徐咏 熊峰? 陈江

摘 要：为了对装配式剪力墙结构节点干式连接方案进行研究，在已有研究成果新型预制复合墙板体系的基础上提出了采用焊接连接的装配式剪力墙干式节点方案，并通过两批共5个焊接节点试件的单调静力加载试验来考察竖向节点的抗剪性能和变形能力.试验表明，节点试件具有较好的抗剪性能和变形能力；试件破坏始于节点周围区混凝土出现裂缝，终于连接钢板和锚筋剪断致使节点试件失去承载能力.在此基础上通过ABAQUS有限元分析软件对节点试件受力过程进行了模拟，并对各种材料参数进行了详细比较和分析.通过比较可知该类节点抗剪性能和变形能力主要由连接钢板、锚筋抗剪承载力和节点周围区混凝土抗压承载力决定，纵筋、箍筋、预埋钢板等材料参数变化对节点试件影响不大.最终，得到了竖向节点焊接连接方案可用于装配式剪力墙结构节点连接之中的结论.

关键词：装配式剪力墙；竖向节点；焊接连接；单调加载静力试验；数值分析

中图分类号：TU375 文献标志码：A

Shear Behavior Study on Welded Connection in Precast Shear Wall Vertical Joint

XU Yong， XIONG Feng?， CHEN Jiang

（School of Architecture and Environment， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Abstract： To study the dry connections in precast shear wall structure， this study presented a welded connection approach for precast shear wall vertical joint. By manufacturing and testing 5 specimens， the shear pattern and deformability of the dry connection got well studied. Results showed that the welded connection has a good shear patterns and deformability. The failure of the specimens began with the concrete cracks around the joints and ended up with the shear failure of the connecting steel plates and the anchor bars. Then， detailed analysis and comparison of material parameters were conducted using finite element analysis software ABAQUS. It was observed that shear pattern of welded connection was mainly determined by shear resistance of connecting steel plates， shear resistance of anchor bars， and compressive resistance of the concrete around pre-embedded steel plate； while longitudinal reinforcement， stirrup and pre-embedded steel plate had limited impact. We conclude that this welded connection approach can be utilized for the vertical joint of precast shear wall.

Keywords： precast shear wall； vertical joint； welded connection； monotonic loading static test； numerical analysis

21世纪以来，装配式住宅因为其快速、环保、经济和易于保证质量等特点得到了我国政府的重视.我国各地纷纷开展了对装配式结构的研究.装配式混凝土结构体系中，节点的连接是关键，它在结构的经济性能、整体性能、耗能能力等方面起着主导作用 [1-2].

我国的装配式结构节点研究主要集中于湿式连接.如：姜洪斌等[3]提出了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的节点方案，该方案因操作简单、质量易于保证等优点在我国黑龙江地区得到了应用；张微敬等[4]提出了竖向钢筋套筒浆锚连接的节点形式，其破坏形式、耗能能力、刚度等与现浇结构基本相同，可作为装配式结构的节点连接形式.近年来，装配式结构节点干式连接方案的研究开始出现.如：孙建等[5]提出了新型全装配式钢筋混凝土剪力墙（IPSW）结构，IPSW结构中水平缝节点通过在预制钢筋混凝土墙板上、下边缘设置内嵌边框，将墙板内竖向钢筋端部焊接于内嵌边框内侧，相邻层墙板之间借助连接钢框、高强螺栓连接，从而传递相邻层墙板之间的作用力.这种高强螺栓连接方式有着很好的变形和受力能力.王威等[6]提出了一种装配式剪力墙螺栓连接的节点方案，该方案将房屋主体结构边缘通过钢筋加强形成暗柱、暗梁并直接在暗柱、暗梁上开螺栓孔，最终通过螺栓连接形成房屋.此种干式节点在纯剪状况下的受力和变形性能良好.

为提高农村住宅的质量，本文以建筑工业化为背景对装配式结构进行了系列研究.结合我国现有装配式结构生产状况，在已有研究成果新型预制复合墙板体系的基础上[7]，本文提出了装配式剪力墙结构节点焊接连接方案.该方案为干式节点方案，具有施工迅速简单、污染少、可拆卸替换等优势[8].为了考察这种连接方案的抗剪性能和变形能力，本文对竖向節点进行了试验研究与数值分析.

1 节点性能试验

装配式剪力墙结构节点焊接连接方案的核心思想为各构件边缘做成暗柱和暗梁的形式用以放置焊接节点，通过连接钢板与预埋钢板焊接将墙板、楼板、构造柱相互连接起来.竖向节点（构造柱与墙板的连接节点）形式如图1（a）所示.组装完成后的农居房屋结构如图1（b）所示.

为研究竖向节点的受剪性能，本文进行了竖向节点性能试验.通常抗剪试验有单剪模型和双面直剪模型[9]两种.单剪试验模型制作简单，但很难避免弯矩影响，故本文采用双面直剪模型，制作2批共5个竖向节点焊接连接试件，进行拟静力加载试验.

1.2 加载制度

试验采用四川大学土木工程结构试验室500T压力机进行加载.试件加载制度采用荷载-位移双控制制度，即屈服前采用荷载控制加载，屈服后采用位移控制加载.正式加载之前，在试件中柱顶部铺一层约1 cm厚湿砂以使试件均匀受压并首先进行2次峰值为80 kN的预加载以压实湿砂层.正式加载时，以40 kN为级差加载至试件屈服；屈服后改为位移控制并取屈服位移的倍数加载直至试件破坏或荷载降至最大荷载的85%为止.试验过程中通过观察连接钢板的变形情况来确定节点试件是否达到屈服.

1.3 试验现象

以HJZ1为例介绍第1批试件的破坏过程.加载初始阶段，试件基本完好.荷载上升到140 kN时，中柱预埋钢板上部与混凝土挤压致使混凝土开始出现受压裂缝，同时预埋钢板下部与混凝土脱离接触形成一条水平缝（如图4（a）所示）.随着加载的进行，边柱预埋钢板内侧开始出现混凝土受压裂缝（如图4（b）所示）.当荷载上升到297.4 kN时，边柱锚筋1、2和3突然发生剪断，致使预埋钢板绕锚筋4发生转动，并使周围混凝土发生破坏（如图4（c）所示），节点试件失去受力能力，试验结束.第1批试件的破坏为锚筋突然剪坏，破坏时连接钢板、预埋钢板和焊缝保持完好，试件为没有屈服阶段的脆性破坏.

为防止发生脆性破坏，同时提高试件承载能力，第2批试件对预埋钢板与锚筋的连接进行了加强.加载初始阶段，第2批试件的破坏过程与第1批试件基本一致.对于HJZ7，当荷载上升到360 kN时，连接钢板出现明显剪切变形，左柱出现一条始于锚筋4（锚筋编号同图4）下方、终于左侧边缘的较长斜裂缝，试件进入位移控制加载模式.当荷载达到400 kN时，右柱锚筋4下方出现对称斜裂缝，同时原有裂缝继续发展.497.2 kN时，左右柱锚筋1首先发生剪坏，中柱瞬间出现较大竖向位移，之后锚筋2和3接连剪坏，预埋钢板绕着锚筋4转动并使周围混凝土发生大面积破坏.最终，锚筋1、2、3剪坏，连接钢板出现明显塑性变形，试件不能继续受力，试验结束.HJZ9破坏过程与HJZ7基本一致.破坏时，连接钢板与锚筋1、2、3几乎同时发生剪断.HJZ8破坏过程与HJZ9相同的同时，还有砂浆的破坏.第2批试件的破坏图如图5所示，当连接钢板发生剪切变形时试件屈服，随后锚筋和连接钢板剪断，整个破坏过程中焊缝保持完好，显示出塑性破坏的形态.

1.4 试验结果

试件承载能力和相应位移见表3.表3中，位移延性系数μΔ用试件名义屈服点和极限点对应的位移的比值确定.此时的名义屈服点为用能量等值法[15]通过软件MATLAB计算得到的，极限点为试件受力下降到峰值荷载85%时的数值点，当试件受力未下降至峰值荷载的85%时，取加载结束时的荷载.试件骨架曲线如图6所示.对表3和图6中的数据进行对比分析可得到以下结论：

1）增强锚筋锚固能够显著提高试件的受力性能.以HJZ1和HJZ7为例，后者在开裂、屈服和峰值荷载上分别比前者提高了29%、61%和67%.进一步加强锚筋的连接可进一步提升试件的受力性能和变形能力.HJZ9的延性系数和峰值荷载比HJZ7提高了84% 和 8.69%，但是，HJZ7混凝土强度仅为HJZ8和HJZ9的76%，造成此情况的原因有可能是混凝土强度的影响，故需要在数值分析中进一步讨论.

2）加密箍筋和增强锚筋连接试件的刚度明显增加.各个试件的初始刚度特征为：HJZ8、HJZ9>HJZ7>HJZ1=HJZ2.

3）对空隙和凹槽处用砂浆填实对试件的受力性能和变形能力有一定的改善作用.HJZ8的峰值荷载和延性系数是HJZ9的1.02和1.05倍.

2 数值分析

本节采用有限元分析软件ABAQUS对试件进行模拟，并比较各参数条件下各参数对节点试件的影响.

2.1 ABAQUS模型建立

混凝土、钢板采用线性六面体减缩积分单元C3D8R，钢筋采用线性三维桁架单元T3D2[11].模型所有材料基于表1取值并设置为各向同性，混凝土本构采用塑性损伤模型[12]；钢筋、钢板本构采用双折线模型.

将混凝土短柱分为节点区混凝土、节点周围区混凝土、其他区混凝土三部分（具体划分如图7所示），网格单元尺寸分别为：40 mm、80 mm和80 mm；钢筋网格尺寸为50 mm.连接钢板和预埋钢板网格尺寸为20 mm，试件有限元模型如图8所示.

各个相互接触的不同区混凝土采用绑定约束.预埋钢板上下边缘与节点周围区混凝土建立硬接触.锚筋与预埋钢板接触部分采用绑定约束，与混凝土接触部分采用内置约束.试件中有2种焊缝，对于锚筋围焊焊缝，将焊缝抗剪承载力换算成相应强度锚筋抗剪承载力；对于连接钢板三面围焊焊缝，因为节点试件破坏时焊缝均保持完好，故采用连接钢板与预埋钢板绑定约束来模拟焊缝的作用.加载前，在中柱柱顶中心创建加载点，并将加载点与中柱柱顶表面耦合，同时将左柱和右柱柱底设置为完全固定.

1）钢筋.图9（b）中钢筋在节点区应力最大，最大Mises应力为377.0 MPa，小于钢筋实测屈服强度.说明钢筋受力较小.

2）连接钢板.图10左上连接钢板在边柱与中柱20 mm空隙范围内应力最大，且发生剪切变形.其最大应力为397.5 MPa，達到钢板极限应力.

3）锚筋.图10左中锚筋在预埋钢板与混凝土交界处应力最大（锚筋1、2、3达到极限强度623.3 MPa；锚筋4为549.7 MPa，超过屈服强度）并发生不同程度剪切变形，其剪切变形为锚筋1（5.62 mm）>锚筋3（5.28 mm）>锚筋2（1.59 mm）>锚筋4（0.64 mm）.

4）预埋钢板.图10左下预埋钢板只在与锚筋绑定处达到397.5 MPa，而稍微远离此处受力均较小；从预埋钢板与节点区混凝土的相对位置可看出预埋钢板绕锚筋4发生了转动.

5）混凝土.图10右中右柱混凝土在靠近中柱一侧节点区左下方、节点周围区左上方混凝土脚部应力最大，最大为18.1 MPa；在远离中柱一侧节点区右上方、节点周围区右下方脚部应力最大，最大为10.3 MPa；其他区混凝土应力均小.

通过以上对比可知，HJZ9模型的破坏模式主要集中在连接钢板、锚筋和节点周围区混凝土上，与试验现象吻合.

2.2.2 骨架曲線与特征值

各个试件的试验和模拟骨架曲线对比图如图11所示，以试件HJZ9为例，特征值比较见表4.通过骨架曲线的比较可知：

1）数值结果中骨架曲线初始刚度均偏大.这可能是因为试件总是存在空隙、不密实等因素使试验存在滑移，导致位移偏大，而数值分析不存在这一现象.

2）数值结果和试验结果的趋势相同、峰值荷载差别均很小.HJZ1和HJZ2数值结果中骨架曲线达到峰值荷载后不久计算即中断，HJZ7达到峰值荷载后荷载开始降低，HJZ9达到峰值荷载后有着很长的平滑段，走势均与试验结果相似.同时，HJZ9和其他试件的峰值荷载和位移误差均小于5%，在可接受范围内，两者吻合较好.验证了有限元分析方法对该类试件进行分析计算的有效性和有限元模型的正确性.

2.3 参数分析

采用HJZ9模型进行参数分析.为全面考察焊接节点抗剪强度的影响因素，并得到更好的受力能力和经济的构造措施，以HJZ9为原始模型，改变钢筋、钢板、混凝土在强度、直径、尺寸各方面参数，共建立了19个有限元模型进行参数分析，模型参数改变详见表5，计算结果见图12与表6.

2.3.1 纵筋直径

纵筋直径的变化见模型HJZ9-1和HJZ9-2.纵筋直径由10 mm增大到14 mm使试件极限承载能力增大3.91 kN.说明纵筋材料参数的改变对试件极限承载力影响很小.

2.3.2 箍筋直径

箍筋直径的变化见模型HJZ9-3和HJZ9-4.箍筋直径由6 mm增大到10 mm使试件极限承载能力增大0.32 kN.说明箍筋直径的改变对试件极限承载力影响很小.

2.3.3 锚筋直径

锚筋直径的变化见模型HJZ9-5和HJZ9-6.锚筋直径由13 mm减小至7.5 mm使试件极限承载能力降低252.37 kN.同时，7.5 mm时数值模型因为变形过大而中断，说明锚筋直径的改变对试件极限承载力度影响很大，锚筋直径过小会使节点脆性破坏严重.

2.3.4 混凝土强度

节点区混凝土强度的变化见模型HJZ9-7和HJZ9-8.节点区混凝土强度由C25增大到C50使试件极限承载能力增大0.27 kN.通过类似的分析过程可以得到节点周围区混凝土和其他区混凝土强度变化的影响.说明节点周围区混凝土材料参数的改变对试件极限承载力有一定影响而节点区和其他区混凝土对试件极限承载力影响很小.

2.3.5 连接钢板厚度

连接钢板强度的变化见模型HJZ9-13和HJZ9-24.连接钢板厚度由8 mm增大到12 mm使试件极限承载能力增大258.09 kN.说明连接钢板厚度的改变对试件极限承载力影响很大.

2.3.6 预埋钢板厚度

预埋钢板厚度的变化见模型HJZ9-15和HJZ9-16.预埋钢板厚度由8 mm增大到12 mm使试件极限承载能力增大1.04 kN.说明预埋钢板厚度的改变对试件极限承载力影响很小.

2.3.7 钢筋构造措施

钢筋构造措施的变化见模型HJZ9-18、HJZ9-19和HJZ9-20.钢筋构造措施的变化使试件极限承载能力变化2.38 kN.说明钢筋构造的变化对试件影响很小，此时选取最为经济的钢筋构造措施，即为纵向4根纵筋、箍筋间距均为150 mm.

3 结论

通过5个竖向节点焊接连接试件的试验研究和数值分析可得到以下结论：

1）装配式剪力墙竖向节点焊接连接方案具有良好的抗剪性能和变形能力，是一种可靠的干式连接方案.节点试件破坏始于节点周围混凝土出现裂缝，终于连接钢板和锚筋剪断致使节点失去连接能力.HJZ8和HJZ9节点方案较好，整个破坏过程中焊缝保持完好，连接钢板、锚筋剪切变形明显，为塑性破坏.

2）试验结果表明，锚筋和连接钢板的加强对试件承载能力和变形性能有较大提高；接缝进行砂浆填实对节点试件有一定的改善作用.

3）数值结果和试验结果在破坏模式和骨架曲线上均吻合较好，参数分析显示：纵筋、箍筋、节点区混凝土、其他区混凝土和预埋钢板对节点抗剪性能没有明显的影响；节点周围区混凝土的存在对试件刚度和承载能力有一定促进作用；锚筋和连接钢板是决定节点承载能力的最重要因素.

4）竖向焊接节点所在墙板节点区钢筋构造措施优选方案是墙板暗柱纵筋不小于4根C12，箍筋C8@150节点区可不加密；对锚筋和连接钢板加强可大幅改进节点性能.

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