双钢板混凝土组合剪力墙-梁内插隔板节点力学性能分析

孙 磊（淮安市现代建筑设计研究院有限公司，江苏 淮安 223200）

近年来，随着国家经济的快速发展，城镇化进程建设快速推进，大量的乡村人口开始涌入城市，使得高层及超高层建筑数量越来越多，结构形式也随着建筑性能的要求变得层出不穷。优化的建筑结构形式一方面可以提高超高层建筑的使用性能，另一方面也可以提升建筑的美感并减少其经济成本，对于建设精品超高层建筑工程具有十分重要的意义，满足了国家建设高质量长寿命房屋建筑政策的需求。

目前，超高层结构建筑主体的抗剪力结构仍然采用传统的混凝土剪力墙，虽然具有较强的抗侧刚度，但是对其厚度的要求较高，减少了建筑的使用面积且增加了建筑成本及施工难度。因此，双钢板组合剪力墙作为一种新型结构形式，由于其高效的抗力功能开始被广泛应用[1-3]。其中，墙-梁连接节点是双钢板组合剪力墙结构中保证传力可靠的关键部位。目前，张会凯等人[4]分析了多腔体钢板组合剪力墙-型钢梁节点的结构参数；李砚波等人[5]研究了对肋板型翼缘加强组合墙节点力学性能，认为该节点具有优良的承载能力及延性。李彬洋等人[6]提出了适用于多腔式钢管混凝土的U型板节点。上述研究已经证明了双钢板混凝组合剪力墙节点设计的可行性，但是均需要进行焊接。因此，本文建立了双钢板组合剪力墙-梁内插式节点仿真模型，分析了壁厚、隔板埋入深度和外伸宽度对节点力学性能的影响，以期为高性能剪力墙的建设提供一定的设计及建设经验。

1 工程概况

江苏某高层建筑，1～10 层的建筑结构采用了双钢板组合剪力墙，其节点构造采用内插隔板衔接的结构形式。双钢板组合剪力墙-梁的节点主要包括内插板节点及梁拼接节点，具体的节点平面图如图1所示。其中，剪力墙长度为1280mm，悬挑梁长度为400mm，钢梁长度为1178mm。实际工程中，首先，必须提前加工双钢板组合剪力墙，并在端柱位置开槽以供内插板嵌入，采用全熔透焊接的方法将两者衔接起来；然后，利用内插板依次连接悬挑梁段腹板、端板、加劲肋；最后，利用高强螺栓将悬挑梁部分与钢梁链接起来。上述各构件衔接到一起，形成了新型的双钢板组合剪力墙-梁内插隔板结构形式。

图1 双钢板组合剪力墙-梁结构示意图

2 模型建立

为了分析不同的结构参数壁厚（3mm、5mm、7mm）、隔板埋入深度（80mm、100mm）和外伸宽度（7mm、10mm）对组合剪力墙-梁内插节点力学性能的影响，本文采用有限元仿真的方法开展。在本文的有限元模拟中，所有构件均采用8 节点减缩积分的三维实体单元。其中，模型建立过程中，对各个构件进行网格划分，需要对端柱内的混凝土、节点域内的钢板网格进行细化；钢梁及连接板件靠近节点处的梁段网格进行细化；连接板件的高强螺栓孔网格进行细化。

本模型主要考虑了各构件之间的接触问题，高强螺栓与连接板件间的接触法向采用硬接触，切向采用库伦摩擦，摩擦系数为0.4；外包钢板与内插隔板的接触同样在法向采用硬接触，切向采用库伦摩擦，摩擦系数取0.5；模型中的高强螺栓的螺杆直径取螺纹内径截面并施加螺栓预紧力；钢管与/内插隔板的连接采用“Tie”命令模拟焊接的方式。

针对本模型的边界条件及加载形式，将组合墙模型的底部进行固定，加载梁进行侧向位移约束，并施加竖向荷载；梁端截面与节点进行耦合，然后进行位移加载。加载过程中，保持竖向荷载不变，在钢梁端部施加往复位移后进行低周反复加载试验，加载应力及加载循环次数按照美国的抗震规范[7]。针对本仿真模型中需要输入的材料参数，钢材的本构模型采用线性强化，强化模量取初始弹性模量的1%，屈服准则采用Mises屈服准则，强化法则为随动强化；混凝土的本构模型采用损失塑性模型。在有限元模拟时，材料的模型输入参数如表1所示。

表1 材料参数

3 节点力学性能分析

为了分析不同结构参数对墙-梁节点性能的影响，本文通过改变不同的结构参数，利用上文建立的有限元仿真模型分析了壁厚（3mm、5mm、7mm）、隔板埋入深度（80mm、100mm）和外伸宽度（7mm、10mm）对组合剪力墙-梁内插节点处的梁端反力和刚度的影响。

3.1 壁厚对墙-梁节点力学性能的影响

为了分析端柱壁厚对节点力学性能的影响，本小节通过改变端柱的壁厚参数分析其对节点处钢板刚度及梁力荷载的影响。图2 呈现了端柱壁厚对双钢板混凝土组合剪力-墙内插板节点处力学性能的影响规律。从图中2（a）中可以看出，整体上，梁端反力与层间位移呈现S型函数的趋势，且梁端反力与端柱壁厚呈现正相关的关系，但是当梁端角位移达到30mrad时，端柱壁厚对梁端反力无显著影响。

图2 端柱壁厚对节点处梁端反力和刚度的影响

对于墙-梁节点刚度与端柱壁厚的相关关系而言，从图2（b）中可以看出，节点刚度与端柱壁厚同样呈现正相关关系，当端柱壁厚从3mm增加到5mm再增加到7mm，初始节点刚度增加了10%左右；但是当梁端角位移达到30mrad 时，端柱壁厚对刚度也没有显著的影响[8-10]。上述现象是由于组合墙节点处的钢板参与受力，端柱壁厚越大，可以提供更强的边界约束，从而提升其梁端荷载及加卸载的刚度。根据上述研究结果可知，提高端柱壁厚对于提升节点的力学性能具有一定的限制，并不是所有条件均可提高其节点处力学性能，当加载的梁处转角位移低于30mrad 时，方可起到积极的作用，且转角位移越低，端柱壁厚对节点力学性能提升效果越佳。

3.2 隔板埋入深度对墙-梁节点力学性能的影响

为了分析隔板埋入深度对节点力学性能的影响，本小节通过改变隔板的埋入深度分析其对节点处钢板刚度及梁受力荷载的影响。图3 呈现了隔板埋入深度对双钢板混凝土组合剪力-墙内插板节点处力学性能的影响规律。从图中3 中可以看出，整体上，梁端反力与层间位移呈现S型函数趋势，隔板埋入深度对梁端反力无显著影响。因此，提升隔板的埋设深度对节点处的力学性能无积极作用。

图3 埋入深度对节点处梁端反力影响

3.3 外伸宽度对墙-梁节点力学性能的影响

为了分析内插隔板外伸宽度对节点力学性能的影响，本小节通过改变内插隔板外伸宽度分析其对节点处钢板刚度及梁端荷载的影响。图4 呈现了内插隔板外伸宽度对双钢板混凝土组合剪力-墙内插板节点处力学性能的影响规律。从图4 中可以看出，整体上，梁端反力与层间位移呈现S型函数趋势，梁端反力与内插隔板外深宽度呈现正相关的关系，且随着梁端角位移的增加，外伸宽度对梁端反力的影响更显著。对于墙-梁节点刚度与内插板外伸宽度的相关关系而言，节点刚度与外伸宽度同样呈现正相关关系，当外伸宽度从7mm增加到10mm时，初始节点刚度增加了7.6%；但是当梁端角位移达到30mrad 时，外伸宽度对刚度的影响程度开始下降[10-13]。根据上述研究结果可知，提高外伸宽度对于提升节点的力学性能具有一定的积极作用，但是随着转角位移的增加，外伸宽度对梁端受力的提升作用越来越显著，而对节点处刚度的提升作用越来越低。当转角位移在20mrad 时，节点钢板侧面外伸宽度对节点处的力学性能均具有显著的积极提升作用。

图4 外伸宽度对节点处梁端反力和刚度的影响

通过改变不同节点处构造参数对墙-梁节点处刚度和荷载影响的分析可知，提升端柱壁厚、隔板埋入深度及节点处钢板侧面外伸宽度对于节点处力学性能的积极作用具有一定的限制。当加载的梁处转角位移低于30mrad 时，方可起到积极的作用，且转角位移越低，端柱壁厚对节点力学性能提升效果越佳；提升隔板的埋设深度对节点处力学性能无积极作用；随着转角位移的增加，外伸宽度对梁端受力的提升作用越来越显著，而对节点处刚度的提升作用越来越低。综上可知，当转角位移在20mrad 时，端柱厚度及节点钢板侧面外伸宽度对节点处的力学性能具有明显的积极提升作用，而改变隔板的埋设深度对于节点处力学性能的改善是没有任何意义的。

4 结语

（1）梁端反力与层间位移呈现S 型函数趋势，且梁端反力与端柱壁厚呈现正相关的关系；当端柱壁厚从3mm 增加到5mm 再增加到7mm，初始节点刚度增加了10%左右；但是当梁端角位移达到30mrad时，端柱壁厚对梁端反力和刚度也无显著影响。

（2）隔板埋入深度对节点处的梁端反力无显著影响。

（3）梁端反力与内插隔板外深宽度呈现正相关的关系，且随着梁端角位移的增加，外伸宽度对梁端反力的影响更显著。节点刚度与外伸宽度同样呈现正相关关系，当外伸宽度从7mm增加到10mm时，初始节点刚度增加了7.6%；但是当梁端角位移达到30mrad 时，外伸宽度对刚度的影响程度开始下降。