冷弯十字型连接件连接剪力墙结构滞回性能研究

陈霞，万馨，高鹏，明文卉

（内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010）

0 引言

目前，我国大量建筑为高耗能建筑，造成严重环境污染。不同于传统现浇建筑，装配式建筑不仅节能减排，且效率经济；大力发展装配式建筑有助于促进建筑业高耗能建筑向绿色建筑转型升级。已研究的带外肋板钢板混凝土组合剪力墙墙梁节点的连接采用焊接，焊缝处易发生应力集中造成脆性破坏[1]，且焊缝质量难以保证，本文基于带外肋板的钢板混凝土组合剪力墙的研究成果，提出一种使用冷弯十字型连接件连接节点，使预制装配式钢板组合剪力墙与钢连梁连接成一个整体，实现了结构全装配，节点通过大量螺栓、少量焊缝连接，构造简单，结构所有构件均可在工厂提前生产，现场装配化施工，避免现场湿作业方式存在资源消耗、安全隐患等问题。

为了解冷弯十字型连接件连接的组合剪力墙结构抗震性能，本文基于ABAQUS有限元软件建立了14个冷弯型十字型连接件连接的剪力墙结构有限元模型，分析不同参数对冷弯十字型连接件连接的剪力墙结构滞回性能的影响。

1 有限元模型建立

使用ABAQUS有限元软件建立3层冷弯十字型连接件连接的联肢钢板组合剪力墙结构模型。参考相关规范及已有研究成果设计模型尺寸，几何尺寸如图1所示。组合剪力墙外框采用两片钢板，内置竖向加劲肋，腔室内填筑混凝土；连梁采用H型钢梁，墙梁节点采用冷弯十字型连接件连接，连接件由一块十字型钢板90°冷弯成两个U型端，钢板组合墙与连接件一侧U型端通过10.9级高强对拉螺栓连接，钢梁与连接件另一侧U型端通过10.9级摩擦型高强螺栓连接，钢梁腹板与连接件采用焊缝焊接。

图1 结构及十字型连接件尺寸

模型考虑几何非线性与材料非线性，忽略初始缺陷及冷弯型连接件钢材残余应力。由于混凝土开裂、压碎会产生不可恢复损伤，混凝土采用ABAQUS自带的综合了多轴硬化塑性及各向同性的线性塑性损伤模型，选用丁发兴等[2]提出的本构关系，能很好模拟混凝土在加载后期的损伤情况；C30混凝土材料本构膨胀角为30°，流动势偏移值为0.1，控制平面上曲线形状参数Kc为2/3，泊松比为0.2，黏滞系数取0.0005，弹性模量为3.25×104MPa。钢材均为Q235B级钢，采用Von Mises三折线模型[2],能很好地模拟钢板塑性性能，钢材本构关系如图2所示，高强螺栓采用双折线模型，材料性能参数如表1所示。

图2 钢材本构

表1 材料性能

模型各部件均采用八节点线性减缩积分实体单元C3D8R。约束模型底部全部自由度，模型顶部设置平面外约束，在墙肢顶上施加竖向荷载，墙肢侧面顶端X方向耦合点上施加水平位移荷载，模型弹性阶段加载由荷载控制，每级循环一周，屈服后水平荷载由位移控制，以1倍的屈服位移Δy为增量，每级循环2周，加载至模型破坏或荷载下降至峰值荷载的85%以下，水平循环反复加载向X方向先推后拉。

钢板与加劲肋间的焊接通过绑定约束固定。模型中面面接触，法向行为采用“硬接触”，切向行为采用库伦摩擦模型，通过定义摩擦因数模拟钢板与混凝土间的黏结与滑移，钢板与混凝土间摩擦因数取0.6[3]，为真实模拟加载过程中螺栓滑移、螺栓孔壁挤压变形、板件间挤压等现象，按不同的摩擦面处理方式对螺栓接触的钢板相互间的摩擦面设置不同切向摩擦因数[4-5]，通过ABAQUS中的螺栓线荷载向螺栓施加预紧力，如图3所示。

图3 有限元模型

2有限元参数分析

本文通过变化连接件梁端螺栓直径、与螺栓连接的钢板摩擦面抗滑移系数[6]、钢梁跨高比3个参数，建立14个有限元模型，对模型进行计算分析。参考规范[4],对螺栓直径为22、24、27 mm的冷弯十字型连接件受剪力方向的栓距e1、e2及端距c1、c2进行重新设计,e2为90 mm,其他如表2所示。

表2 模型参数设计

2.1 DM系列模型破坏特征

图4为结构第二层，连接件、钢梁端部为结构A端（加载端）放大云图，结构屈服后，最大应力发展路径总结为7种：①梁两端G1、g1排螺栓孔→连接件梁端角部；②梁两端G2、g2、G3、g3排螺栓孔→连接件与翼缘交汇处；③梁腹板与连接件间的焊缝附近→腹板；④梁翼缘→腹板；⑤梁加劲肋焊缝附近→腹板；⑥梁两端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→连接件与翼缘交汇处；⑦梁两端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→连接件梁端角部。当位移加载至2Δy，DM1最大应力发展路径为⑥，DM2为⑦，base～DM5为①；加载至3Δy，DM1最大应力发展路径相继为⑥③、梁翼缘上的最大应力不断扩展，DM2为⑦③，base、DM4、DM5为①②③，DM3为①②；加载至5Δy，DM1最大应力发展路径相继为⑥③、梁翼缘上的最大应力充分发展，DM2为⑦③⑤，base、DM4、DM5为①②③④，DM3为①②④。

图4 DM系列模型破坏特征云图

DM1、DM2由于螺栓直径过小，冷弯十字型连接件发生翘曲并与梁翼缘接触面发生相对滑移，见图4（a）、图4（b），结构较早屈服，梁端螺栓均进入塑性状态，连接件与腹板间的焊缝附近应力集中水平较大。当墙端位移约Δy时，连接件与梁翼缘接触面发生相对滑移，连接件与梁翼缘间出现相对转角，说明螺栓直径过小会阻碍连接件有效传递应力，即螺栓直径较小的DM1、DM2在梁端屈服前螺栓先发生破坏，无法保证墙梁的可靠性连接。与DM1、DM2相比，base～DM5连接件末端的梁翼缘塑性铰的形成与发展更充分，表明较大的螺栓直径有利于连接件末端梁翼缘塑性铰的形成；DM3～DM5与base相比，连接件与腹板间焊缝附近最大应力水平有所降低，原因为螺栓孔较大，一定程度上削弱了螺栓孔附近钢材的刚度。

2.2 滞回曲线

图5为DM、HY、LC系列模型滞回曲线，均呈饱满梭形。DM系列模型中DM1、DM2的滞回曲线比其它饱满，滞回环包围面积更大，可见梁端连接件螺栓直径较大的结构整体耗能性能更优；LC系列模型中LC1、LC2弹性阶段滞回曲线斜率明显更大，说明跨高比为2.2～3.3时的结构初始刚度较大。

图5 各系列模型滞回曲线

2.3 承载能力

如图6所示，DM系列模型中DM1承载力下降速率较快，下降段明显，DM2～DM5的差异不大；HY系列模型曲线基本重合；与DM、HY相比，LC系列各模型承载力差异较大。

图6 各系列模型骨架曲线

如表3所示，DM2比DM1极限承载力高出8.8%，base比DM2高出0.5%，DM3比base高出3.4%，DM4比DM3高出0.4%，DM5比DM4高出2.5%；base比HY1的极限承载力高出2.2%，HY2比base高出2.1%，HY3比HY2低5.3%，HY4比HY3低5.1%；LC2比LC1极限承载力高出1.1%，LC3比LC2高出16.3%，LC4比LC3高出1.0%，LC4比base高出7.8%。由此可知，随着螺栓直径增大，结构极限承载力略有提升；随着螺栓连接的钢板间摩擦面抗滑移系数增加，结构承载能力先增后减；随着跨高比增加，结构极限承载力逐渐提升，幅度较大，与其他参数相比，跨高比对结构承载能力影响更显著。

表3 各系列模型骨架曲线特征值

2.4 延性性能

如表3所示，各系列模型延性系数μ值均在4.3之上，表明3个参数下冷弯十字型连接件连接的剪力墙结构延性性能良好。DM2比DM1的μ值高出18.4%，base比DM2 高出4.6%，DM3 比base 高出2.0%，DM4 比DM3高出2.6%，DM5比DM4高出2.3%；

base比HY1的μ值高出2.6%，HY2比base高出3.3%，HY3比HY2低6.4%，HY4比HY3低7.2%；LC2比LC1的μ值高出2.4%，LC3比LC2高出8.1%，LC4比LC3高出6.2%，LC4比base高出1.7%。

螺栓直径、跨高比增大，结构延性性能提升，LC比DM系列的μ值增幅大，跨高比对延性性能影响较大；抗滑移系数超过0.4，延性性能大幅度减弱。

2.5 耗能能力

能量耗散系数E值常用来评估结构耗散能量的能力,如图7所示，各模型E值均在1.8以上，耗散能力优良。DM2、BASE、DM3、DM4、DM5与DM1相比，E值分别高出6.0%、8.3%、11.1%、13.5%、15.5%；HY2比HY1高出5.6%，HY4比HY2低出15.5%；base与LC1相比，E值高出20.3%，螺栓直径、跨高比增大，结构耗能能力得到提升，跨高比增大能更大程度提升耗能能力，与螺栓连接的钢材摩擦面抗滑移系数越大，结构刚度越大，耗能能力反而减弱，抗滑移系数小，螺栓连接的钢板摩擦面容易发生滑移，有助于结构耗能。

3 结论

本文通过有限元软件ABAQUS，在低周往复循环加载作用下，对3组参数14个冷弯十字型连接件连接的剪力墙结构模型进行加载计算、分析，得到以下结论：1）连接件梁端螺栓直径增大，结构承载能力、耗能性能、延性性能得到提升。较小螺栓直径使结构梁端屈服前螺栓先破坏，螺栓直径取22～27 mm，有利于连接件末端梁翼缘塑性铰的形成。2）改变与螺栓连接的钢板摩擦面抗滑移系数对承载能力影响不大，对延性性能、耗能能力影响较大。抗滑移系数大于0.4，延性性能、耗能能力反而减弱，抗滑移系数为0.3～0.4时，结构承载能力、延性性能、耗能能力更好。3）跨高比对结构滞回性能影响较大，随跨高比增加，承载能力、耗能能力、延性性能均得到提升，跨高比宜取4.5～6.6。