U型钢条连接剪力墙和连梁的力学性能研究

李 明，谢可可，吴 潜，付 春,2，梁奇才

(1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.辽宁石油化工大学土木工程学院，辽宁 抚顺 113001)

装配式建筑具有质量稳定性高、施工高效、机械化程度高等优点，在我国得到了飞速发展[1-2]。其结构形式主要包括框架、剪力墙和框架-剪力墙结构，连梁是后两种结构形式中剪力墙间的传力构件，对结构的抗侧移刚度和抗震能力影响很大[3-6]。李松佶[7]提出连梁内置连接筋与墙肢后穿的连接法，采用其连接的结构在弹性阶段整体性较高，弹塑性阶段耗能较好。袁帅锋[8]提出了带拱型连梁的装配式联肢剪力墙，其可有效避免连梁破坏集中在连梁端部。张海洋[9]、王春艳[10]研究了等效钢筋连接剪力墙和连梁的装配方法，结果表明装配单连梁的承载力与现浇连梁相差不大，而装配双连梁则具有更好的承载、变形和耗能能力。

现有研究多以传统工法连接剪力墙与连梁，而对钢结构连接节点的研究有限。基于此，笔者提出一种基于U型钢条连接预制剪力墙和连梁的新型方法，研究灌浆料强度、槽型钢板屈服强度、厚度等因素对该新型连接构件力学性能的影响，研究表明，该方法具有装配便捷、施工速度更快等优点，可以为工程应用提供设计依据。

1 新型连接方法介绍

U型钢条连接剪力墙与连梁的结构如图1所示。预制连梁和预制剪力墙上均安装预埋件(见图1(a))，预埋件由预埋带槽孔的槽型钢板和锚固钢筋组成。装配时，预制墙和预制连梁通过U型钢条穿入槽孔连接，连接前先将钢套箍置于预埋件上，待钢条插入后，再将钢套箍套于U型钢条外侧，以满足抗剪需求。其中 U型钢条如图1(b)所示，连接后的结构如图1(c)所示，最后在节点连接处浇注灌浆料，连接完成。

图1 U型钢条连接剪力墙与连梁结构

2 有限元模拟方法及验证

为探讨U型钢条连接剪力墙和连梁的可行性，笔者基于ABAQUS对该种新型连接节点的力学性能进行分析。分析前，采用文献[10]中的试件XJ对模拟方法进行验证。

混凝土采用CDP模型本构，单元为C3D8R，泊松比为0.2；钢筋采用三折线简化模型，单元为T3D2，泊松比取0.3[11-13]。混凝土单元网格尺寸为100 mm,钢筋单元网格尺寸为50 mm。

边界条件和加载方式如下：上部剪力墙的端面设置参考点，参考点与上部剪力墙的左侧端面采用Coupling约束[14]，在参考点上直接施加水平荷载；释放下部剪力墙底面、侧面竖向位移约束，其余自由度全部约束，剪力墙水平方向自由，其余自由度全部约束。剪力墙与连梁间采用Tie约束，钢筋与混凝土间采用Embedded Region约束[15-16]。

试件XJ的骨架曲线见图2。从图中可以看出，模拟与试验骨架曲线偏差较小，说明笔者建立的模拟方法可行。

图2 试件 XJ骨架曲线

3 新型连接试件的可行性分析

3.1 新型与现浇试件的力学性能对比

表1 连接处钢构件几何参数

笔者采用上述有限元模拟方法，模拟了试件UZP在低周往复荷载作用下的受力过程，并与试件XJ的模拟结果进行对比，结果见图3、图4和表2。其中屈服荷载、破坏荷载、位移延性系数等定义同文献[17-18]。

图3 试件UZP和XJ滞回曲线对比

图4 试件UZP和XJ骨架曲线对比

从图3可以看出，试件UZP的滞回曲线呈菱形且较为饱满，而试件XJ的滞回曲线呈明显的“捏缩”现象，说明采用新型连接节点构件具有更好的耗能能力。从图4和表2可以看出，试件UZP的骨架曲线明显高于XJ骨架曲线，试件UZP的峰值荷载和破坏荷载是XJ的 2.2倍，屈服荷载和能量耗散系数是XJ的2倍，二者的初始刚度接近，延性系数均大于4。由此说明采用U型钢条连接的试件具有更好的力学性能。

表2 试件UZP和XJ模拟结果对比

3.2 UZP受力机理分析

试件UZP在屈服荷载、峰值荷载和破坏荷载时U型钢条Mise应力图、混凝土等效塑性应变图(PEEQ图)、钢筋Mise应力图分别如图5、图6、图7所示。

图5 U型钢条Mise应力图

图6 混凝土和灌浆料的PEEQ图

图7 钢筋的Mise应力图

从图5～图7可以看出，在屈服荷载时，U型钢条最大应力为258.2 MPa，钢筋最大应力为291.7 MPa，最大应力主要集中于U型钢条和槽型钢板开孔处；连梁端部钢筋和锚固钢筋开始承受拉力，灌浆料出现微小裂缝，混凝土塑性应变最大累积量为2.012×10-3。峰值荷载时，U型钢条和槽型钢板开孔区域最大应力为459.7 MPa，钢筋最大应力为461 MPa，分别较屈服荷载时增加了78%和58%，说明屈服时连梁纵向钢筋已屈服，同时箍筋和锚固钢筋应力随裂缝的发展进一步增加，混凝土等效塑性应变累积量最大值达3.157×10-3，裂缝逐渐由灌浆区向连梁端部发展。破坏荷载时，灌浆料基本被压碎，连梁端部混凝土大部分区域发生受拉破坏，钢筋最大应力较峰值荷载增加了17.9%，锚固钢筋达到屈服，U型钢条最大应力保持在峰值应力状态，发生较大的拉伸变形，逐渐丧失承载能力。

从上述受力过程可以看出，新型连接试件中U型钢条和槽型钢板开孔位置附近最先达到屈服，破坏趋势由开孔位置向钢板扩展，并且U型钢条先于连梁的混凝土和钢筋破坏，灌浆料区域部位破坏较严重，连接节点处的材料性能充分发挥，因此节点表现出了优越的耗能能力。

4 力学性能影响因素分析

为分析U型钢条连接剪力墙和连梁力学性能影响因素，笔者设计了11个试件，参数见表3。其中，n为U型钢条个数；w为钢套箍宽度；t为槽型钢板厚度；fGM,u为灌浆料强度；fy为钢板屈服强度。采用上述模拟方法，模拟试件受力过程，得到各试件骨架曲线及相应屈服荷载、峰值荷载等结果(见表3)。

表3 试件参数及模拟结果

4.1 灌浆料强度

不同灌浆料强度下各试件的骨架曲线如图8所示。从图8和表3可以看出，灌浆料强度从80 MPa增加到120 MPa时，各试件的承载力和能量耗散系数几乎不变，而位移延性系数增加了12%，并且试件的延性系数均大于4，满足混凝土延性设计的要求。这主要是因为强度最低的灌浆料强度也远高于混凝土，对节点区的破坏不起控制作用，因此增加灌浆料强度，仅在破坏荷载时对应变形略增加，延性略提高。由此说明，改变灌浆料强度对试件骨架曲线影响较小，设计时可选择强度较低的灌浆料。

图8 灌浆料强度对骨架曲线的影响

4.2 钢槽板厚度

不同槽型钢板厚度下各试件的骨架曲线如图9所示。从图9和表3可以得出，当槽型钢板厚度从5 mm增加到8 mm时，屈服荷载增加了34.99%，峰值荷载增加了28.3%，位移延性系数减小了19.4%，能量耗能系数减小了28.1%；当槽型钢板厚度从8 mm增加到10 mm时，承载力变化较小(小于2%)，位移延性系数增加了9.4%，能量耗能系数增加了9.64%。这主要是因为槽型钢板较薄时，破坏较重，随其厚度增加，破坏向U型钢条转移，二者协同受力，因此承载力提高。但因U型钢条较厚，变形性能不如槽型钢板，因此延性和能量耗散能力反而降低。而当槽型钢板较厚时，破坏转移至U型钢条，后期承载力反而降低，但变化较小，同时因为U型钢条受槽型钢板约束较强，会产生较大变形，引起延性和耗能能力的增加。由此说明，在一定厚度范围内增加钢槽板厚度可提高试件承载力，降低延性和耗能能力，但降低后仍满足延性和耗能能力需求。超过8 mm，随槽型钢板厚度增加，试件的承载力变化较小，但延性和耗能能力增强。

图9 钢槽板厚度对骨架曲线的影响

4.3 槽钢板屈服强度

不同钢槽板屈服强度下各试件的骨架曲线如图10所示。从图10和表3可以看出，当屈服强度从235 MPa增加到355 MPa时，构件屈服荷载增加了32.6%，峰值荷载增加了23%，位移延性系数以及能量耗散系数分别减小了18.2%、23.8%，但均满足延性和耗能能力需求；当屈服强度增加到390 MPa时，其承载能力、延性和耗能能力基本不变。变化规律与不同槽型钢板厚度下规律相似，但因为屈服强度增加不能引起U型钢条产生较大变形，因此当屈服强度增加到一定程度后，后期承载力、延性和耗能能力变化不明显。由此说明，在一定范围内增加钢板屈服强度可提高试件的承载能力，降低延性和耗能能力，但降低后仍满足延性和耗能能力需求。超过355 MPa，槽型钢板屈服强度对试件力学性能几乎无影响。

图10 钢材屈服强度对骨架曲线的影响

4.4 钢套箍宽度

不同钢套箍宽度下各试件的骨架曲线如图11所示。从图11和表3可以看出，当钢套箍宽度由10 mm增加到20 mm时，骨架曲线变化较小。分析原因是因为钢套箍的作用类似于箍筋，而其最小截面面积也大于箍筋截面面积，因此增大钢套箍宽度对力学性能几乎无影响。由此说明，钢套箍宽度对试件骨架曲线几乎无影响。

图11 钢套箍宽度对骨架曲线的影响

4.5 U型钢条个数

不同U型钢条个数下各试件的骨架曲线如图12所示。从图12和表3可以看出，当U型钢条个数由4个增到6个时，屈服荷载增加了10.9%，峰值荷载增加了11%，位移延性系数减小了8.1%，能量耗能系数几乎不变；当U型钢条个数由6个增加到8个时，屈服荷载增加了14.9%，峰值荷载增加了11.1%，位移延性系数减小了6.7%，能量耗能系数减小了10.9%。但降低后的延性和耗能能力仍可满足延性和耗能能力需求，主要是因为U型钢主要承担钢筋拉压应力的作用，并且连接处的弯矩最大，因此增加U型钢条个数将提高连接区域的承载力，但同时降低了连接区域的变形能力，因此延性和耗能能力反而降低。由此说明，增加U型钢条个数可提高试件的承载力，但同时会引起延性和耗能能力的降低。

图12 U型钢条个数对骨架曲线的影响

5 结 论

(1)与同条件现浇试件相比，U型钢条连接试件具有更好的承载和耗能能力，延性虽然降低，但仍可满足设计要求。

(2)U型钢条和槽型钢板开孔位置附近最先达到屈服，破坏趋势由开孔位置向钢板扩展，并且U型钢条先于连梁的混凝土和钢筋破坏，灌浆料区域部位破坏较严重，连接节点处的材料性能充分发挥。

(3)灌浆料强度、钢套箍宽度对骨架曲线影响很小，增加U型钢条个数或在一定范围内增大槽型钢板厚度、屈服强度可提高新型连接构件的承载力，降低延性和耗能能力，但仍可满足设计要求。因此，在设计U型钢条连接剪力墙和连梁时，可优先调整U型钢个数，其次是槽钢板厚度或屈服强度，而灌浆料强度和钢套箍宽度只需满足最小值要求。