钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构抗震性能研究

2022-11-08周稚竣吴欣禹吴金国董松员李娜

建筑与预算 2022年10期

周稚竣，吴欣禹，吴金国，董松员，李娜

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168；2.辽宁省建设科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110168；3.中国人民解放军空军研究院工程设计研究所沈阳工程设计室，辽宁沈阳 110168）

装配式剪力墙具有施工效率高、经济效益好、受力性能好等优点，在装配式建筑中得到了广泛应用[1-3]。稳定的装配式剪力墙的连接技术是保证装配式剪力墙结构抗震性能的关键。目前，国内外学者对装配式剪力墙连接技术进行了较多的研究。陈昕[4]提出了一种改进约束浆锚连接装配式剪力墙结构，并通过试验和ABAQUS 对其抗震性能进行了研究，结果表明，采用改进约束浆锚的装配式剪力墙结构具有良好的延性。李璐[5]提出了对一种新型螺栓连接预制剪力墙结构，并通过ABAQUS对其抗震性能进行了研究，结果表明，新型螺栓连接装配式剪力墙结构具有良好的抗震性能，其承载力、刚度及变形能力均高于现浇整体式剪力墙。刘香等[6]提出一种直螺纹灌浆套筒连接装配式剪力墙结构，并通过试验对其抗震性能进行了研究，结果表明，在低周往复荷载作用下，该结构与现浇结构具有相近的抗震性能。李宁波等[7-8]对提出一种套筒挤压连接的装配式剪力墙结构，并通过试验对其力学性能进行了研究。结果表明，套筒挤压连接的装配式剪力墙具有良好的力学性能，在往复荷载作用下的破坏形态以压弯破坏为主，相同位移角时，T 形截面的装配式剪力墙刚度更大。上述关于装配式剪力墙竖向连接技术的关键主要是通过连接装配式剪力墙受力钢筋，实现装配式剪力墙间的连接，但连接节点处施工质量不容易保证且湿作业较多。

为进一步提高施工质量，减少湿作业量的同时提高施工速度。本文尝试性提出了一种钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构，并采用有限元软件ABAQUS 对其抗震性能进行了研究，为推动装配式剪力墙的连接技术的发展提供参考。

1 构钢及扣连板接竖方向连法接装配式剪力墙结

钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构如图1 所示。连接过程：先将L 型钢板与带孔钢板进行焊接，形成带L 形钢板的连接件(图1a)。然后将上、下片墙体钢筋穿过预留孔与带L 形钢板的连接件进行绑定，形成带L 型连接件的装配式剪力墙(图1b)。最后由带矩形孔的钢扣板将上下片墙体的L 型钢板扣住、焊接，并在连接部位内部浇筑混凝土，使上、下L 形钢板连接在一起，形成装配完成的剪力墙(图1c)。该种连接具有施工工艺更简单、施工质量更容易保证、力学性能好等优点，但其局限性为仅可以从水平方向装配。

图1 钢扣板式竖向连接装配式剪力墙结构

2 有限元模拟方法及验证

为研究钢扣板式竖向连接装配式剪力墙装配式剪力墙结构的抗震性能，模拟之前，笔者选取了预制剪力墙试验[9]中的现浇试件为模拟对象，对本文模拟方法进行验证。

模拟时，混凝土采用塑性损伤模型，单元类型为C3D8R,钢筋采用双折线模型，单元为T3D2 钢板采用三折线模型，单元为S4[10]。网格设置为80mm。模型的相互作用、边界条件及加载方式均与试验[9]一致。

采用上述方法模拟之后，笔者提取了试件的骨架曲线，并与试验结果进行对比，如图2所示。

图2 现浇剪力墙试件的模拟与试验荷载-位移曲线对比

从图2 可见，模拟与试验的荷载-位移曲线发展趋势较为一致，相同挠度情况下，荷载最大相差小于8%。由此说明，模拟结果与试验结果误差较小，采用上述模拟方法具有可靠性。

3 钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构可行性分析

为研究钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构的可行性，参考上述试验[9]，本文设计了采用钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构的试件(简称GK)。本文采用上述模拟方法对装配试件的抗震性能进行了研究，并与相同条件下的现浇剪力墙试件(简称XJ)的抗震性能进行了对比。现浇剪力墙试件和钢扣板式竖向连接试件尺寸分别如表1 和表2 所示，混凝土、钢材、钢筋参数如表3 所示。

表1 试件GK 和试件XJ 尺寸

表2 试件GK 连接处尺寸

表3 试件所用材料参数

3.1 滞回曲线对比

试件XJ 与试件GK 滞回曲线对比如图3所示。与现浇试件XJ 相比，试件GK 比同等条件下试件XJ 的滞回曲线更加饱满，没有出现明显的捏缩现象，呈现出良好的“梭型”形状，而试件XJ 的滞回曲线有捏缩现象产生，形状呈现“弓形”。由此说明，钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构具有良好的滞回性能。

图3 试件XJ 与试件GK 滞回曲线对比

3.2 承载力及延性对比

试件XJ 与试件GK 骨架曲线对比如图4所示，试件GK 与试件XJ 的承载力及延性见表4。其中，屈服荷载、峰值荷载和极限荷载均采用等效弹塑性屈服法计算[11]，延性系数定义为破坏位移与屈服位移之比。从图4 和表4 可以看出，与试件XJ 相比，试件GK 的屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载略有降低，但降低幅度小于10%；延性系数提高了28.8%，满足混凝土结构延性一般大于2 的要求。由此说明，钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构具有较高的延性，虽承载力稍有降低，但可以满足工程需要。

图4 试件GK 与试件XJ 骨架曲线对比

表4 试件GK 与试件XJ 承载力及延性对比

3.3 耗能能力对比

本文采用能量耗散系数及等效阻尼黏滞系数[12]衡量该结构的耗能能力，能量耗散系数和等效阻尼黏滞系数的对比如表5 所示。与试件XJ 相比，试件GK 能量耗散系数提高了1.7%，等效阻尼粘滞系数相同，由此说明，钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构具有较高耗能能力。

表5 试件GK 和试件XJ 能量耗散系数及等效阻尼黏滞系数对比

3.4 刚度退化对比

本文采用刚度退化系数衡量[13]该结构的刚度退化，刚度退化系数对比如图5 所示。

从图5 可见，在加载初期，试件XJ 的刚度退化较快，随着荷载的施加，试件GK 与试件XJ 的刚度差值减小，达到峰值荷载后，试件GK 与试件XJ 的刚度基本趋于一致，加载后期，试件GK 与试件XJ 的破坏形式均是典型混凝土剪力墙的破坏形式，其中，试件GK进入屈服阶段但未达到破坏阶段。由此说明，钢扣板竖向连接装配式剪力墙结构具有较好的刚度退化能力。