新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙抗震性能研究

郝贵强,张鹏飞,赵媛媛,于海丰,邓国志

(1.中土大地国际建筑设计有限公司，河北石家庄 050046；2.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；3.河北省岩土与结构体系防灾减灾技术创新中心(筹)，河北石家庄 050018；4.河北科技大学智能低碳装配式建筑技术研究中心，河北石家庄 050018)

在装配式结构中，装配式建筑接缝连接始终处于核心地位[1]。当前装配式剪力墙接缝处的连接方式主要采用湿、干2种方式，湿式连接主要采用套筒灌浆[2-4]，浆锚搭接[5]等。干式连接有预应力连接、螺栓连接等连接方式。干式连接相比湿式连接更能够保障灌浆质量等问题，并具有易施工、效率高等优势。例如：KURAMA[6]和PEREZ等[7]的研究证明，无粘结预应力预制混凝土剪力墙拥有理想的自复位性能。LIM等[8]提出了一种新型T形剪力墙与螺栓钢板的连接形式，对2组T形试样进行反复加载试验，表明该连接节点具有较好的延性与耗能能力；WILSON等[9]研究分析了装配式结构中通过螺栓固定相连起来的连接式节点结构的动力特性；BORA等[10]对带螺栓连接的预制剪力墙进行了水平抗剪承载力试验,并对连接件的受力机理进行了研究。王增[11]设计了一种型钢连接预制混凝土剪力墙的节点连接方法，型钢连接混凝土剪力墙的承载能力与现浇式剪力墙具有较好的一致性。SUN等[12]通过2个阶段的连接框架计算出了截面上的正应力和剪应力，在此基础上，提出了螺栓受力长度的概念，并推导出了高强螺栓的纵向剪切和横向剪切应力，并基于该模型，对连接处的滑动特性进行了分析。但是，与湿式连接相比，目前关于干式连接的装配式混凝土剪力墙的研究还很少。

本文提出了一种新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙(PSW-2)，通过有限元模拟，对PSW-2墙、文献[13]中剪力墙(PSW-1)及现浇混凝土剪力墙(SW-1)3种墙体的抗震性能进行对比分析，进一步研究轴压比和剪跨比对墙体抗震性能的影响。

1 新型装配式剪力墙构造

新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙的具体构造为在预制剪力墙两侧预埋连接钢板，连接钢板包括竖向钢板和水平钢板，竖向钢板在槽口内通过高强螺栓连接。相比文献[13]中的钢板螺栓连接装配式剪力墙，新型钢板螺栓连接装配式剪力墙在墙体两边构造柱也进行装配式连接处理，同时在有竖向钢板的位置墙体预留了槽口，进行2次灌浆，能有效地增强上下墙体的整体性，部分构造如图1所示，有关该墙体的详细构造说明等见文献[14]。

图1 新型装配式剪力墙构造示意图Fig.1 Schematic diagram of the new fabricated shear wall structure

2 有限元分析

2.1 模型设计

为对比研究新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙的抗震性能，本文共设计了3种墙体：1)现浇剪力墙试件，编号为SW-1；2)文献[13]中剪力墙试件，编号为PSW-1；3)本文所设计的新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙试件，编号为PSW-2。3种墙体的配筋与几何参数见表1和图2，底梁中预埋钢筋未画出。

表1 剪力墙模型Tab.1 Shear wall model

图2 各试件几何参数及配筋Fig.2 Geometric parameters and reinforcement of each specimen

2.2 数值模型建立

利用ABAQUS软件对3种不同试件进行数值模拟。试件SW-1，PSW-1及PSW-2的钢筋、钢板屈服强度fy、抗拉强度ft均采用文献[13]中材料强度参数实测值，连接螺栓采用M16，10.9 s高强螺栓。各剪力墙试件混凝土均采用C35混凝土，泊松比为0.2。抗压强度fc、抗拉强度ft及弹性模量Ec按《混凝土结构设计规范》[15]进行计算。

各剪力墙试件中，钢筋单元采用桁架单元T3DR进行模拟，混凝土、钢板及螺栓均单元定义为C3D8R单元。钢板、钢筋与混凝土之间的接触采用预埋接触；后浇区域和剪力墙墙身之间的接触采用摩擦接触。施加荷载分3个步骤进行：首先对墙体施加轴力，然后对连接螺栓施加螺栓荷载，最后对加载梁施加横向荷载。有限元模型按照《建筑抗震试验规程》[16]进行低周循环往复加载，如图3所示，屈服之前每级加载2 mm，每级循环1次，屈服后再进行屈服变形加载，每级加载6 mm并每一加载级重复2次。

图3 加载制度Fig.3 Loading system

2.3 数值模拟方法验证

为检验数值模拟方法的有效性，在试验工况下对PSW-1墙体试件进行模拟[13]，并将模拟所得结果与试验数据进行比较，由图4可知，模拟与试验极限荷载平均误差为3%～6%。2个构件由弹性阶段进入弹塑性阶段后，2条曲线趋势存在一定差异，原因在于实际试验加载过程中，试件与试验台地面间的锚固约束有限，试件与地面间存在滑移。而数值模拟中，试件基础与地面完全锚固且试件钢筋混凝土之间不存在粘结滑移。所以在弹塑性阶段相同水平荷载作用下，实际试验中试件位移大于理想条件下数值模拟试件的水平位移。通过整体有限元模拟得到的骨架曲线与实验数据的拟合[17]，取得了良好的拟合效果，说明数值模拟方法有效。

图4 PSW-1低周循环往复加载骨架曲线Fig.4 PSW-1 low cycle reciprocating loading skeleton curve

2.4 3种墙体抗震性能对比

有限元模拟各试件滞回曲线如图5所示。对比SW-1与PSW-1的滞回曲线，可见PSW-1试件的侧向承载能力更强，新型剪力墙中预埋钢板可以有效地改善其侧向刚度；对比PSW-1与PSW-2的滞回曲线可以看出，PSW-2滞回曲线更加饱满，可知新型钢板螺栓连接方式较已有的钢板螺栓连接方式更能够有效地提高试件的耗能能力。

图5 各试件滞回曲线及骨架曲线Fig.5 Hysteresis curve and skeleton curve of each specimen

各试件延性系数的计算结果见表2。

表2 各个试件的延性系数计算结果Tab.2 Calculation results of ductility coefficient of each specimen

由表2可看出，试件SW-1的位移延性系数较试件PSW-1，PSW-2略小，表明采用钢板及螺栓连接方式能提高试件的延性。各构件延性系数均在4.07～4.75，满足规范要求。

本文采用等效粘滞阻尼系数he及能量耗散系数E衡量试件的耗能能力[18]。如表3所示，试件PSW-2在屈服点、峰值点与极限点对应的加载循环he与E的值均大于其余2个试件，试件PSW-2的耗能性能优于试件SW-1与PSW-1。

表3 各试件等效粘滞阻尼系数与能量耗散系数Tab.3 Equivalent viscous damping coefficient and energy dissipation coefficient of each specimen

由图6可知，在对剪力墙试件进行拟静力试验时，现浇剪力墙的刚度较钢板及螺栓连接混凝土剪力墙体的刚度略低，在弹性阶段，试件PSW-1的刚度相比试件PSW-2的更高，但在超过峰值荷载后PSW-1的刚度低于试件PSW-2，3种构件墙体退化趋势大致相同。

图6 环线刚度退化曲线Fig.6 Stiffness degradation curve of loop line

为研究加载过程中试件的破坏形态，分别导出正向位移+4，+8，+16 mm时SW-1，PSW-1及PSW-2的混凝土塑性应变云图，如图7所示。在弹性阶段位移为+4 mm时，各试件受拉侧墙角裂缝主要向水平方向发展，在这种情况下，试样的变形主要是弯曲变形；当位移为+8 mm时，各试件开裂情况加剧，试件SW-1裂缝沿墙身高度斜向发展，PSW-1，PSW-2裂缝主要分布于预埋钢板连接件上方处且由墙身端部向中部发展；当位移为+16 mm时，各试件均已发生极限破坏，SW-1与PSW-1，PSW-2试件破坏形态有所差异：SW-1构件墙身底端及两侧墙角破坏较为严重；由于PSW-1，PSW-2构件采用钢板螺栓式水平接缝，薄弱部位上移，破坏主要发生在连接件以上墙体角部。

图7 混凝土塑性应变云图Fig.7 Concrete plastic strain cloud map

3 新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙抗震性能参数化分析

为了更好地分析各种因素对钢筋混凝土剪力墙的作用。采用不同的剪切比和轴压比进行了数值模拟，探讨了上述因素对剪力墙的抗震效果。

图8是不同轴压比下剪力墙的骨架曲线，结果表明：当轴压比增加时，剪力墙水平承载力峰值增加，而延性下降。当试件超过峰值承载力后，高轴压比的试件承载力下降幅度要大。与轴压比0.25的试件相比，轴压比为0.40的试件最大承载能力增加了33.8%，轴压比为0.10的试件承载力峰值下降了18.3%。

为研究不同剪跨比对剪力墙结构承载能力的影响，模拟了3个不同高度的剪力墙，见表4。图9为不同剪跨比下剪力墙的骨架曲线，由图可见，剪跨比分别为1.77，1.35，1.04的剪力墙峰值荷载分别对应775.1，621.2，523.1 kN，可以看出剪跨比越大，墙体的峰值荷载越高。

表4 不同剪跨比对应的剪力墙尺寸Tab.4 Shear wall dimensions corresponding to different shear span ratios

4 结 语

本文提出了一种新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙，对其进行了数值模拟分析，得到如下结论。

图8 剪力墙在不同轴压比下的骨架曲线Fig.8 Skeleton curves of shear walls under different axial compression ratios

图9 不同剪跨比下剪力墙的骨架曲线Fig.9 Shear wall skeleton curve of under different shear span ratios

1)装配式剪力墙使用新型钢板螺栓连接，能有效增强上下墙体的整体性。

2)PSW-2试件的滞回曲线比PSW-1试件的更加饱满，可知新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙的耗能能力更强。

3)在试件加载中，现浇剪力墙的刚度较钢板及螺栓连接装配式混凝土剪力墙体的略低，其中试件PSW-1在弹性阶段的刚度高于试件PSW-2的，但在超过峰值荷载后PSW-1的刚度低于试件PSW-2的，3种构件墙体退化趋势大致相同。

4)试件发生极限破坏时，现浇试件墙身底端及墙角破坏较严重，而新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙裂缝主要发生在水平接缝以上墙角处，可认为是接缝处的钢板能提供较大的侧向刚度，连接处混凝土能保持良好的状态。

5)剪力墙承载力随轴压比增大而提高，随剪跨比增大而降低。

本研究的不足之处在于对新型钢板螺栓连接装配式混凝土剪力墙的模拟数量较少，只分析了轴压比、剪跨比对其剪力墙的抗震性能的影响，接下来的研究将探讨其他参数对该剪力墙抗震性能的影响。