外包鋼板混凝土組合剪力墻與樓板連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

孫永承，王春剛

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

隨著我國(guó)城市建設(shè)和城鎮(zhèn)化推進(jìn)不斷加快，高層、超高層建筑越來越多，這些建筑都需要保證其具有較好的抵抗風(fēng)荷載、地震荷載等側(cè)向水平荷載的能力［1］。傳統(tǒng)的高層、超高層建筑的主要抗側(cè)力構(gòu)件是普通鋼筋混凝土剪力墻，雖然能夠滿足現(xiàn)有的規(guī)范，但墻體過重、厚度過大，使得建筑使用面積減少，不適用于復(fù)雜多樣的建筑平面布置，也不符合建筑行業(yè)內(nèi)“建筑減厚減重”的主張［2］。對(duì)于單個(gè)外包鋼板混凝土組合剪力墻的受力性能已經(jīng)有較深入的研究，但對(duì)于與其他構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的研究較少。節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其性能直接影響結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)要滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”原則。

朱張峰等［3］對(duì)裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行有限元分析，并對(duì)2個(gè)現(xiàn)澆試件和2 個(gè)預(yù)制裝配式試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，從承載能力、變形能力、受力機(jī)理以及破壞模式等方面綜合分析其抗震性能。趙作周等［4］對(duì)整體式拼縫連接的預(yù)制樓板的預(yù)制剪力墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究節(jié)點(diǎn)在預(yù)制樓板懸臂端豎向荷載作用下的受力性能。年夫旭［5］對(duì)四邊不出筋墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回性能研究，對(duì)各組墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)比分析各組墻板節(jié)點(diǎn)耗能能力、延性等抗震性能指標(biāo)，對(duì)新型不出筋板墻板節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行探究和評(píng)價(jià)。劉映良［6］提出四種新型雙鋼板剪力墻與組合樓板連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行純彎剪切、彎剪和擬靜力實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行靜力加載方式的有限元模擬和參數(shù)分析。汪耀宇［7］對(duì)疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)有限元分析，3個(gè)試件的裂縫分布均在墻板錨固區(qū)域，均為受彎破壞；3個(gè)試件的骨架曲線基本相同，承載力、變形能力、剛度差別不大，疊合樓板中連接鋼筋錨固方式對(duì)墻板節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響不大，可以達(dá)到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?。金天德等?］采用有限元軟件對(duì)鋼板組合剪力墻和鋼梁側(cè)板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力機(jī)理分析，詳細(xì)剖析典型節(jié)點(diǎn)的受力性能。

現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)形式與雙鋼板混凝土組合剪力墻體系不切合，為此，本文設(shè)計(jì)三種新型連接節(jié)點(diǎn)形式并研究其抗震性能，利用有限元計(jì)算三種連接節(jié)點(diǎn)形式在低周往復(fù)荷載作用下的滯回曲線、骨架曲線以及破壞模式。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 節(jié)點(diǎn)形式

本研究對(duì)象為外包鋼板混凝土組合剪力墻與樓板連接節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)形式有三種：鋼板開孔穿孔連接、栓釘連接、栓釘與開孔混合連接，如圖1 所示。三種結(jié)構(gòu)外包鋼板厚度為10 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235，鋼筋HRB400直徑Φ8@200，保護(hù)層厚度為15 mm。

圖1 三種外包鋼板混凝土組合剪力墻與樓板連接形式，mmFig.1 Three joints between cladding steel plate concrete composite shear wall and floor slab，mm

1.2 鋼材和混凝土本構(gòu)關(guān)系模型

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用二折線模型。采用Mises屈服準(zhǔn)則，隨動(dòng)強(qiáng)化考慮Bauschinger 效應(yīng)。鋼板強(qiáng)度等級(jí)為Q235，屈服應(yīng)力為235 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?，彈性模量設(shè)為206 GPa，泊松比取0.3。鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，屈服應(yīng)力為400 MPa，塑性應(yīng)變?nèi)?。栓釘屈服應(yīng)力為800 MPa，塑性應(yīng)變?nèi)?。

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，描述單軸拉伸和壓縮損傷塑性部分的力學(xué)行為。混凝土損傷塑性模型參數(shù)取值：膨脹角30°，偏心率0.1，雙軸與單軸初始屈服強(qiáng)度比fb0/fc0=1.16，拉壓子午面第二應(yīng)力不變量的比值K=0.667，粘性參數(shù)0.000 5。

1.3 單元類型選取

有限元模型中，鋼板、混凝土剪力墻、混凝土樓板、栓釘、壓型鋼板、連接鋼板及角鋼均劃分成六面體單元網(wǎng)格，均選取縮減積分的線性六面體單元C3D8R，鋼筋網(wǎng)采用T3D2桁架單元。

1.4 接觸關(guān)系設(shè)置

設(shè)置各部件接觸關(guān)系時(shí)，充分考慮預(yù)制裝配的關(guān)系，互相分離的各個(gè)部件接觸面間的法向方向均設(shè)置為“硬接觸”，切向方向設(shè)置為摩爾-庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.5。鋼筋網(wǎng)、連接鋼板、角鋼和壓型鋼板采用Embeded 方式內(nèi)置于混凝土中，不考慮其與混凝土之間的粘結(jié)滑移。栓釘采用Embeded 的方式內(nèi)置于整個(gè)模型中，用于實(shí)現(xiàn)鋼板混凝土組合剪力墻與樓板的連接。

1.5 邊界條件與加載方式

三種節(jié)點(diǎn)的邊界條件與加載方式相同，如圖2所示。樓板端部參考點(diǎn)RP1約束y和z方向的平動(dòng)和繞x軸和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放其他兩個(gè)自由度的約束；鋼板混凝土組合剪力墻頂端同樣為鉸接支座，參考點(diǎn)RP2釋放z方向的平動(dòng)自由度和繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；鋼板混凝土組合剪力墻底端參考點(diǎn)為鉸接支座，參考點(diǎn)RP3僅釋放繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其余5個(gè)自由度。

圖2 邊界條件與加載方式Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions and loading methods

2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 滯回曲線和骨架曲線

三種鋼板混凝土組合剪力墻與樓板連接節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)加載條件下的滯回曲線和骨架曲線如圖3所示。節(jié)點(diǎn)形式1的滯回曲線有一定的捏縮，說明鋼板存在一定的塑性變形。節(jié)點(diǎn)形式2 和節(jié)點(diǎn)形式3 滯回曲線較為飽滿，具有較強(qiáng)的耗能能力。原因在于鋼板組合剪力墻與樓板連接的節(jié)點(diǎn)域增加了栓釘以及角鋼等連接件，使得節(jié)點(diǎn)的剛度增大，變形能力增強(qiáng)，墻板之間的連接更為可靠。因此，節(jié)點(diǎn)的抗震性能好于節(jié)點(diǎn)1，可以滿足實(shí)際的工程需要。

圖3 三種不同節(jié)點(diǎn)形式的滯回曲線和骨架曲線Fig.3 Hysteresis and skeleton curves of three joints

三種形式節(jié)點(diǎn)骨架曲線的走勢(shì)基本一致，均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，在墻板節(jié)點(diǎn)屈服之前處于彈性階段，初始剛度較大，骨架曲線近似為斜直線；當(dāng)進(jìn)入塑性階段后，剛度開始逐漸減小，骨架曲線偏向位移軸，最后骨架曲線近乎向水平方向發(fā)展。

節(jié)點(diǎn)3的荷載峰值稍大于節(jié)點(diǎn)2的荷載峰值，節(jié)點(diǎn)1 的荷載峰值最小。表明節(jié)點(diǎn)形式2 和節(jié)點(diǎn)形式3由于栓釘和角鋼的存在，抗震性能要優(yōu)于節(jié)點(diǎn)形式1。

2.2 破壞模式

壓型鋼板在破壞時(shí)的應(yīng)力云圖如圖4 所示。壓型鋼板應(yīng)力水平整體偏低，僅節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力較大。此時(shí)，壓型鋼板依然具有良好的承載能力和受彎作用。節(jié)點(diǎn)形式1 壓型鋼板端部區(qū)域應(yīng)力偏高，但鋼板整體處于彈性工作狀態(tài)，沒有產(chǎn)生塑性變形。節(jié)點(diǎn)形式2 和節(jié)點(diǎn)形式3 由于連接角鋼與栓釘?shù)拇嬖诋a(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼板端部中間小區(qū)域或兩端小區(qū)域的應(yīng)力很高，壓型鋼板與連接角鋼和栓釘也產(chǎn)生了一定的塑性變形，其他區(qū)域均處在彈性工作狀態(tài)

圖4 三種節(jié)點(diǎn)形式壓型鋼板應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephograms of profiled steel plates with three joints

混凝土樓板在破壞時(shí)的壓縮破壞云圖和拉伸破壞云圖如圖5 所示。三種節(jié)點(diǎn)形式混凝土樓板的受損區(qū)域主要集中在樓板端部連接鋼板及連接角鋼的外側(cè)區(qū)域。因?yàn)樵搮^(qū)域附近的混凝土沒有連接鋼板和連接角鋼的約束作用，在低周往復(fù)載荷作用下受彎開裂，并存在一定的幾何突變，造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致該區(qū)域附近的混凝土提前受損而破壞。

圖5 混凝土板壓縮破壞云圖和拉伸破壞云圖Fig.5 Compressive and tensile damage nephograms of concrete slab

連接鋼板、連接角鋼和栓釘部件在破壞時(shí)的應(yīng)力云圖如圖6 所示。節(jié)點(diǎn)形式1 上方連接鋼板邊緣的應(yīng)力較大，但始終處于彈性工作狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)形式2 和節(jié)點(diǎn)形式3 連接角鋼與栓釘分擔(dān)較多的荷載，應(yīng)力較大，且在栓釘與連接角鋼處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，但始終處于彈性工作狀態(tài)。

圖6 三種節(jié)點(diǎn)形式連接件應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephograms of three joints

3 結(jié) 論

對(duì)三種鋼板混凝土組合剪力墻與樓板連接節(jié)點(diǎn)形式的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、破壞模式的分析表明，三種節(jié)點(diǎn)形式的抗震性能均較好，可以滿足實(shí)際的工程需要。節(jié)點(diǎn)形式2 和節(jié)點(diǎn)形式3 采用連接角鋼和栓釘，分擔(dān)了更多的載荷，使鋼板混凝土組合剪力墻與樓板的連接更加可靠，抗震性能優(yōu)于節(jié)點(diǎn)形式1。