毛吉化 汪大洋 吴福成 陈海森 聂竹林

(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

装配式建筑已上升为国家战略，2020 年伊始，全球抗击新冠病毒背景下，中国武汉仅用10 天完成采用主体轻钢结构+标准打包箱式装配化建设的雷神山和火神山医院，无疑彰显了装配式建筑工业化的巨大优势和广阔的发展前景[1-2]。近百年来随着新材料和新技术的不断涌现，超高层建筑数量也在逐年攀升，剪力墙作为不可或缺的承受水平抗侧力体系，可以很好地提升结构的抗侧刚度和整体性能。

诸多研究学者通过拟静力试验对装配式混凝土剪力墙结构进行了性能分析研究，研究结果肯定了装配式剪力墙与现浇钢筋混凝土剪力墙性能水平相类似[3]，表明装配式剪力墙结构具有良好的承载能力和抗震性能[4-5]。但人工成本逐年攀升和生态低碳发展等诸多因素，现浇技术越发受限。此外，现有关于装配式组合剪力墙的研究多针对于传统的结构设计和施工工艺，装配式组合剪力墙的设计研究还非常鲜见，关于装配式组合剪力墙新体系的研究亟待进一步探索与研发。

2 两类模块装配式组合剪力墙的提出

2.1 模型参数设计

采用ABAQUS 软件建立了两种构件预制装配式组合剪力墙和两种模块预制装配式组合剪力墙的精确有限元模型，研究其在往复位移荷载的作用下的受力性能，寻找一种既有利于结构装配式施工，又不会对结构受力性能产生不利影响的钢板剪力墙结构体系。

设计了4 种模块装配式组合剪力墙试件，第一、二种为构件预制钢板剪力墙；第三、四种为模块预制钢板剪力墙。所有试件中部薄钢板厚度为4mm，外包薄钢板厚度为2mm，混凝土板总厚度为100mm。连接件均为厚度为8mm、宽度为100mm 的厚钢板，外伸板为厚度为10mm、宽度为50mm 的厚钢板。外伸板连接件处螺栓只有一排，螺栓直径为16mm， 根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)[6]中对螺栓的最大、最小容许距离的要求，螺栓中心间距取100mm，中心至构件边缘距离取50mm，共12 个螺栓。所用钢材均为Q235b，混凝土强度等级均为C40。图1 为构件构造三维效果图，表1 为试件几何尺寸说明，表2 和表3 为有限元模型中各构件的材料参数。

表1 试件尺寸信息

表2 混凝土材料参数

表3 构件钢材材料参数

图1 构件构造三维效果图

2.2 边界及加载方式

为了模拟加载梁的运动情况，在有限元模型中限制加载梁除加载方向外其他方向的位移，并设置一个参考点，将加载梁上所有节点的所有自由度与参考点耦合，再通过参考点对构件进行位移加载。参考点仅有沿加载梁梁长方向的位移，其他方向的位移均为零。有限元边界条件如图2 所示。加载阶段分为屈服前的荷载控制加载阶段和屈服后的位移控制加载阶段。在荷载控制加载阶段，初始荷载为估算屈服值的50%，级差为50kN，每个加载级仅循环1 次，荷载加载速度为5kN/s，接近屈服点时开始减小级差，试件顶点荷载-位移曲线出现明显的拐点时，即试件整体屈服，改为位移控制加载，采用层间位移角作为位移加载控制参数，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，每个加载级循环2 次。

图3 试验加载制度

实际当中的钢板由于加工、运输或安装等原因会存在或多或少的初始缺陷和变形，钢板很难处于理想状态。由于初始缺陷的存在，钢板在受力变形后将以初始缺陷的形态展开，为此，在进行有限元分析时，需要在钢板上施加初始缺陷。为对钢板施加初始缺陷，参考文献中初始缺陷的做法，对四个有限元模型进行特征值屈曲分析，找出四个模型中钢板最容易发生的变形形态(通常为第一阶屈曲模态)，然后提取构件的变形模态，并施加于钢板上作为初始缺陷[7]。

3 抗震性能分析

采用相同的加载方式，对比分析四个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表现。从图4 中可以看出，模块预制装配式剪力墙的屈服荷载、初始刚度、极限抗剪承载力均高于构件预制装配式组合剪力墙，其中MPCSW-CI 最高，屈服荷载分别比MPCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO 提高66.14%、43.65%、5.89%；初始刚度提高59.40%、39.45%、19.58%；极限承载力提高50.67%、36.88%、7.06%。

图4 骨架曲线

从图5、图6 和图7 中可以看出，滞回曲线可以反映出结构构件在反复循环受力过程中的极限承载力、刚度退化程度以及能量消耗能力等抗震性能。构件的耗能能力可反映其在地震荷载作用下吸收和消耗能量的能力。PCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO、MPCSW-CI 四种模块装配式组合剪力墙的最大等效黏滞阻尼系数分别为19.13%、22.61%、13.04%、13.70%。耗散的总能量依次为619.83kN·m、776.35kN·m、414.53kN·m、567.58kN·m。从中可以看出构件预制模块装配式组合剪力墙耗能能力相比模块预制模块装配式组合剪力墙最大可提高26.89%，内藏钢板型模块装配式组合剪力墙相对于外包钢板型模块装配式组合剪力墙耗能能力最大可提高36.92%。其原因主要是构件预制模块化装配式钢板剪力采用的预制混凝土板只约束钢板的面外位移，不提供抗侧承载力。构件预制模块装配式组合剪力墙由于采用预制混凝土板，更能充分发挥钢板塑性变形耗能能力，耗能效果要优于模块预制，同时内藏钢板型模块装配式组合剪力墙耗能效果也优于外包钢板型模块装配式组合剪力墙。

图5 滞回曲线

四个试件的钢材损伤均主要集中在内藏(外包)钢板上下两端和角部。其中MPCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO、MPCSW-CI 四个试件内藏(外包)钢板损伤因子峰值分别为0.920、0.960、0.995、0.976。构件预制装配式组合剪力墙混凝土板损伤主要以拉伸损伤为主，而模块预制装配式组合剪力墙混凝土损伤主要以压缩损伤为主，两者损伤位置都主要集中在角部，然后向中间发展。总体而言，模块预制模块装配式组合剪力墙现浇混凝土板损伤更为严重。

综上所述，MPCSW-CI 综合性能在四个试件中表现最优，最能充分发挥材料力学性能。虽然相比于MPCSW-PI，其耗能和位移延性系数降低了26.87%和31.75%，但耗能仍达到567.58kN·m，位移延性系数达到11.84，并且屈服承载力、初始刚度以及极限承载力分别高于MPCSW-PI 43.65%、39.45%、36.88%。

4 结论

⑴构件预制装配式组合剪力墙混凝土板主要以拉伸损伤为主，模块预制装配式组合剪力墙混凝土板主要以压缩损伤为主，两者损伤位置均出现在角部，向中间延伸。

⑵两类新型模块装配式组合剪力墙，经数值模拟分析，均具有良好的抗震性能和位移延性，满足工程要求。

⑶内藏钢板现浇混凝土板模块装配式钢板剪力墙的极限抗剪承载力、初始刚度、屈服荷载均优于其他三种模块装配式组合剪力墙，最大提高了50.67%、66.14%、59.40%。