基于螺栓连接的装配式复合剪力墙抗震性能研究.pdf

安徽建筑中图分类号：TU317文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0073-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0250引言剪力墙结构在建筑工程中应用广泛，主要承受水平荷载和竖向荷载。随着建筑物高度的增加，传统剪力墙结构的抗震设计必然要增加墙体厚度，提高墙体配筋率，以满足构件的轴压比和剪力重量比的要求1。研究发现，目前对复合剪力墙的研究重点主要集中在其力学性能上，现有的施工方法多为现浇制2，施工复杂，易对环境造成不利影响。因此，基于之前研究发现，并结合复合剪力墙的特点，提出了一种基于螺栓连接的装配式组合剪力墙水平节点连接方法3。首先，通过试验分析，对新型复合剪力墙的抗震性能进行了研究，验证了其可行性和可靠性；然后，分析了滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性、刚度和阻尼系数等相关参数对其抗震性能的影响；最后，提出了组合剪力墙的承载力计算方法。为工程应用提供了进一步的理论参考和技术支持。1连接节点的基本结构现有的对装配式复合剪力墙预制接头连接方法和装配式剪力墙接头力学性能的研究远远不能满足实际工程的需要3。针对上述缺点，提出了采用高强螺栓、耳板、U型钢筋、现浇混凝土连接上下钢板混凝土组合剪力墙的水平节点方案，如图1所示。水平节点考虑了内置钢板与钢筋混凝土板之间的连接，以保证预制构件的整体性。在水平节点处，预留的U形钢筋交错对接形成闭合环配筋，并分布水平配筋，进一步保证水平节点的抗侧力和承载能力。（a）总体示意图（b）侧视图（c）分解视图图1水平连接结构示意图2有限元分析2.1钢板混凝土组合剪力墙的概况采用 ABAQUS软件，对若干种新型组合的组合剪力墙进行了结构分析（见表1）。表1试样参数编号XJ-1ZP-1ZP-2ZP-3ZP-4ZP-5ZP-6钢板强度Q345Q345Q235Q390Q420Q345Q345轴向压缩比0.30.30.30.30.30.40.5其中，XJ-1 试件为现浇复合剪力墙。混凝土强度等级为C80，轴压比为0.3，墙体尺寸为 1900mm1000mm120mm，加 载 梁 尺 寸 为 1200mm200mm200mm，地 梁 尺 寸 为 1800mm600mm400mm，纵、横向配筋均为680，暗柱箍筋670，隐柱纵筋为 480。暗柱区设置了一根尺寸为154mm50mm5mm的钢柱。墙体内置钢板，厚度为 5mm，与暗柱钢焊接。后六个（ZP-1至ZP-6）为组合式复合剪力墙，参照XJ-1试件的基本参数。上部预制墙高1600mm，下端预留内置钢板和双耳板，单耳板宽度为300mm，高度为 75mm；下部预制墙高 150mm，上端预留内置钢板和双耳板，与上墙预留耳板尺寸相同，呈直线连接，水平接头的高度为 150mm。U 形钢筋分布在耳板缝隙中，左右间距为 80 mm，上下水平钢筋间距为65 mm。连接钢板的宽度、厚度与耳板的宽度、厚度一致，高度为120mm，上下墙之间留有 15 mm 的间隙，便于施工。2.2 模型建立在有限元模拟中，使用了单独建模，混凝土、钢板、螺栓和钢筋分别构成独立的构件。混凝土采用三维实体单元（C3D8R），钢 筋 采 用 三 维 桁 架 单 元（T3D2）。由于上下预制墙采用螺栓连接4，考虑到建模的可行性，钢板和螺栓均采用C3D8R单元。网格质量是影响 ABAQUS 软件计算结果精度的重要因素之一。合理选择网格密度和分区技术，将显著提高计算效率和计算结果的精度。一般认为，采用结构化或扫掠网格生成技术5，将单基于螺栓连接的装配式复合剪力墙抗震性能研究胡子林，魏巍（中国建筑第二工程局有限公司，北京101100）摘要：为了推动建筑工业化进程，采用ABAQUS对钢筋混凝土组合剪力墙进行了非线性实验研究。通过对现浇试件和组合试件的应力云图、延性、刚度和承载力的比较，验证了新型组合剪力墙抗震性能的可靠性。此外，还初步探讨了钢板内强度和轴压比对其抗震性能的影响。结果表明，新型装配式复合剪力墙的水平节点连接方法能有效地传递节点处的荷载，是一种可靠的连接方法。由于水平缝的存在，装配式试件的抗震性能低于现浇试件。此外，随着钢板强度和轴压比的增加，组合试件的承载力不断提高，但延性减弱。结合有限元分析结果，提出了基于叠加原理的组合剪力墙抗弯承载力计算方法，计算值与模拟值吻合较好。关键词：装配式；螺栓连接；复合剪力墙；抗震性能作者简介：胡子林(1994-)，男，安徽桐城人，毕业于安徽建筑大学土木工程专业，本科，学士。专业方向:土木工程。图2结构模型建筑结构研究与应用73安徽建筑元划分为六面体，可以保证网格的质量。以ZP-1试样为例，如图2所示。地梁采用地脚螺栓固定，建模时考虑地梁受充分约束。在型钢和钢板之间使用焊丝，模型通过Merge命令将二者合为一体。3结果与讨论3.1应力云图水平缝的存在对装配式复合剪力墙的抗震性能有着重要的影响。在节点性能较差的情况下，装配式复合剪力墙的破坏模式将与现浇式组合剪力墙有很大的不同。通过混凝土损伤云图和钢筋应力云图，可以更直观地反映复合剪力墙的应力发展状况和应力破坏形式。现浇试件XJ-1在墙角两侧应力最大，且有向中间移动的趋势。在最终破坏时，角钢两侧钢板的最大应力达到426MPa，钢筋最大应力为 718MPa，两者均已屈服。转角处混凝土破坏最为显著。破坏单元从墙两侧的下部区域向上发展，停在墙的1/3高度处。最终，混凝土在较低的压缩区失败，并且墙壁发生弯曲损坏。由于水平接缝的存在，预制试件ZP-1的最大应力分布集中在水平接缝处，减小了混凝土的损伤范围和钢材的应力发展区域，对整体力学性能产生一定的影响。然而，从应力云图可以看出，节点处的钢筋在承载力方面起着重要的作用。接头处U形钢筋的最大应力为 718MPa，连接钢板的最大应力为460MPa。另一方面，预制墙接缝边缘的钢筋发生了屈服，说明连接件可以传递上下墙的荷载。混凝土拉伸损伤变化小，压缩损伤范围在一定程度上缩小，从而减小了混凝土压缩损伤面。一般情况下，水平接缝的存在对复合剪力墙结构的力学性能有一定的影响，但由于接缝的连接性能较好，导致整体力学性能无明显差异，满足“强节点，弱构件”的抗震要求。3.2刚度分析复合剪力墙作为结构最重要的抗侧力构件，必须保证结构在地震荷载作用下的安全。但由于水平节点的存在，组合剪力墙抗侧刚度的可靠性还有待进一步研究。每个试样的刚度退化曲线如图4所示。由图 4可得，试件的刚度退化趋势相似，呈半U形。加载初期，刚度退化速率较快。随着位移的增加，刚度退化速率相对平缓。与现浇试件XJ-1和装配试件 ZP-1 相比，水平缝的存在对刚度退化有一定的影响。制作的ZP-1试样的初始刚度较弱，刚度退化速度较快。整体而言，装配式复合剪力墙的刚度小于现浇组合剪力墙，可以作为一种有效的抗侧力构件。在相同参数下，讨论了钢板强度对试件刚度的影响。对比分析了 ZP-1、ZP-2、ZP-3和 ZP-4这四种试件，发现相同位移下，钢板强度高的试件刚度退化速度相对较慢。随着试件水平位移的增加，组合剪力墙试件在不同钢板强度下的刚度差距逐渐减小。退化率基本相同，刚度退化曲线趋于平缓。在相同参数下，研究了轴压比对试件刚度的影响。对ZP-1、ZP-5和ZP-6试件进行对比分析，表明轴压比对试件刚度有显著影响。在加载过程中，随着水水平位移的增加，轴压比越小，则刚度退化越慢。（a）XJ-1与ZP-1的比较（b）轴压比比较图4试样刚度退化曲线图3.3 承载力分析承载力是评价构件强度的主要性能指标。本文采用屈服荷载法测定试件的承载力Py和峰值负载Pmax。各试件的承载力见表2。（a）压缩损伤（b）拉伸损伤（c）钢筋应力（d）钢板应力图3应力云图表2试样的承载力编号XJ-1ZP-1ZP-2ZP-3ZP-4ZP-5ZP-6Py（kN）837.55614.39557.89631.86645.20682.71742.82Pmax（kN）954.11727.84679.61742.73754.11798.39855.55（下转第79页）建筑结构研究与应用74安徽建筑有效控制4。5结构抗震加强措施项目设四层地下室，基础埋深约14.5m，与建筑物高度比值约为 1/3，大于规范 1/18 的要求。周围良好的土体侧限约束，提高了建筑的抗倾覆能力，也加强了建筑的抗震性能。采用框架-剪力墙结构，框架倾覆弯矩占整体的80%以上，剪力墙主要起到减轻结构扭转效应的作用。转换梁按照多跨连续设计，托柱转换梁内设置钢骨，并在支撑转换梁的框架柱内设置钢骨，确保在地震作用下，转换构件具备足够的承载能力及抗震延性。结构南面商场入口采用水平交叉斜框架梁，达到了减小梁跨，减轻结构扭转效应的作用。地下室地下一层采用梁板结构，楼板厚均不小于180mm，采用双层双向配筋，且每个方向的配筋率不小于0.25%，塔楼屋面板厚不小于120mm。对楼层大开洞的薄弱板带周围的梁应采取加强措施，梁纵筋应拉通布置。6结语根据 YJK 与 MIDAS 弹性静力计算结果分析，本结构周期比、结构层间位移角和位移比等均满足多遇地震作用下的性能水准要求。结构整体在罕遇地震作用下的弹塑性响应机制符合抗震工程“强柱弱梁”的概念设计要求，关键构件满足大震不屈服的性能水准要求，结构整体及构件均能达到预先设定的抗震性能目标。通过对罕遇地震作用下的楼板应力分析，找到其薄弱位置加强配筋和增加板厚，使楼板在罕遇地震作用下不破坏。本工程为A级高度，结构虽具有扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、构件间断等超限指标，但通过结构优化和抗震加强措施，使结构具有良好的抗震性能，对类似工程的设计和分析具有参考和借鉴意义。参考文献1GB 50223-2008,建筑工程抗震设防分类标准S.2JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程S.3张祚嘉,张小丽,张路.上海某超限高层建筑结构设计与分析J.建筑结构,2017,47(S1):74-77.4郑培成.中山某超限高层基于性能的抗震设计D.华南理工大学,2012.由表 2 可得，与现浇试件 XJ-1 相比，装配试件 ZP-1 的承载力存在一定程度的削弱。但其弱化程度并不显著，可作为可靠的承载力构件。在相同参数下，ZP-1、ZP-2、ZP-3 和 ZP-4 的承载力从 Q235 到 Q345、Q390 和 Q420，随钢板强度的增加依次增大。与试件ZP-2 相比，屈服载荷分别提高了 10.13%、13.26%和 15.65%，峰值载荷分别增加了 7.10%、9.29%和 10.96%。结 果 表明，随着钢板强度的增加，试件的屈服载荷提升效果稳定，峰值载荷提升效应减弱。在相同参数下，随着轴压比的增大，从 0.3到 0.4和 0.5，ZP-1、ZP-5和 ZP-6的承载力依次增大。与 ZP-1试件相比，屈服荷载分别提高了 11.12%和20.90%，峰值荷载分别增加了9.69%和17.55%，表明承载力的增长率随着轴压比的增大而减小。3.4 延性分析延性性能对试件的变形能力和抗震性能有很大影响，通常用延性系数来定量描述。试件的屈服位移y、极限位移u和延性系数如表3所示。从表3可以看出，与现浇试件XJ-1相比，装配试件 ZP-1 的延性系数略有降低。结果表明，由于水平缝的存在，装配式复合剪力墙的整体性能与现浇式复合墙体有较大的差异。其变形能力略弱于现浇复合剪力墙，延性相差不大。仅就延性而言，组装后的试件才能作为可靠的抗震构件。同一参数下，屈服位移和延性系数均随钢板强度的提高而降低。表明钢板强度对装配式组合剪力墙延性有一定影响，但这种不利影响相对较小，可以忽略。在同一参数下，屈服位移随轴压比增加而增加，延性系数降低。由此可见，轴压比对装配式复合剪力墙的延性有着显著的影响，特别是其不利影响。表3试样的延性性能编号XJ-1ZP-1ZP-2ZP-3ZP-4ZP-5ZP-6y（mm）7.836.926.057.177.367.257.86u（mm）322828282828284.084.044.633.903.813.863.564结论本文提出了一种基于螺栓连接的装配