陈 伟 吴福成 汪大洋 郭荣幸 罗创涟

(1 广州广检建设工程检测中心有限公司；2 广州大学土木工程学院)

1 研究背景

装配式建筑的发展速度和应用前景近年来持续提升，建筑工业化具有巨大优势和广阔的发展前景[1-2]。推进建筑结构的型钢使用率和工厂化，提升建筑产业加工、安装精度和品质，对节约人力、物力资源，实现生态低碳建筑生产，推动国家碳中和碳达峰战略，具有较高的现实价值和社会意义。

郑旭东进行了10 组带加劲肋多腔双层钢板组合剪力墙的低周往复试验，结果发现，带加劲肋多腔双层钢板混凝土组合剪力墙具有较好的抗震性能[3]。高辉、孙飞飞等建议在后续防屈曲钢板剪力墙的研究中可以就角部局部加固进行研究，并在大量实验和有限元模拟的基础上提出了防屈曲钢板剪力墙的简化分析模型，研究了三组现浇混凝土内藏钢板组合剪力墙抗震性能，结果表明，现浇混凝土板与内藏钢板紧密结合，共同承担荷载，其性能优于普通钢筋混凝土剪力墙[4-5]。郭彦林等提出了不同加劲方式的两边连接防屈曲钢板剪力墙，并探究了各种不同构造参数对防屈曲钢板剪力墙抗震性能的影响[6]。

然而，角部的现浇混凝土板以及内藏钢板在循环位移加载早期就出现了严重的局部损伤，从而导致构件承载力过早退化失效，不能充分利用材料的力学性能，关于该方面的研究还非常鲜见。鉴于此，对一种内藏钢板模块装配式组合剪力墙进行角部构造优化研究，在不增加额外成本的前提下，使构件自身材料的物理受力性能得到最大程度的利用。

2 内藏钢板组合剪力墙损伤分析

采用ABAQUS 软件建立了为研究内藏钢板外挂混凝土板的模块装配式组合剪力墙(PCSW)，内藏钢板上阵列布置了栓钉，间距为200mm。最后数值分析了其破坏特征与其抗震性能。图1 为内藏钢板外挂混凝土板组合剪力墙效果图。

图1 内藏钢板外挂混凝土板组合剪力墙效果图

图2 为内藏钢板外挂混凝土板组合剪力墙极限屈服点损伤云图。从图2 可以看出，内藏钢板的角部出现明显钢材损伤，内藏钢板角部在低周循环往复位移加载下不断受连接件的反复挤压，最终损伤因子达到了0.989；现浇混凝土板同样是角部形成明显三角形裂缝发展区域。角部在连接件的挤压下内藏钢板以及现浇混凝土板均出现了明显的应力集中现象和严重的局部损伤，此时，现浇混凝土和内藏钢板刚度下降，无法约束连接件角部屈曲，导致构件承载力无法继续提高，材料性能得不到进一步利用。

图2 极限屈服点损伤云图

3 角部构造优化方案

针对这种内藏钢板外挂混凝土板模块装配式组合剪力墙在水平荷载作用下角部会出现严重损伤的情况，设计了4 种角部构造优化方案。方案一在每个剪力墙预制模块的四角取长度为L 的四分一圆形区域，对该区域内内藏钢板加厚；方案二在方案一的基础上，释放每个预制模块扇形域内现浇混凝土的约束，并在预制模块四角添加加劲肋；方案三在每个剪力墙预制模块的四角取长度为L 的三角形区域，对该区域内内藏钢板加厚；方案四在方案三的基础上，释放每个模型四角上三角形区域内现浇混凝土约束，并在预制模块四角添加加劲肋。具体构件尺寸参数如图3 所示。

图3 角部构造优化示意图

内藏钢板采用Q235b，宽、高、厚分别为584mm、1184mm、2mm。混凝土板采用C40，宽、高、厚分别为574mm、1174mm、50mm。栓钉及螺栓的间距分别为200mm、100mm。考虑到结构的尺寸大小以及模型计算时间，经过反复的验算对比，将内藏钢板、混凝土板、连接件加载梁网格尺寸选取为25mm，外伸板网格尺寸选取为15mm、栓钉与高强螺栓网格尺寸选取为5mm。表1 为4 个角部构造优化试件的参数信息。

表1 试件参数

4 边界及加载方式

外挂混凝土板与内藏钢板、两块外伸板接触面之间接触面法向方向均为硬接触，切向方向均为摩擦接触；栓钉与内藏钢板之间为“Tie”约束，栓钉与混凝土之间则采用Embedded 技术实现两者的自由度耦合；外伸板中高强螺栓通过在轴线施加螺栓荷载模拟实际中的预紧力，并在法向方向采用“硬接触”，切向方向采用罚摩擦接触。

第一加载阶段为力加载，第一级荷载为预估构件屈服承载力的50%，并以50kN 的级差循环一圈，当构件接近屈服时降低级差，构件的荷载-位移曲线出现明显拐点时采用第二加载阶段，即位移控制加载，控制参数为构件层间位移角，其定义为θ＝Δ/H（H 为试件基底到水平位移加载点的高度）。初始位移角为屈服位移δy，每级循环2 次，加载目标为4%。

图4 加载制度

图5 边界条件

5 抗震性能分析

4 个角部构造优化的试件和1 个角部构造未优化的构件，采用相同的加载方式，对比分析四个角部构造优化试件在低周往复加载下的滞回性能、耗能能力、骨架曲线、刚度退化、承载力、初始刚性、位移延性、钢板损伤以及混凝土损伤应力变形等方面的提升情况。

从图6 中可以看出，在不加肋情况下，相比三角加固方案，圆角加固角部内藏钢板的优化方案对试件力学性能提升更明显。但释放试件角部现浇混凝土约束，设有加劲肋后，三角加劲肋优化方案可以更有效地约束连接件，其试件初始刚度、屈服承载力、极限承载力分别提高39.67%、32.93%、41.02%。由此可见，在添加折角加劲肋后，试件局部损伤严重然后导致试件承载力下降的现象得到有效改善，试件整体受力更加均匀。

图6 骨架曲线

从图7、图8 和图9 中可以看出，四种方案中，PCSW-C、PCSWFR 的滞回曲线更为饱满，等效阻尼系数提高更为明显。在耗散能量方面，由于设有加劲肋可以更有效地约束试件连接件角部屈曲，提高了试件的承载力，充分发挥了钢板和现浇混凝土板的力学性能，所以PCSW-CR、PCSW-FR 两种方案加载过程中耗散的能量更高，其中三角加劲肋对连接件支撑效果最为突出。

图7 滞回曲线

图8 累积能量耗散

图9 累积应变能

从图10 中可以看出，与图2 中PCSW 相比，内藏钢板角部加厚区域有效抑制了内藏钢板角部损伤发展，损伤因子峰值下降，钢板损伤更加均匀。设有加劲肋的PCSW-CR、PCSW-FR 两种优化方案中内藏钢板损伤由钢板四周向中间发展，钢板损伤面积更大，损伤更加均匀，较少钢板局部严重损伤。从图11 中可以看出，四种角部优化方案的混凝土损伤均主要以压缩损伤为主，相比于PCSW，PCSW-C 和PCSW-F 的角部混凝土损伤有所减轻。PCSW-CR 和PCSW-FR 试件的外挂混凝土板损伤有所减低，其破坏更加均匀。再次验证4 种角部优化方案对内藏钢板外挂混凝土板模块装配式组合剪力墙的抗震性能均有较好的提升作用，表明这4 种角部优化方案使得混凝土材料的抗压能力得到了充分的发挥。

图10 内藏钢板损伤云图

图11 外挂混凝土压缩损伤云图

综上所述，四种角部优化方案对内藏钢板外挂混凝土板装配式组合剪力墙的抗震性能具有较好的提高，其中三角加劲肋方案的改进优化效果最佳，其屈服承载力、极限承载力、构件耗能、黏滞阻尼系数、延性系数分别提高32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。

6 结论

⑴内藏钢板外挂混凝土板装配式组合剪力墙的角部在连接件的挤压下，内藏钢板以及现浇混凝土板均会出现明显的应力集中现象和严重的局部损伤，外挂现浇混凝土板和内藏钢板刚度下降至无法约束连接件角部屈曲，会造成构件承载力无法继续提高，提前退出工作。

图12 外挂混凝土拉伸损伤云图

⑵4 种角部优化方案对剪力墙的抗震性能均有较好的提升作用，有效抑制了角部的屈曲，使得内藏钢板外挂混凝土板模块装配式组合剪力墙的整体性能得到充分的发挥。

⑶三角加劲肋方案对模块装配式组合剪力墙的抗震性能提升效果最佳，其屈服承载力、极限承载力、构件耗能、黏滞阻尼系数、延性系数分别提高了32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。