雙鋼板混凝土組合剪力墻-梁內(nèi)插隔板節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

孫 磊（淮安市現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223200）

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程建設(shè)快速推進(jìn)，大量的鄉(xiāng)村人口開始涌入城市，使得高層及超高層建筑數(shù)量越來越多，結(jié)構(gòu)形式也隨著建筑性能的要求變得層出不窮。優(yōu)化的建筑結(jié)構(gòu)形式一方面可以提高超高層建筑的使用性能，另一方面也可以提升建筑的美感并減少其經(jīng)濟(jì)成本，對于建設(shè)精品超高層建筑工程具有十分重要的意義，滿足了國家建設(shè)高質(zhì)量長壽命房屋建筑政策的需求。

目前，超高層結(jié)構(gòu)建筑主體的抗剪力結(jié)構(gòu)仍然采用傳統(tǒng)的混凝土剪力墻，雖然具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度，但是對其厚度的要求較高，減少了建筑的使用面積且增加了建筑成本及施工難度。因此，雙鋼板組合剪力墻作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，由于其高效的抗力功能開始被廣泛應(yīng)用[1-3]。其中，墻-梁連接節(jié)點(diǎn)是雙鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)中保證傳力可靠的關(guān)鍵部位。目前，張會凱等人[4]分析了多腔體鋼板組合剪力墻-型鋼梁節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；李硯波等人[5]研究了對肋板型翼緣加強(qiáng)組合墻節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的承載能力及延性。李彬洋等人[6]提出了適用于多腔式鋼管混凝土的U型板節(jié)點(diǎn)。上述研究已經(jīng)證明了雙鋼板混凝組合剪力墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計的可行性，但是均需要進(jìn)行焊接。因此，本文建立了雙鋼板組合剪力墻-梁內(nèi)插式節(jié)點(diǎn)仿真模型，分析了壁厚、隔板埋入深度和外伸寬度對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，以期為高性能剪力墻的建設(shè)提供一定的設(shè)計及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

江蘇某高層建筑，1～10 層的建筑結(jié)構(gòu)采用了雙鋼板組合剪力墻，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造采用內(nèi)插隔板銜接的結(jié)構(gòu)形式。雙鋼板組合剪力墻-梁的節(jié)點(diǎn)主要包括內(nèi)插板節(jié)點(diǎn)及梁拼接節(jié)點(diǎn)，具體的節(jié)點(diǎn)平面圖如圖1所示。其中，剪力墻長度為1280mm，懸挑梁長度為400mm，鋼梁長度為1178mm。實(shí)際工程中，首先，必須提前加工雙鋼板組合剪力墻，并在端柱位置開槽以供內(nèi)插板嵌入，采用全熔透焊接的方法將兩者銜接起來；然后，利用內(nèi)插板依次連接懸挑梁段腹板、端板、加勁肋；最后，利用高強(qiáng)螺栓將懸挑梁部分與鋼梁鏈接起來。上述各構(gòu)件銜接到一起，形成了新型的雙鋼板組合剪力墻-梁內(nèi)插隔板結(jié)構(gòu)形式。

圖1 雙鋼板組合剪力墻-梁結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型建立

為了分析不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)壁厚（3mm、5mm、7mm）、隔板埋入深度（80mm、100mm）和外伸寬度（7mm、10mm）對組合剪力墻-梁內(nèi)插節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，本文采用有限元仿真的方法開展。在本文的有限元模擬中，所有構(gòu)件均采用8 節(jié)點(diǎn)減縮積分的三維實(shí)體單元。其中，模型建立過程中，對各個構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要對端柱內(nèi)的混凝土、節(jié)點(diǎn)域內(nèi)的鋼板網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；鋼梁及連接板件靠近節(jié)點(diǎn)處的梁段網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；連接板件的高強(qiáng)螺栓孔網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

本模型主要考慮了各構(gòu)件之間的接觸問題，高強(qiáng)螺栓與連接板件間的接觸法向采用硬接觸，切向采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.4；外包鋼板與內(nèi)插隔板的接觸同樣在法向采用硬接觸，切向采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.5；模型中的高強(qiáng)螺栓的螺桿直徑取螺紋內(nèi)徑截面并施加螺栓預(yù)緊力；鋼管與/內(nèi)插隔板的連接采用“Tie”命令模擬焊接的方式。

針對本模型的邊界條件及加載形式，將組合墻模型的底部進(jìn)行固定，加載梁進(jìn)行側(cè)向位移約束，并施加豎向荷載；梁端截面與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，然后進(jìn)行位移加載。加載過程中，保持豎向荷載不變，在鋼梁端部施加往復(fù)位移后進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，加載應(yīng)力及加載循環(huán)次數(shù)按照美國的抗震規(guī)范[7]。針對本仿真模型中需要輸入的材料參數(shù)，鋼材的本構(gòu)模型采用線性強(qiáng)化，強(qiáng)化模量取初始彈性模量的1%，屈服準(zhǔn)則采用Mises屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)化法則為隨動強(qiáng)化；混凝土的本構(gòu)模型采用損失塑性模型。在有限元模擬時，材料的模型輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

為了分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對墻-梁節(jié)點(diǎn)性能的影響，本文通過改變不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用上文建立的有限元仿真模型分析了壁厚（3mm、5mm、7mm）、隔板埋入深度（80mm、100mm）和外伸寬度（7mm、10mm）對組合剪力墻-梁內(nèi)插節(jié)點(diǎn)處的梁端反力和剛度的影響。

3.1 壁厚對墻-梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

為了分析端柱壁厚對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，本小節(jié)通過改變端柱的壁厚參數(shù)分析其對節(jié)點(diǎn)處鋼板剛度及梁力荷載的影響。圖2 呈現(xiàn)了端柱壁厚對雙鋼板混凝土組合剪力-墻內(nèi)插板節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能的影響規(guī)律。從圖中2（a）中可以看出，整體上，梁端反力與層間位移呈現(xiàn)S型函數(shù)的趨勢，且梁端反力與端柱壁厚呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，但是當(dāng)梁端角位移達(dá)到30mrad時，端柱壁厚對梁端反力無顯著影響。

圖2 端柱壁厚對節(jié)點(diǎn)處梁端反力和剛度的影響

對于墻-梁節(jié)點(diǎn)剛度與端柱壁厚的相關(guān)關(guān)系而言，從圖2（b）中可以看出，節(jié)點(diǎn)剛度與端柱壁厚同樣呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)端柱壁厚從3mm增加到5mm再增加到7mm，初始節(jié)點(diǎn)剛度增加了10%左右；但是當(dāng)梁端角位移達(dá)到30mrad 時，端柱壁厚對剛度也沒有顯著的影響[8-10]。上述現(xiàn)象是由于組合墻節(jié)點(diǎn)處的鋼板參與受力，端柱壁厚越大，可以提供更強(qiáng)的邊界約束，從而提升其梁端荷載及加卸載的剛度。根據(jù)上述研究結(jié)果可知，提高端柱壁厚對于提升節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能具有一定的限制，并不是所有條件均可提高其節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能，當(dāng)加載的梁處轉(zhuǎn)角位移低于30mrad 時，方可起到積極的作用，且轉(zhuǎn)角位移越低，端柱壁厚對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能提升效果越佳。

3.2 隔板埋入深度對墻-梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

為了分析隔板埋入深度對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，本小節(jié)通過改變隔板的埋入深度分析其對節(jié)點(diǎn)處鋼板剛度及梁受力荷載的影響。圖3 呈現(xiàn)了隔板埋入深度對雙鋼板混凝土組合剪力-墻內(nèi)插板節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能的影響規(guī)律。從圖中3 中可以看出，整體上，梁端反力與層間位移呈現(xiàn)S型函數(shù)趨勢，隔板埋入深度對梁端反力無顯著影響。因此，提升隔板的埋設(shè)深度對節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)性能無積極作用。

圖3 埋入深度對節(jié)點(diǎn)處梁端反力影響

3.3 外伸寬度對墻-梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

為了分析內(nèi)插隔板外伸寬度對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，本小節(jié)通過改變內(nèi)插隔板外伸寬度分析其對節(jié)點(diǎn)處鋼板剛度及梁端荷載的影響。圖4 呈現(xiàn)了內(nèi)插隔板外伸寬度對雙鋼板混凝土組合剪力-墻內(nèi)插板節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能的影響規(guī)律。從圖4 中可以看出，整體上，梁端反力與層間位移呈現(xiàn)S型函數(shù)趨勢，梁端反力與內(nèi)插隔板外深寬度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，且隨著梁端角位移的增加，外伸寬度對梁端反力的影響更顯著。對于墻-梁節(jié)點(diǎn)剛度與內(nèi)插板外伸寬度的相關(guān)關(guān)系而言，節(jié)點(diǎn)剛度與外伸寬度同樣呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)外伸寬度從7mm增加到10mm時，初始節(jié)點(diǎn)剛度增加了7.6%；但是當(dāng)梁端角位移達(dá)到30mrad 時，外伸寬度對剛度的影響程度開始下降[10-13]。根據(jù)上述研究結(jié)果可知，提高外伸寬度對于提升節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能具有一定的積極作用，但是隨著轉(zhuǎn)角位移的增加，外伸寬度對梁端受力的提升作用越來越顯著，而對節(jié)點(diǎn)處剛度的提升作用越來越低。當(dāng)轉(zhuǎn)角位移在20mrad 時，節(jié)點(diǎn)鋼板側(cè)面外伸寬度對節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)性能均具有顯著的積極提升作用。

圖4 外伸寬度對節(jié)點(diǎn)處梁端反力和剛度的影響

通過改變不同節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造參數(shù)對墻-梁節(jié)點(diǎn)處剛度和荷載影響的分析可知，提升端柱壁厚、隔板埋入深度及節(jié)點(diǎn)處鋼板側(cè)面外伸寬度對于節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能的積極作用具有一定的限制。當(dāng)加載的梁處轉(zhuǎn)角位移低于30mrad 時，方可起到積極的作用，且轉(zhuǎn)角位移越低，端柱壁厚對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能提升效果越佳；提升隔板的埋設(shè)深度對節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能無積極作用；隨著轉(zhuǎn)角位移的增加，外伸寬度對梁端受力的提升作用越來越顯著，而對節(jié)點(diǎn)處剛度的提升作用越來越低。綜上可知，當(dāng)轉(zhuǎn)角位移在20mrad 時，端柱厚度及節(jié)點(diǎn)鋼板側(cè)面外伸寬度對節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)性能具有明顯的積極提升作用，而改變隔板的埋設(shè)深度對于節(jié)點(diǎn)處力學(xué)性能的改善是沒有任何意義的。

4 結(jié)語

（1）梁端反力與層間位移呈現(xiàn)S 型函數(shù)趨勢，且梁端反力與端柱壁厚呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系；當(dāng)端柱壁厚從3mm 增加到5mm 再增加到7mm，初始節(jié)點(diǎn)剛度增加了10%左右；但是當(dāng)梁端角位移達(dá)到30mrad時，端柱壁厚對梁端反力和剛度也無顯著影響。

（2）隔板埋入深度對節(jié)點(diǎn)處的梁端反力無顯著影響。

（3）梁端反力與內(nèi)插隔板外深寬度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，且隨著梁端角位移的增加，外伸寬度對梁端反力的影響更顯著。節(jié)點(diǎn)剛度與外伸寬度同樣呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)外伸寬度從7mm增加到10mm時，初始節(jié)點(diǎn)剛度增加了7.6%；但是當(dāng)梁端角位移達(dá)到30mrad 時，外伸寬度對剛度的影響程度開始下降。