外包钢板混凝土组合剪力墙与楼板连接节点抗震性能研究

孙永承，王春刚

（沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168）

随着我国城市建设和城镇化推进不断加快，高层、超高层建筑越来越多，这些建筑都需要保证其具有较好的抵抗风荷载、地震荷载等侧向水平荷载的能力［1］。传统的高层、超高层建筑的主要抗侧力构件是普通钢筋混凝土剪力墙，虽然能够满足现有的规范，但墙体过重、厚度过大，使得建筑使用面积减少，不适用于复杂多样的建筑平面布置，也不符合建筑行业内“建筑减厚减重”的主张［2］。对于单个外包钢板混凝土组合剪力墙的受力性能已经有较深入的研究，但对于与其他构件连接节点的研究较少。节点是整个结构设计的关键，其性能直接影响结构的刚度、强度及稳定性，设计要满足“强节点弱构件”原则。

朱张峰等［3］对装配整体式剪力墙结构墙板节点抗震性能进行有限元分析，并对2个现浇试件和2 个预制装配式试件进行拟静力试验，从承载能力、变形能力、受力机理以及破坏模式等方面综合分析其抗震性能。赵作周等［4］对整体式拼缝连接的预制楼板的预制剪力墙节点进行实验，研究节点在预制楼板悬臂端竖向荷载作用下的受力性能。年夫旭［5］对四边不出筋墙板节点进行滞回性能研究，对各组墙板节点进行低周往复加载试验，对比分析各组墙板节点耗能能力、延性等抗震性能指标，对新型不出筋板墙板节点的抗震性能进行探究和评价。刘映良［6］提出四种新型双钢板剪力墙与组合楼板连接节点，对不同节点形式进行纯弯剪切、弯剪和拟静力实验，并进行静力加载方式的有限元模拟和参数分析。汪耀宇［7］对叠合板式混凝土剪力墙结构墙板节点有限元分析，3个试件的裂缝分布均在墙板锚固区域，均为受弯破坏；3个试件的骨架曲线基本相同，承载力、变形能力、刚度差别不大，叠合楼板中连接钢筋锚固方式对墙板节点的抗震性能影响不大，可以达到与现浇结构相当的抗震性能。金天德等［8］采用有限元软件对钢板组合剪力墙和钢梁侧板连接节点进行受力机理分析，详细剖析典型节点的受力性能。

现有的节点形式与双钢板混凝土组合剪力墙体系不切合，为此，本文设计三种新型连接节点形式并研究其抗震性能，利用有限元计算三种连接节点形式在低周往复荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线以及破坏模式。

1 有限元计算模型

1.1 节点形式

本研究对象为外包钢板混凝土组合剪力墙与楼板连接节点，其节点形式有三种：钢板开孔穿孔连接、栓钉连接、栓钉与开孔混合连接，如图1 所示。三种结构外包钢板厚度为10 mm，混凝土强度等级为C30，钢材强度等级为Q235，钢筋HRB400直径Φ8@200，保护层厚度为15 mm。

图1 三种外包钢板混凝土组合剪力墙与楼板连接形式，mmFig.1 Three joints between cladding steel plate concrete composite shear wall and floor slab，mm

1.2 钢材和混凝土本构关系模型

钢材本构关系采用二折线模型。采用Mises屈服准则，随动强化考虑Bauschinger 效应。钢板强度等级为Q235，屈服应力为235 MPa，塑性应变为0，弹性模量设为206 GPa，泊松比取0.3。钢筋强度等级为HRB400，屈服应力为400 MPa，塑性应变取0。栓钉屈服应力为800 MPa，塑性应变取0。

混凝土本构关系采用塑性损伤模型，描述单轴拉伸和压缩损伤塑性部分的力学行为。混凝土损伤塑性模型参数取值：膨胀角30°，偏心率0.1，双轴与单轴初始屈服强度比fb0/fc0=1.16，拉压子午面第二应力不变量的比值K=0.667，粘性参数0.000 5。

1.3 单元类型选取

有限元模型中，钢板、混凝土剪力墙、混凝土楼板、栓钉、压型钢板、连接钢板及角钢均划分成六面体单元网格，均选取缩减积分的线性六面体单元C3D8R，钢筋网采用T3D2桁架单元。

1.4 接触关系设置

设置各部件接触关系时，充分考虑预制装配的关系，互相分离的各个部件接触面间的法向方向均设置为“硬接触”，切向方向设置为摩尔-库伦摩擦模型，摩擦系数为0.5。钢筋网、连接钢板、角钢和压型钢板采用Embeded 方式内置于混凝土中，不考虑其与混凝土之间的粘结滑移。栓钉采用Embeded 的方式内置于整个模型中，用于实现钢板混凝土组合剪力墙与楼板的连接。

1.5 边界条件与加载方式

三种节点的边界条件与加载方式相同，如图2所示。楼板端部参考点RP1约束y和z方向的平动和绕x轴和z轴的转动，释放其他两个自由度的约束；钢板混凝土组合剪力墙顶端同样为铰接支座，参考点RP2释放z方向的平动自由度和绕y轴的转动自由度；钢板混凝土组合剪力墙底端参考点为铰接支座，参考点RP3仅释放绕y轴的转动自由度，约束其余5个自由度。

图2 边界条件与加载方式Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions and loading methods

2 有限元计算结果及分析

2.1 滞回曲线和骨架曲线

三种钢板混凝土组合剪力墙与楼板连接节点在低周往复加载条件下的滞回曲线和骨架曲线如图3所示。节点形式1的滞回曲线有一定的捏缩，说明钢板存在一定的塑性变形。节点形式2 和节点形式3 滞回曲线较为饱满，具有较强的耗能能力。原因在于钢板组合剪力墙与楼板连接的节点域增加了栓钉以及角钢等连接件，使得节点的刚度增大，变形能力增强，墙板之间的连接更为可靠。因此，节点的抗震性能好于节点1，可以满足实际的工程需要。

图3 三种不同节点形式的滞回曲线和骨架曲线Fig.3 Hysteresis and skeleton curves of three joints

三种形式节点骨架曲线的走势基本一致，均出现明显的拐点，在墙板节点屈服之前处于弹性阶段，初始刚度较大，骨架曲线近似为斜直线；当进入塑性阶段后，刚度开始逐渐减小，骨架曲线偏向位移轴，最后骨架曲线近乎向水平方向发展。

节点3的荷载峰值稍大于节点2的荷载峰值，节点1 的荷载峰值最小。表明节点形式2 和节点形式3由于栓钉和角钢的存在，抗震性能要优于节点形式1。

2.2 破坏模式

压型钢板在破坏时的应力云图如图4 所示。压型钢板应力水平整体偏低，仅节点处应力较大。此时，压型钢板依然具有良好的承载能力和受弯作用。节点形式1 压型钢板端部区域应力偏高，但钢板整体处于弹性工作状态，没有产生塑性变形。节点形式2 和节点形式3 由于连接角钢与栓钉的存在产生了应力集中现象，钢板端部中间小区域或两端小区域的应力很高，压型钢板与连接角钢和栓钉也产生了一定的塑性变形，其他区域均处在弹性工作状态

图4 三种节点形式压型钢板应力云图Fig.4 Stress nephograms of profiled steel plates with three joints

混凝土楼板在破坏时的压缩破坏云图和拉伸破坏云图如图5 所示。三种节点形式混凝土楼板的受损区域主要集中在楼板端部连接钢板及连接角钢的外侧区域。因为该区域附近的混凝土没有连接钢板和连接角钢的约束作用，在低周往复载荷作用下受弯开裂，并存在一定的几何突变，造成应力集中，从而导致该区域附近的混凝土提前受损而破坏。

图5 混凝土板压缩破坏云图和拉伸破坏云图Fig.5 Compressive and tensile damage nephograms of concrete slab

连接钢板、连接角钢和栓钉部件在破坏时的应力云图如图6 所示。节点形式1 上方连接钢板边缘的应力较大，但始终处于弹性工作状态。节点形式2 和节点形式3 连接角钢与栓钉分担较多的荷载，应力较大，且在栓钉与连接角钢处存在应力集中现象，产生较大的局部应力，但始终处于弹性工作状态。

图6 三种节点形式连接件应力云图Fig.6 Stress nephograms of three joints

3 结 论

对三种钢板混凝土组合剪力墙与楼板连接节点形式的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、破坏模式的分析表明，三种节点形式的抗震性能均较好，可以满足实际的工程需要。节点形式2 和节点形式3 采用连接角钢和栓钉，分担了更多的载荷，使钢板混凝土组合剪力墙与楼板的连接更加可靠，抗震性能优于节点形式1。