暗柱对梁-墙正交节点的受力性能研究

李志龙 程才渊

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

暗柱对梁-墙正交节点的受力性能研究

李志龙*程才渊

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

框架-剪力墙结构中，钢筋混凝土楼面梁和剪力墙的连接经常会出现平面外节点。着重研究正交节点形式，采用ABAQUS有限元分析软件对未配暗柱、配有暗柱的剪力墙构件进行非线性有限元分析。分别采用单调加载和低周反复加载，对比分析暗柱对节点的转动刚度、平面外受力性能的影响。

梁墙正交节点， 剪力墙， 暗柱， 非线性分析

1 引 言

随着框架-剪力墙结构越来越多地应用到高层结构体系中，经常会出现框架梁与剪力墙平面外正交连接的节点，工程设计人员常将此类节点按铰接处理。但在实际工程中这种梁墙节点很难形成真正的铰接，不仅造成梁端过度破坏及剪力墙严重开裂，也会低估了结构的整体刚度。因此，我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)给出以下几点要求[1]：在梁、墙连接处需设置扶壁柱；在不能设置扶壁柱的情况下设置暗柱；另外就是设置型钢，以减小梁端弯矩对墙产生的不利影响。由于实际工程中对建筑美观的要求，暗柱大多成为首选方案，但是具体暗柱的配筋及截面尺寸的选取，规范并未给出相应的规定及计算公式。前人对梁墙节点做了一定程度的研究，得到相应的一些结论。

(1) 国内主要有同济大学吕西林、艾侠等学者通过实验对梁墙节点的等效模型及极限承载力做出了一定的结论。

(2) 清华大学王志浩等通过实验，研究不同墙厚以及不同暗柱宽度对梁墙节点的性能影响，得到在薄墙情况下，锚固满足时，暗柱能够较好地提高节点平明外抗弯承载力，实现强墙弱梁，并发生弯曲破坏。

(3) 贵州大学柏洁、重庆大学朱祖敬等的梁墙节点(暗柱)的实验结果表明，暗柱对厚墙情况下节点的平面外抗弯刚度贡献不大，仅略微提高极限承载力。

这些学者在实验中得到的一些结论存在一定的相似和差异，同时节点的有限元模拟研究较少，所以针对以上问题本文采用ABAQUS分析暗柱对梁-墙正交节点平面外的受力性能的影响。

2 有限元分析模型

2.1 计算模型

模型按照实际构件尺寸及实际配筋按分离式建模[2]，如图1所示，混凝土和钢筋单元分别采用C3D8R和T3D2单元进行模拟。钢筋本构模型采用两折线模型，屈服后弹性模量取为0.01E；混凝土采用《混凝土结构设计规范》附录C中规定的单轴本构关系[3]，上升段改用直线型。将钢筋单元嵌入混凝土模型中，通过修正混凝土塑性损伤本构关系，设定混凝土拉伸强化(tension stiffening)参数来近似模拟钢筋和混凝土间的粘结滑移关系[4]。本文设置六组模型分别标号为1#,2#,3#,4#,5#,6#，其中，4#,5#,6#配置暗柱，暗柱宽度取梁宽的两倍，梁、墙具体尺寸见表1、表2。

图1 混凝土模型及钢筋骨架模型

表1 构件尺寸

Table 1 Size of structural elements mm

表2 构件配筋

Table 2 Structural reinforcement mm

2.2 加载方式

本文采用梁端单向加载和低周反复加载方式，研究暗柱对梁墙节点平面外转动刚度和平面外受力性能的影响。模型上下端均采用铰接[5](假定位于楼层剪力墙的反弯点处)，并对剪力墙施加轴压，使轴压比达到0.2。1#,3#,5#,6#采用单调加载；2#和4#采用低周反复加载。两种加载方式均采用位移控制，其中低周反复加载方式见图2。

3 数值结果与分析

3.1 无暗柱的节点受力分析

无暗柱剪力墙平面外连接节点与相对研究较为成熟的板-柱节点较为类似，但不同之处在于剪力墙需要考虑轴压。通过对2#构件的低周反复加载，提取结果见图3—图9。

图2 低周反复加载示意图

图3 极限状态下混凝土受拉损伤分布

图4 屈服前梁混凝土受拉应力发展

图5 极限状态下混凝土Mises应力分布

图6 极限状态下混凝土最大主应力(向下加载)

从图3—图7中可以发现，在梁-墙节点域内，混凝土应力及受拉损伤较大，混凝土已达到极限抗拉强度1.51 MPa，受拉损伤最高已达到98.87%，其应力扩散并不规则，主要集中在梁端四个角点；在梁受拉区，混凝土受拉损伤及抗拉强度也达到设计极限强度，从图4及ABAQUS动画演示效果可以看出，梁受拉破坏先于节点破坏，从结构设计角度来讲，满足设计要求。从混凝土最大主应力分布情况可以看出，裂缝主要分布于梁根部区域，由于没有对剪力墙设置构造措施(这里指暗柱)，墙在平面外的刚度小于梁的刚度，易发生墙体冲切破坏[5]。从图8、图9钢筋Mises应力分布情况可以看出，在屈服阶段到极限承载力阶段，钢筋应力最大集中在梁端至1/3跨段内，剪力墙钢筋应力分布主要集中在节点域内，分布不均匀，且竖向分布钢筋最高应力值仅达到93.6 MPa，水平分布钢筋最大达到295 MPa。

图7 极限状态下剪力墙裂缝分布

图8 极限状态下剪力墙钢筋Mises应力分布

图9 极限状态下钢筋Mises应力分布

3.2 暗柱对节点受力的影响

通过对4#构件(增设暗柱)低周反复加载，提取有限元分析结果，见图10—图16。

图10 极限承载力下混凝土受拉损伤分布

图11 屈服前梁混凝土最大主应力发展

图12 极限状态下混凝土Mises应力分布

图13 极限状态下混凝土最大主应力图(向下加载)

图14 极限状态下剪力墙裂缝分布

图15 极限状态下钢筋Mises应力

从图10—图13可以得出极限状态下混凝土受拉损伤分布与3#构件情况基本一致；屈服状态下，混凝土应力分布较2#构件分布相差不大；从图11及ABAQUS动画演示，梁受拉破坏先于节点破坏，相比2#构件，梁混凝土受拉发展更为明显。从裂缝图观看可以得出，对比3#构件，配有暗柱明显改善节点的抗冲切破坏；从图16、图17钢筋Mises应力分布可以得出：钢筋应力沿暗柱上下方向得到较好的传递，纵向钢筋最大达到129 MPa，水平箍筋最大达到340 MPa。关于整片墙体钢筋应力发展见图17—图19。其中在节点受力开始阶段墙体钢筋应力从节点域中心沿四个角方向发展，当节点构件达到屈服时，墙体内钢筋最大应力达到252 MPa；随着荷载继续增大，墙体内钢筋应力分布沿节点域中心向四周分布较均匀，构件达到最大承载力时，剪力墙内钢筋应力最大值达到283 MPa，墙体钢筋并未发生屈服；随着下降段的发展，节点核心区内钢筋应力迅速增大达到钢筋极限应力340 MPa，最大应力主要集中在节点域的四个角周围，同时当设置暗柱时，钢筋应力分布明显呈现出沿着暗柱的上下方向发展的趋势。

图16 极限状态下暗柱配筋Mises应力

图17 屈服状态下墙体钢筋应力分布

图18 极限状态下墙体钢筋应力分布

图19 破坏状态下墙体钢筋应力分布

3.3 节点承载力对比分析

通过提取ABAQUS有限元分析结果见图20、图21及表3。

图20 4#构件滞回曲线

图21 2#,4#构件的骨架曲线

图22 3#,6#构件p-Δ曲线

从图20、图21及表3对比分析可得：暗柱对于该梁-厚墙正交节点(墙厚300 mm)的平面外承载能力提高并不显著，与文献[6](重庆大学朱祖敬实验)相照应；当墙较薄时(200 mm)，6#构件承载力较3#构件承载力明显提高19%；根据分析结果2#,4#构件所得滞回曲线基本一致，如图20(仅列出4#构件滞回曲线)较为饱满，具备一定的耗能能力，梭形形状的滞回曲线表明该构件主要承受正截面受弯破坏。从宏观上分析构件在破坏时梁端位移与屈服时梁端位移，配有暗柱的4#,6#得到较为明显的提高。

表3 2#，3#，4#，6#构件屈服、极限荷载

Table 3 Yield load and limit load of members

3.4 节点转动刚度

节点的转动刚度定义为节点弯矩与相对转角的比值。本次提取梁-墙节点的转动刚度为两段弯矩与梁、墙相对转角(弧度)的比值。根据ABAQUS有限元分析结果，1#,5#构件单调加载的M-φ和p-Δ曲线图如图23—图25所示。

图23 1#，5#构件的M-φ曲线

图24 3#，6#构件的M-φ曲线

图25 1#，5#构件的p-Δ曲线

由图23可得配有暗柱的5#构件在弹性阶段，节点转动刚度在弹性中段略有提高，原因主要由于暗柱使节点域钢筋加密，节点域刚度相对提高，同时在弹性阶段，暗柱能够一定程度上地约束剪力墙裂缝的发展；在进入塑性屈服后梁端形成塑性铰，M-φ曲线突变，节点域转动刚度骤然下降。由图24可得，在墙较薄(200 mm)时，暗柱明显提高剪力墙的平面外抗弯刚度，减小梁、墙的相对刚度，致使节点偏向铰接；由图25可得，墙较厚时，单轴加载曲线p-Δ表明，1#，5#构件的极限承载力相差不大。

4 结论与建议

本文为了研究暗柱对梁-墙平面外连接节点受力性能的影响，通过对四组梁墙节点进行数值模拟对比分析，得到以下结论与建议。

(1) 剪力墙平面外节点区域的破坏形式取决于节点域和梁的刚度之间的关系，若墙体节点域刚度远小于梁的刚度(本文3#构件),墙体易先发生冲切破坏；增设暗柱后，虽对构件平面外整体抗弯效果不太明显，但能够较好抑制节点区裂缝的发展，墙体并未发生冲切破坏[5]。

(2) 暗柱的增设有利于结构设计中“强墙弱梁”的实现，在墙较厚时，暗柱对剪力墙钢筋受力变化影响并不明显，但暗柱的配置能够使剪力墙的受力较为均匀、沿暗柱方向得到较好的应力扩散。

(3) 1#,5#试件结果表明，剪力墙较厚情况下，暗柱对增加承载能力的提高不明显；3#,6#试件结果表明，剪力墙较薄情况下，暗柱的增设对节点域平面外转动刚度有所提高，同时可以有效地提高薄墙平面外承载能力[5]。

(4) 由于时间关系，针对不同的暗柱宽度，本文参考文献[6-8]取暗柱宽度等于梁宽两倍进行研究分析，可以进一步研究不同墙厚、不同暗柱宽度、不同暗柱配筋情况下，暗柱对其平面外受力性能影响，及明梁、楼板等对梁墙节点平面外受力性能的影响。

[ 1 ] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. JGJ 3—2010 Technical Specification for concrete structure of tall building[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

[ 2 ] 柏洁.暗柱对梁-墙平面外连接节点受力的影响作用数值分析[J].贵州大学学报,2011,28(2):103-106.

Bo Jie. Numerical analysis on the influence of embedded column for the beam-wall out-of-plane joint force[J]. Journal of Guizhou University, 2011, 28(2): 103-106. (in Chinese)

[ 3 ] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. GB 50010—2010 Code for design of concrete structure [S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

[ 4 ] 庄茁,由小川,等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社，2009.

Zhuang Zhuo, You Xiaochuan, et al. Finite element analysis and application based on ABAQUS [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009. (in Chinese)

[ 5 ] 苏朝晖，石志飞. 暗柱对剪力墙平面外受力性能的影响研究[D].上海：同济大学，2007.

Su Zhaohui. Shi Zhifei. The study influence of embedded columns on the properties of shear wall out-of-plane force [D]. Shanghai: Tongji University, 2007. (in Chinese)

[ 6 ] 朱祖敬.钢筋混凝土梁-薄墙正交节点试验研究[D].重庆：重庆大学，2006.

Zhu Zujing. Experimental study on the solution of reinforced concrete perpendicular beam-thin wall joints[D]. Chongqing: Chongqing University, 2006. (in Chinese)

[ 7 ] 杨书灵.梁-墙节点的平面外受力性能分析[D].北京:北京交通大学，2008.

Yang Shuling. Analysis on mechanical capability of non-planar beam-wall joint[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008. (in Chinese)

[ 8 ] 林宏伟，石志飞.钢筋混凝土框架梁-剪力墙平面外连接节点的力学分析[J].建筑科学与工程学报，2007,24(3):56-60.

Lin Hongwei, Shi Zhifei. Mechanical analysis for non-planar reinforced concrete frame beam and shear-wall joint[J]. Journal of Construction Science and Engineering, 2007, 24(3): 56-60. (in Chinese)

Study on Reinforced Concrete Beam-wall Joints

LI Zhilong*CHENG Caiyuan

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Out-of-plane shear wall joints exist in the connection between the reinforced concrete floor beam and the shear wall. This paper studies the reinforced concrete beam-wall joints through finite element analyses. The software, ABAQUS, was used to analyze the contribution of the embedded column to the joint performance. Both static and reversed cyclic loading analyses were performed to investigate the influence of the embedded column on the joint rotational stiffness and out-of-plane performances.

RC beam-wall joint, shear wall, embedded column, nonlinear analysis

2013-06-21

*联系作者，Email: 506243194@qq.com