冷彎十字型連接件連接剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能研究

陳霞，萬(wàn)馨，高鵬，明文卉

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

目前，我國(guó)大量建筑為高耗能建筑，造成嚴(yán)重環(huán)境污染。不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，裝配式建筑不僅節(jié)能減排，且效率經(jīng)濟(jì)；大力發(fā)展裝配式建筑有助于促進(jìn)建筑業(yè)高耗能建筑向綠色建筑轉(zhuǎn)型升級(jí)。已研究的帶外肋板鋼板混凝土組合剪力墻墻梁節(jié)點(diǎn)的連接采用焊接，焊縫處易發(fā)生應(yīng)力集中造成脆性破壞[1]，且焊縫質(zhì)量難以保證，本文基于帶外肋板的鋼板混凝土組合剪力墻的研究成果，提出一種使用冷彎十字型連接件連接節(jié)點(diǎn)，使預(yù)制裝配式鋼板組合剪力墻與鋼連梁連接成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)全裝配，節(jié)點(diǎn)通過(guò)大量螺栓、少量焊縫連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均可在工廠提前生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工，避免現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)方式存在資源消耗、安全隱患等問(wèn)題。

為了解冷彎十字型連接件連接的組合剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能，本文基于ABAQUS有限元軟件建立了14個(gè)冷彎型十字型連接件連接的剪力墻結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不同參數(shù)對(duì)冷彎十字型連接件連接的剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能的影響。

1 有限元模型建立

使用ABAQUS有限元軟件建立3層冷彎十字型連接件連接的聯(lián)肢鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)模型。參考相關(guān)規(guī)范及已有研究成果設(shè)計(jì)模型尺寸，幾何尺寸如圖1所示。組合剪力墻外框采用兩片鋼板，內(nèi)置豎向加勁肋，腔室內(nèi)填筑混凝土；連梁采用H型鋼梁，墻梁節(jié)點(diǎn)采用冷彎十字型連接件連接，連接件由一塊十字型鋼板90°冷彎成兩個(gè)U型端，鋼板組合墻與連接件一側(cè)U型端通過(guò)10.9級(jí)高強(qiáng)對(duì)拉螺栓連接，鋼梁與連接件另一側(cè)U型端通過(guò)10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，鋼梁腹板與連接件采用焊縫焊接。

圖1 結(jié)構(gòu)及十字型連接件尺寸

模型考慮幾何非線性與材料非線性，忽略初始缺陷及冷彎型連接件鋼材殘余應(yīng)力。由于混凝土開(kāi)裂、壓碎會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)損傷，混凝土采用ABAQUS自帶的綜合了多軸硬化塑性及各向同性的線性塑性損傷模型，選用丁發(fā)興等[2]提出的本構(gòu)關(guān)系，能很好模擬混凝土在加載后期的損傷情況；C30混凝土材料本構(gòu)膨脹角為30°，流動(dòng)勢(shì)偏移值為0.1，控制平面上曲線形狀參數(shù)Kc為2/3，泊松比為0.2，黏滯系數(shù)取0.0005，彈性模量為3.25×104MPa。鋼材均為Q235B級(jí)鋼，采用Von Mises三折線模型[2],能很好地模擬鋼板塑性性能，鋼材本構(gòu)關(guān)系如圖2所示，高強(qiáng)螺栓采用雙折線模型，材料性能參數(shù)如表1所示。

圖2 鋼材本構(gòu)

表1 材料性能

模型各部件均采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分實(shí)體單元C3D8R。約束模型底部全部自由度，模型頂部設(shè)置平面外約束，在墻肢頂上施加豎向荷載，墻肢側(cè)面頂端X方向耦合點(diǎn)上施加水平位移荷載，模型彈性階段加載由荷載控制，每級(jí)循環(huán)一周，屈服后水平荷載由位移控制，以1倍的屈服位移Δy為增量，每級(jí)循環(huán)2周，加載至模型破壞或荷載下降至峰值荷載的85%以下，水平循環(huán)反復(fù)加載向X方向先推后拉。

鋼板與加勁肋間的焊接通過(guò)綁定約束固定。模型中面面接觸，法向行為采用“硬接觸”，切向行為采用庫(kù)倫摩擦模型，通過(guò)定義摩擦因數(shù)模擬鋼板與混凝土間的黏結(jié)與滑移，鋼板與混凝土間摩擦因數(shù)取0.6[3]，為真實(shí)模擬加載過(guò)程中螺栓滑移、螺栓孔壁擠壓變形、板件間擠壓等現(xiàn)象，按不同的摩擦面處理方式對(duì)螺栓接觸的鋼板相互間的摩擦面設(shè)置不同切向摩擦因數(shù)[4-5]，通過(guò)ABAQUS中的螺栓線荷載向螺栓施加預(yù)緊力，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2有限元參數(shù)分析

本文通過(guò)變化連接件梁端螺栓直徑、與螺栓連接的鋼板摩擦面抗滑移系數(shù)[6]、鋼梁跨高比3個(gè)參數(shù)，建立14個(gè)有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析。參考規(guī)范[4],對(duì)螺栓直徑為22、24、27 mm的冷彎十字型連接件受剪力方向的栓距e1、e2及端距c1、c2進(jìn)行重新設(shè)計(jì),e2為90 mm,其他如表2所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 DM系列模型破壞特征

圖4為結(jié)構(gòu)第二層，連接件、鋼梁端部為結(jié)構(gòu)A端（加載端）放大云圖，結(jié)構(gòu)屈服后，最大應(yīng)力發(fā)展路徑總結(jié)為7種：①梁兩端G1、g1排螺栓孔→連接件梁端角部；②梁兩端G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件與翼緣交匯處；③梁腹板與連接件間的焊縫附近→腹板；④梁翼緣→腹板；⑤梁加勁肋焊縫附近→腹板；⑥梁兩端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件與翼緣交匯處；⑦梁兩端G1、g1、G2、g2、G3、g3排螺栓孔→連接件梁端角部。當(dāng)位移加載至2Δy，DM1最大應(yīng)力發(fā)展路徑為⑥，DM2為⑦，base～DM5為①；加載至3Δy，DM1最大應(yīng)力發(fā)展路徑相繼為⑥③、梁翼緣上的最大應(yīng)力不斷擴(kuò)展，DM2為⑦③，base、DM4、DM5為①②③，DM3為①②；加載至5Δy，DM1最大應(yīng)力發(fā)展路徑相繼為⑥③、梁翼緣上的最大應(yīng)力充分發(fā)展，DM2為⑦③⑤，base、DM4、DM5為①②③④，DM3為①②④。

圖4 DM系列模型破壞特征云圖

DM1、DM2由于螺栓直徑過(guò)小，冷彎十字型連接件發(fā)生翹曲并與梁翼緣接觸面發(fā)生相對(duì)滑移，見(jiàn)圖4（a）、圖4（b），結(jié)構(gòu)較早屈服，梁端螺栓均進(jìn)入塑性狀態(tài)，連接件與腹板間的焊縫附近應(yīng)力集中水平較大。當(dāng)墻端位移約Δy時(shí)，連接件與梁翼緣接觸面發(fā)生相對(duì)滑移，連接件與梁翼緣間出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)角，說(shuō)明螺栓直徑過(guò)小會(huì)阻礙連接件有效傳遞應(yīng)力，即螺栓直徑較小的DM1、DM2在梁端屈服前螺栓先發(fā)生破壞，無(wú)法保證墻梁的可靠性連接。與DM1、DM2相比，base～DM5連接件末端的梁翼緣塑性鉸的形成與發(fā)展更充分，表明較大的螺栓直徑有利于連接件末端梁翼緣塑性鉸的形成；DM3～DM5與base相比，連接件與腹板間焊縫附近最大應(yīng)力水平有所降低，原因?yàn)槁菟纵^大，一定程度上削弱了螺栓孔附近鋼材的剛度。

2.2 滯回曲線

圖5為DM、HY、LC系列模型滯回曲線，均呈飽滿梭形。DM系列模型中DM1、DM2的滯回曲線比其它飽滿，滯回環(huán)包圍面積更大，可見(jiàn)梁端連接件螺栓直徑較大的結(jié)構(gòu)整體耗能性能更優(yōu)；LC系列模型中LC1、LC2彈性階段滯回曲線斜率明顯更大，說(shuō)明跨高比為2.2～3.3時(shí)的結(jié)構(gòu)初始剛度較大。

圖5 各系列模型滯回曲線

2.3 承載能力

如圖6所示，DM系列模型中DM1承載力下降速率較快，下降段明顯，DM2～DM5的差異不大；HY系列模型曲線基本重合；與DM、HY相比，LC系列各模型承載力差異較大。

圖6 各系列模型骨架曲線

如表3所示，DM2比DM1極限承載力高出8.8%，base比DM2高出0.5%，DM3比base高出3.4%，DM4比DM3高出0.4%，DM5比DM4高出2.5%；base比HY1的極限承載力高出2.2%，HY2比base高出2.1%，HY3比HY2低5.3%，HY4比HY3低5.1%；LC2比LC1極限承載力高出1.1%，LC3比LC2高出16.3%，LC4比LC3高出1.0%，LC4比base高出7.8%。由此可知，隨著螺栓直徑增大，結(jié)構(gòu)極限承載力略有提升；隨著螺栓連接的鋼板間摩擦面抗滑移系數(shù)增加，結(jié)構(gòu)承載能力先增后減；隨著跨高比增加，結(jié)構(gòu)極限承載力逐漸提升，幅度較大，與其他參數(shù)相比，跨高比對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響更顯著。

表3 各系列模型骨架曲線特征值

2.4 延性性能

如表3所示，各系列模型延性系數(shù)μ值均在4.3之上，表明3個(gè)參數(shù)下冷彎十字型連接件連接的剪力墻結(jié)構(gòu)延性性能良好。DM2比DM1的μ值高出18.4%，base比DM2 高出4.6%，DM3 比base 高出2.0%，DM4 比DM3高出2.6%，DM5比DM4高出2.3%；

base比HY1的μ值高出2.6%，HY2比base高出3.3%，HY3比HY2低6.4%，HY4比HY3低7.2%；LC2比LC1的μ值高出2.4%，LC3比LC2高出8.1%，LC4比LC3高出6.2%，LC4比base高出1.7%。

螺栓直徑、跨高比增大，結(jié)構(gòu)延性性能提升，LC比DM系列的μ值增幅大，跨高比對(duì)延性性能影響較大；抗滑移系數(shù)超過(guò)0.4，延性性能大幅度減弱。

2.5 耗能能力

能量耗散系數(shù)E值常用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)耗散能量的能力,如圖7所示，各模型E值均在1.8以上，耗散能力優(yōu)良。DM2、BASE、DM3、DM4、DM5與DM1相比，E值分別高出6.0%、8.3%、11.1%、13.5%、15.5%；HY2比HY1高出5.6%，HY4比HY2低出15.5%；base與LC1相比，E值高出20.3%，螺栓直徑、跨高比增大，結(jié)構(gòu)耗能能力得到提升，跨高比增大能更大程度提升耗能能力，與螺栓連接的鋼材摩擦面抗滑移系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，耗能能力反而減弱，抗滑移系數(shù)小，螺栓連接的鋼板摩擦面容易發(fā)生滑移，有助于結(jié)構(gòu)耗能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元軟件ABAQUS，在低周往復(fù)循環(huán)加載作用下，對(duì)3組參數(shù)14個(gè)冷彎十字型連接件連接的剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載計(jì)算、分析，得到以下結(jié)論：1）連接件梁端螺栓直徑增大，結(jié)構(gòu)承載能力、耗能性能、延性性能得到提升。較小螺栓直徑使結(jié)構(gòu)梁端屈服前螺栓先破壞，螺栓直徑取22～27 mm，有利于連接件末端梁翼緣塑性鉸的形成。2）改變與螺栓連接的鋼板摩擦面抗滑移系數(shù)對(duì)承載能力影響不大，對(duì)延性性能、耗能能力影響較大?？够葡禂?shù)大于0.4，延性性能、耗能能力反而減弱，抗滑移系數(shù)為0.3～0.4時(shí)，結(jié)構(gòu)承載能力、延性性能、耗能能力更好。3）跨高比對(duì)結(jié)構(gòu)滯回性能影響較大，隨跨高比增加，承載能力、耗能能力、延性性能均得到提升，跨高比宜取4.5～6.6。