装配式与现浇结构墙梁节点地震荷载下受力性能分析

王文波

（广东省建筑设计研究院广州510010）

0 引言

预制装配式混凝土结构具有较多优点，如工期短、能耗低、现场环境好等［1-2］，但其抗震性能的不确定性也是制约装配式结构体系迅速发展的因素之一［3］。

预制装配式结构体系有利于促进我国建筑工业化、住宅产业化，其中框架-剪力墙结构是装配式结构体系中应用较为广泛的一种，在此研究背景下，本文分别对现浇结构、装配式结构中的墙梁连接节点进行有限元模拟计算，并分别对其震级下的抗震性能进行分析。

1 工程概况

1.1 项目简介

某保障性住房项目主体结构为剪力墙结构，工程平面、剖面如图1所示。

1.2 模型选取

本项目首层构件布置如图2所示。

1.3 构件拆分

图1 工程布置图Fig.1 Engineering Layo ut

取图2 圈中标记的墙梁连接节点，拆分后各构件尺寸如图 3 所示。其中，GHJ2、GHJ5为剪力墙Q1的构造边缘构件，GHJ2、GHJ8为剪力墙Q2的构造边缘构件，KL为框架梁。

装配式结构中，构造边缘构件均为现浇，Q1、Q2及KL均为预制构件。

图2 节点位置Fig.2 Joint Location

图3 节点平面及立面Fig.3 Joint Plan and Elevation

2 预制与现浇构件的对比

2.1 配筋及材料信息

墙身混凝土为C40，框架梁混凝土为C30。

各项构造边缘构件及框架结构梁配筋如表1所示。

2.2 装配式节点构造信息

2.2.1 后浇带

根据《装配式混凝土结构连接节点构造：15G310-2》，水平后浇带为整体浇筑，宽度等同剪力墙墙身的厚度，高度不小于楼板厚度，本文取120 mm，纵向钢筋配置为214。

2.2.2 墙梁连接处钢筋搭接

节点搭接构造依据《装配式混凝土结构连接节点构造：15G310-2》，其中墙梁连接处钢筋搭接如图4 所示，墙内水平分布筋与梁内预制钢筋搭接长度为1.2laE。

2.2.3 墙梁连接键槽

墙、梁连接节点依据《装配式混凝土结构连接节点构造：15G310-2》，装配式节点构造尺寸如图5 所示，框架梁中预留2根纵向钢筋在墙体后浇段内锚固。

3 荷载取值

3.1 装配式结构

根据《装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1-2014》8.1.1 条规定，装配式结构在水平地震作用下的弯矩、剪力值均取1.1倍现浇结构（见表2）。

表1 结构配筋信息Tab.1 Structural Reinforcement Information

图4 节点构造尺寸Fig.4 Joint Structure Size

图5 节点尺寸详图Fig.5 Joint’s Size Detail

3.2 现浇结构

从盈建科计算模型中提取各构件的内力（弯矩、剪力、轴力），如表2所示。

其中，由于本面墙体方向为Y向，所以对构件施加EY方向地震作用力。

表2 各构件荷载取值Tab.2 Load Value of Each Component

4 模型建立

4.1 材料本构

4.1.1 钢筋本构

钢筋的本构关系由《混凝土结构设计规范（2015版）：GB 50010-2010》确定，采用有屈服点的三折线模型［4］，具体参数由附录C中C.1.1～C.1.3条文计算采用。

4.1.2 混凝土本构

混凝土本构关系由《混凝土结构设计规范（2015版）：GB 50010-2010》确定，利用ABAQUS 中的“混凝土损伤塑性模型（CDP）”［5］定义，分别指定混凝土材料的轴心抗压强度、轴心抗拉强度、塑性应变值和损伤因子［6-7］。

4.2 加载模式

剪力墙分构造边缘构件和墙身构件两部分，分别对其加载弯矩、剪力、轴力；框架梁荷载较小，按照位移加载，在跨中设置耦合点以施加竖向位移。本模型共设置3个分析步加载：

第一步，施加微小作用力，使模型各构件之间平稳接触，便于后期数据迭代；

第二步，施加3.2节中的恒载作用；

第三步，上述恒载作用延续的同时，分别施加3项地震作用力。

4.3 接触处理

装配试件接触处理中，对于梁墙交界处及后浇带连接部分的接触定义库伦摩擦属性，由于除节点区域外的其他接触不是研究重点，使用tie（粘结）功能将现浇部分和预制部分贴合在一起，保证两者之间不发生脱离［8-9］。

5 现浇结构与装配式结构不同震级下的受力分析

5.1 小震下叠加Y向地震力

根据图6、图7，小震荷载工况下，钢筋及混凝土构件应力均在各自屈服强度以下，钢筋最大应力集中在边缘构件底部，混凝土最大应力集中在墙梁连接节点处，其中装配式结构应力及整体延性均略大于现浇结构。

图6 小震下钢筋骨架应力分布Fig.6 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

图7 小震下混凝土构件应力分布Fig.7 Stress Distribution of Concrete Members

5.2 中震下叠加Y向地震力

根据图8、图9，中震荷载工况下，钢筋已有部分达到屈服，最大应力位于边缘构件底部；混凝土构件的应力仍未达到屈服强度，最大应力分布在墙梁连接节点位置，装配式结构应力略大于现浇结构。

5.3 大震下叠加Y向地震力

根据图10、图11，大震荷载工况下，装配式结构整体变形较大，构造边缘构件GHJ2 底部混凝土局部压碎，继续加载后期其连梁上部混凝土将被压碎；现浇结构损伤略小于装配式结构。

图8 中震下钢筋骨架应力分布Fig.8 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

图9 中震下混凝土构件应力分布Fig.9 Stress Distribution of Concrete Members

图10 大震下钢筋骨架应力分布Fig.10 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

图 11 大震下混凝土构件应力分布Fig.11 Stress Distribution of Concrete Members

5.4 装配式结构不同震级下受力性能

5.4.1 连梁应力比对

由图12 可知，小中震下受力位于弹性阶段；大震下受压应力为27.4 MPa，连梁将发生混凝土挤压破坏。

5.4.2 后浇带应力比对

由图13可知，大震下墙体后浇带受拉强度为1.4 MPa，受压强度为21 MPa，均在极限强度范围内，不会发生破坏。

图12 连梁应力分布Fig.12 Stress Distribution of Continuous Beam

图13 后浇带应力分布Fig.13 Stress Distribution in Post-cast Zone

根据5.1～5.3 节，小震、中震荷载工况下装配式结构均未出现明显破坏，梁墙连接节点区域的混凝土受压应力较大；大震下构造边缘构件GHJ2 局部受压应力最大为31 MPa，已超过C40 混凝土的抗压强度标准值，导致局部受压破坏，计算单元出现变形；梁墙交接处局部混凝土单元压应力达到27 MPa，将于剪力墙底部受压损伤之后发生损伤。

6 数值模拟分析

为了研究墙梁节点承载能力、变形能力、层间刚度等性能，同时分析受力过程中混凝土和钢筋的应力、应变及裂缝的开展状态，对墙身施加水平位移荷载［10］，结果分析如下：

对两类结构的剪力墙均施加沿墙体方向（Y向）的侧向水平位移荷载，剪力墙损伤如图14所示。

对比上述两类结构的损伤过程，可知裂缝发展情况相似，均大致沿墙身的45o方向；不同之处在于装配式结构整体刚度略低于现浇结构，因而结构整体延性较好，裂缝开展相较现浇结构滞后，相同的层间位移荷载下，裂缝开展宽度也比现浇结构略小。

采集模型中的层间剪力、侧移数据，绘制现浇结构及装配式结构的荷载位移曲线如图15所示。

图 14 剪力墙损伤对比Fig.14 Shear Wall Damage Comparison

图15 荷载位移曲线Fig.15 Load Displacement Curve

部分数据如表3所示。

综上可知，两类结构的荷载位移曲线整体趋势相似，其中现浇节点的刚度、承载力均略大于装配式节点。

对于剪力墙结构，规范允许的最大位移角为1/1 000，本模型层高为3 000 mm，故对应的层间位移为3 mm，由曲线可以看出此时节点尚处于弹性阶段，结构承载能力仍有持续上升的空间，结构布置安全。

表3 两组墙梁结构信息对比Tab.3 Comparison of Two Groups of Wall-beam Structure Information

7 结论

由两组节点的模拟结果分析，得出以下结论：

⑴ 两类结构节点在小、中、大三级地震下的受力性能略有不同，但整体相似；

⑵ 在施加相同的层间位移荷载后，现浇结构应力略大于装配式结构，装配式结构延性略大于现浇结构；

⑶ 装配式结构可在墙梁连接处采取一定的构造措施，以保证连接面的贴合能力，如增设抗剪键槽，延长钢筋锚固长度等；

⑷ 基于有限元分析结果，通过现在的设计、构造方法及技术，装配式剪力墙结构基本可以实现与现浇结构相同的抗震能力。