U型鋼條連接剪力墻和連梁的力學(xué)性能研究

李 明，謝可可，吳 潛，付 春,2，梁奇才

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

裝配式建筑具有質(zhì)量穩(wěn)定性高、施工高效、機械化程度高等優(yōu)點，在我國得到了飛速發(fā)展[1-2]。其結(jié)構(gòu)形式主要包括框架、剪力墻和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，連梁是后兩種結(jié)構(gòu)形式中剪力墻間的傳力構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度和抗震能力影響很大[3-6]。李松佶[7]提出連梁內(nèi)置連接筋與墻肢后穿的連接法，采用其連接的結(jié)構(gòu)在彈性階段整體性較高，彈塑性階段耗能較好。袁帥鋒[8]提出了帶拱型連梁的裝配式聯(lián)肢剪力墻，其可有效避免連梁破壞集中在連梁端部。張海洋[9]、王春艷[10]研究了等效鋼筋連接剪力墻和連梁的裝配方法，結(jié)果表明裝配單連梁的承載力與現(xiàn)澆連梁相差不大，而裝配雙連梁則具有更好的承載、變形和耗能能力。

現(xiàn)有研究多以傳統(tǒng)工法連接剪力墻與連梁，而對鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的研究有限?；诖?，筆者提出一種基于U型鋼條連接預(yù)制剪力墻和連梁的新型方法，研究灌漿料強度、槽型鋼板屈服強度、厚度等因素對該新型連接構(gòu)件力學(xué)性能的影響，研究表明，該方法具有裝配便捷、施工速度更快等優(yōu)點，可以為工程應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。

1 新型連接方法介紹

U型鋼條連接剪力墻與連梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示。預(yù)制連梁和預(yù)制剪力墻上均安裝預(yù)埋件(見圖1(a))，預(yù)埋件由預(yù)埋帶槽孔的槽型鋼板和錨固鋼筋組成。裝配時，預(yù)制墻和預(yù)制連梁通過U型鋼條穿入槽孔連接，連接前先將鋼套箍置于預(yù)埋件上，待鋼條插入后，再將鋼套箍套于U型鋼條外側(cè)，以滿足抗剪需求。其中 U型鋼條如圖1(b)所示，連接后的結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，最后在節(jié)點連接處澆注灌漿料，連接完成。

圖1 U型鋼條連接剪力墻與連梁結(jié)構(gòu)

2 有限元模擬方法及驗證

為探討U型鋼條連接剪力墻和連梁的可行性，筆者基于ABAQUS對該種新型連接節(jié)點的力學(xué)性能進(jìn)行分析。分析前，采用文獻(xiàn)[10]中的試件XJ對模擬方法進(jìn)行驗證。

混凝土采用CDP模型本構(gòu)，單元為C3D8R，泊松比為0.2；鋼筋采用三折線簡化模型，單元為T3D2，泊松比取0.3[11-13]?；炷羻卧W(wǎng)格尺寸為100 mm,鋼筋單元網(wǎng)格尺寸為50 mm。

邊界條件和加載方式如下：上部剪力墻的端面設(shè)置參考點，參考點與上部剪力墻的左側(cè)端面采用Coupling約束[14]，在參考點上直接施加水平荷載；釋放下部剪力墻底面、側(cè)面豎向位移約束，其余自由度全部約束，剪力墻水平方向自由，其余自由度全部約束。剪力墻與連梁間采用Tie約束，鋼筋與混凝土間采用Embedded Region約束[15-16]。

試件XJ的骨架曲線見圖2。從圖中可以看出，模擬與試驗骨架曲線偏差較小，說明筆者建立的模擬方法可行。

圖2 試件 XJ骨架曲線

3 新型連接試件的可行性分析

3.1 新型與現(xiàn)澆試件的力學(xué)性能對比

表1 連接處鋼構(gòu)件幾何參數(shù)

筆者采用上述有限元模擬方法，模擬了試件UZP在低周往復(fù)荷載作用下的受力過程，并與試件XJ的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3、圖4和表2。其中屈服荷載、破壞荷載、位移延性系數(shù)等定義同文獻(xiàn)[17-18]。

圖3 試件UZP和XJ滯回曲線對比

圖4 試件UZP和XJ骨架曲線對比

從圖3可以看出，試件UZP的滯回曲線呈菱形且較為飽滿，而試件XJ的滯回曲線呈明顯的“捏縮”現(xiàn)象，說明采用新型連接節(jié)點構(gòu)件具有更好的耗能能力。從圖4和表2可以看出，試件UZP的骨架曲線明顯高于XJ骨架曲線，試件UZP的峰值荷載和破壞荷載是XJ的 2.2倍，屈服荷載和能量耗散系數(shù)是XJ的2倍，二者的初始剛度接近，延性系數(shù)均大于4。由此說明采用U型鋼條連接的試件具有更好的力學(xué)性能。

表2 試件UZP和XJ模擬結(jié)果對比

3.2 UZP受力機理分析

試件UZP在屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載時U型鋼條Mise應(yīng)力圖、混凝土等效塑性應(yīng)變圖(PEEQ圖)、鋼筋Mise應(yīng)力圖分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 U型鋼條Mise應(yīng)力圖

圖6 混凝土和灌漿料的PEEQ圖

圖7 鋼筋的Mise應(yīng)力圖

從圖5～圖7可以看出，在屈服荷載時，U型鋼條最大應(yīng)力為258.2 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為291.7 MPa，最大應(yīng)力主要集中于U型鋼條和槽型鋼板開孔處；連梁端部鋼筋和錨固鋼筋開始承受拉力，灌漿料出現(xiàn)微小裂縫，混凝土塑性應(yīng)變最大累積量為2.012×10-3。峰值荷載時，U型鋼條和槽型鋼板開孔區(qū)域最大應(yīng)力為459.7 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為461 MPa，分別較屈服荷載時增加了78%和58%，說明屈服時連梁縱向鋼筋已屈服，同時箍筋和錨固鋼筋應(yīng)力隨裂縫的發(fā)展進(jìn)一步增加，混凝土等效塑性應(yīng)變累積量最大值達(dá)3.157×10-3，裂縫逐漸由灌漿區(qū)向連梁端部發(fā)展。破壞荷載時，灌漿料基本被壓碎，連梁端部混凝土大部分區(qū)域發(fā)生受拉破壞，鋼筋最大應(yīng)力較峰值荷載增加了17.9%，錨固鋼筋達(dá)到屈服，U型鋼條最大應(yīng)力保持在峰值應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生較大的拉伸變形，逐漸喪失承載能力。

從上述受力過程可以看出，新型連接試件中U型鋼條和槽型鋼板開孔位置附近最先達(dá)到屈服，破壞趨勢由開孔位置向鋼板擴展，并且U型鋼條先于連梁的混凝土和鋼筋破壞，灌漿料區(qū)域部位破壞較嚴(yán)重，連接節(jié)點處的材料性能充分發(fā)揮，因此節(jié)點表現(xiàn)出了優(yōu)越的耗能能力。

4 力學(xué)性能影響因素分析

為分析U型鋼條連接剪力墻和連梁力學(xué)性能影響因素，筆者設(shè)計了11個試件，參數(shù)見表3。其中，n為U型鋼條個數(shù)；w為鋼套箍寬度；t為槽型鋼板厚度；fGM,u為灌漿料強度；fy為鋼板屈服強度。采用上述模擬方法，模擬試件受力過程，得到各試件骨架曲線及相應(yīng)屈服荷載、峰值荷載等結(jié)果(見表3)。

表3 試件參數(shù)及模擬結(jié)果

4.1 灌漿料強度

不同灌漿料強度下各試件的骨架曲線如圖8所示。從圖8和表3可以看出，灌漿料強度從80 MPa增加到120 MPa時，各試件的承載力和能量耗散系數(shù)幾乎不變，而位移延性系數(shù)增加了12%，并且試件的延性系數(shù)均大于4，滿足混凝土延性設(shè)計的要求。這主要是因為強度最低的灌漿料強度也遠(yuǎn)高于混凝土，對節(jié)點區(qū)的破壞不起控制作用，因此增加灌漿料強度，僅在破壞荷載時對應(yīng)變形略增加，延性略提高。由此說明，改變灌漿料強度對試件骨架曲線影響較小，設(shè)計時可選擇強度較低的灌漿料。

圖8 灌漿料強度對骨架曲線的影響

4.2 鋼槽板厚度

不同槽型鋼板厚度下各試件的骨架曲線如圖9所示。從圖9和表3可以得出，當(dāng)槽型鋼板厚度從5 mm增加到8 mm時，屈服荷載增加了34.99%，峰值荷載增加了28.3%，位移延性系數(shù)減小了19.4%，能量耗能系數(shù)減小了28.1%；當(dāng)槽型鋼板厚度從8 mm增加到10 mm時，承載力變化較小(小于2%)，位移延性系數(shù)增加了9.4%，能量耗能系數(shù)增加了9.64%。這主要是因為槽型鋼板較薄時，破壞較重，隨其厚度增加，破壞向U型鋼條轉(zhuǎn)移，二者協(xié)同受力，因此承載力提高。但因U型鋼條較厚，變形性能不如槽型鋼板，因此延性和能量耗散能力反而降低。而當(dāng)槽型鋼板較厚時，破壞轉(zhuǎn)移至U型鋼條，后期承載力反而降低，但變化較小，同時因為U型鋼條受槽型鋼板約束較強，會產(chǎn)生較大變形，引起延性和耗能能力的增加。由此說明，在一定厚度范圍內(nèi)增加鋼槽板厚度可提高試件承載力，降低延性和耗能能力，但降低后仍滿足延性和耗能能力需求。超過8 mm，隨槽型鋼板厚度增加，試件的承載力變化較小，但延性和耗能能力增強。

圖9 鋼槽板厚度對骨架曲線的影響

4.3 槽鋼板屈服強度

不同鋼槽板屈服強度下各試件的骨架曲線如圖10所示。從圖10和表3可以看出，當(dāng)屈服強度從235 MPa增加到355 MPa時，構(gòu)件屈服荷載增加了32.6%，峰值荷載增加了23%，位移延性系數(shù)以及能量耗散系數(shù)分別減小了18.2%、23.8%，但均滿足延性和耗能能力需求；當(dāng)屈服強度增加到390 MPa時，其承載能力、延性和耗能能力基本不變。變化規(guī)律與不同槽型鋼板厚度下規(guī)律相似，但因為屈服強度增加不能引起U型鋼條產(chǎn)生較大變形，因此當(dāng)屈服強度增加到一定程度后，后期承載力、延性和耗能能力變化不明顯。由此說明，在一定范圍內(nèi)增加鋼板屈服強度可提高試件的承載能力，降低延性和耗能能力，但降低后仍滿足延性和耗能能力需求。超過355 MPa，槽型鋼板屈服強度對試件力學(xué)性能幾乎無影響。

圖10 鋼材屈服強度對骨架曲線的影響

4.4 鋼套箍寬度

不同鋼套箍寬度下各試件的骨架曲線如圖11所示。從圖11和表3可以看出，當(dāng)鋼套箍寬度由10 mm增加到20 mm時，骨架曲線變化較小。分析原因是因為鋼套箍的作用類似于箍筋，而其最小截面面積也大于箍筋截面面積，因此增大鋼套箍寬度對力學(xué)性能幾乎無影響。由此說明，鋼套箍寬度對試件骨架曲線幾乎無影響。

圖11 鋼套箍寬度對骨架曲線的影響

4.5 U型鋼條個數(shù)

不同U型鋼條個數(shù)下各試件的骨架曲線如圖12所示。從圖12和表3可以看出，當(dāng)U型鋼條個數(shù)由4個增到6個時，屈服荷載增加了10.9%，峰值荷載增加了11%，位移延性系數(shù)減小了8.1%，能量耗能系數(shù)幾乎不變；當(dāng)U型鋼條個數(shù)由6個增加到8個時，屈服荷載增加了14.9%，峰值荷載增加了11.1%，位移延性系數(shù)減小了6.7%，能量耗能系數(shù)減小了10.9%。但降低后的延性和耗能能力仍可滿足延性和耗能能力需求，主要是因為U型鋼主要承擔(dān)鋼筋拉壓應(yīng)力的作用，并且連接處的彎矩最大，因此增加U型鋼條個數(shù)將提高連接區(qū)域的承載力，但同時降低了連接區(qū)域的變形能力，因此延性和耗能能力反而降低。由此說明，增加U型鋼條個數(shù)可提高試件的承載力，但同時會引起延性和耗能能力的降低。

圖12 U型鋼條個數(shù)對骨架曲線的影響

5 結(jié) 論

(1)與同條件現(xiàn)澆試件相比，U型鋼條連接試件具有更好的承載和耗能能力，延性雖然降低，但仍可滿足設(shè)計要求。

(2)U型鋼條和槽型鋼板開孔位置附近最先達(dá)到屈服，破壞趨勢由開孔位置向鋼板擴展，并且U型鋼條先于連梁的混凝土和鋼筋破壞，灌漿料區(qū)域部位破壞較嚴(yán)重，連接節(jié)點處的材料性能充分發(fā)揮。

(3)灌漿料強度、鋼套箍寬度對骨架曲線影響很小，增加U型鋼條個數(shù)或在一定范圍內(nèi)增大槽型鋼板厚度、屈服強度可提高新型連接構(gòu)件的承載力，降低延性和耗能能力，但仍可滿足設(shè)計要求。因此，在設(shè)計U型鋼條連接剪力墻和連梁時，可優(yōu)先調(diào)整U型鋼個數(shù)，其次是槽鋼板厚度或屈服強度，而灌漿料強度和鋼套箍寬度只需滿足最小值要求。