繞錨筋4發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng).

5）混凝土.圖10右中右柱混凝土在靠近中柱一側(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)左下方、節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)左上方混凝土腳部應(yīng)力最大，最大為18.1 MPa；在遠(yuǎn)離中柱一側(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)右上方、節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)右下方腳部應(yīng)力最大，最大為10.3 MPa；其他區(qū)混凝土應(yīng)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(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土上，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合.

2.2.2 骨架曲線與特征值

各個(gè)試件的試驗(yàn)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(shù)值結(jié)果中骨架曲線初始剛度均偏大.這可能是因?yàn)樵嚰偸谴嬖诳障丁⒉幻軐?shí)等因素使試驗(yàn)存在滑移，導(dǎo)致位移偏大，而數(shù)值分析不存在這一現(xiàn)象.

2）數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的趨勢相同、峰值荷載差別均很小.HJZ1和HJZ2數(shù)值結(jié)果中骨架曲線達(dá)到峰值荷載后不久計(jì)算即中斷，HJZ7達(dá)到峰值荷載后荷載開始降低，HJZ9達(dá)到峰值荷載后有著很長的平滑段，走勢均與試驗(yàn)結(jié)果相似.同時(shí)，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(nèi)，兩者吻合較好.驗(yàn)證了有限元分析方法對該類試件進(jìn)行分析計(jì)算的有效性和有限元模型的正確性.

2.3 參數(shù)分析

采用HJZ9模型進(jìn)行參數(shù)分析.為全面考察焊接節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的影響因素，并得到更好的受力能力和經(jīng)濟(jì)的構(gòu)造措施，以HJZ9為原始模型，改變鋼筋、鋼板、混凝土在強(qiáng)度、直徑、尺寸各方面參數(shù)，共建立了19個(gè)有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，模型參數(shù)改變詳見表5，計(jì)算結(jié)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(shù)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(shí)，7.5 mm時(shí)數(shù)值模型因?yàn)樽冃芜^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(huì)使節(jié)點(diǎn)脆性破壞嚴(yán)重.

2.3.4 混凝土強(qiáng)度

節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度的變化見模型HJZ9-7和HJZ9-8.節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)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(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土和其他區(qū)混凝土強(qiáng)度變化的影響.說明節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土材料參數(shù)的改變對試件極限承載力有一定影響而節(jié)點(diǎn)區(qū)和其他區(qū)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(qiáng)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(yù)埋鋼板厚度

預(yù)埋鋼板厚度的變化見模型HJZ9-15和HJZ9-16.預(yù)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(yù)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(gòu)造措施

鋼筋構(gòu)造措施的變化見模型HJZ9-18、HJZ9-19和HJZ9-20.鋼筋構(gòu)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(gòu)造的變化對試件影響很小，此時(shí)選取最為經(jīng)濟(jì)的鋼筋構(gòu)造措施，即為縱向4根縱筋、箍筋間距均為150 mm.

3 結(jié)論

通過5個(gè)豎向節(jié)點(diǎn)焊接連接試件的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析可得到以下結(jié)論：

1）裝配式剪力墻豎向節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)試件破壞始于節(jié)點(diǎn)周圍混凝土出現(xiàn)裂縫，終于連接鋼板和錨筋剪斷致使節(jié)點(diǎn)失去連接能力.HJZ8和HJZ9節(jié)點(diǎn)方案較好，整個(gè)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(yàn)結(jié)果表明，錨筋和連接鋼板的加強(qiáng)對試件承載能力和變形性能有較大提高；接縫進(jìn)行砂漿填實(shí)對節(jié)點(diǎn)試件有一定的改善作用.

3）數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在破壞模式和骨架曲線上均吻合較好，參數(shù)分析顯示：縱筋、箍筋、節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土、其他區(qū)混凝土和預(yù)埋鋼板對節(jié)點(diǎn)抗剪性能沒有明顯的影響；節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)混凝土的存在對試件剛度和承載能力有一定促進(jìn)作用；錨筋和連接鋼板是決定節(jié)點(diǎn)承載能力的最重要因素.

4）豎向焊接節(jié)點(diǎn)所在墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋構(gòu)造措施優(yōu)選方案是墻板暗柱縱筋不小于4根C12，箍筋C8@150節(jié)點(diǎn)區(qū)可不加密；對錨筋和連接鋼板加強(qiáng)可大幅改進(jìn)節(jié)點(diǎn)性能.

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