摘要：提出一種采用內(nèi)嵌邊框、高強螺栓以及連接鋼框連接相鄰層預制墻板的新型干式連接方式.為研究該連接方案的可行性及連接件的傳力機理，進行了試驗研究及有限元模擬；然后對節(jié)點的傳力路徑進行了分析，并討論了連接件的制作誤差對傳力路徑的影響；最后對彈性階段及彈塑性階段時連接件的應力分布與重分布進行了分析，得到了連接鋼框應力分布的計算模型以及高強螺栓傳遞剪力的計算公式.試驗研究及有限元分析表明，該新型連接方案可行，傳力路徑明確.機理分析表明：連接鋼框受壓區(qū)的應力大于受拉區(qū)的應力；受壓區(qū)高強螺栓傳遞的剪力大于受拉區(qū)高強螺栓傳遞的剪力，受壓區(qū)的高強螺栓率先發(fā)生滑移.

關鍵詞：預制混凝土；水平縫節(jié)點；高強螺栓；連接鋼框；機理分析

預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有能源消耗少、質(zhì)量易控制、施工速度快、場地環(huán)境好以及收縮裂縫少等優(yōu)點.2013年1月1日國務院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了國家發(fā)展改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設部制定的綠色建筑行動方案國辦發(fā)﹝2013﹞1號，明確提出要推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系.預制裝配式結(jié)構(gòu)的應用和推廣有利于促進我國的建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化，它是未來建筑發(fā)展的方向.長期以來，國內(nèi)外學者對各種預制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進行了深入而廣泛地研究，比如：裝配式大板結(jié)構(gòu)1，郭正興等研究的新型裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)2-3，帶接縫連接梁的預制混凝土剪力墻4，哈爾濱工業(yè)大學與黑龍江宇輝集團合作研究的預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)5，Soudki等6-7研究的預制混凝土剪力墻水平連接，Perez等8-9研究的后張無粘結(jié)預應力預制剪力墻結(jié)構(gòu)體系.然而，這些研究中的大多數(shù)仍屬于裝配整體式結(jié)構(gòu)，

孫建等10提出了一種新型全裝配式鋼筋混凝土剪力墻Innovative Precast Shear Wall，IPSW結(jié)構(gòu)，對該新型結(jié)構(gòu)中豎向縫連接方案的可行性進行了試驗驗證，然后在試驗的基礎上對豎向縫結(jié)構(gòu)單元的抗剪承載力進行了分析.IPSW結(jié)構(gòu)中水平縫節(jié)點通過在預制鋼筋混凝土RC墻板上、下邊緣設置內(nèi)嵌邊框，將墻板內(nèi)豎向鋼筋端部焊接于內(nèi)嵌邊框內(nèi)側(cè)，相鄰層墻板之間借助連接鋼框、高強螺栓連接，從而傳遞相鄰層墻板之間的作用力.本文首先介紹IPSW結(jié)構(gòu)水平縫的試驗研究，然后結(jié)合有限元數(shù)值模擬對水平縫節(jié)點的傳力機理進行重點分析.

1試驗概況

1.1試件設計

制作2個水平縫試件，編號為WH1，WH2，分別進行單調(diào)加載試驗、低周反復荷載試驗.2個試件的尺寸、混凝土設計強度、配筋、連接件及螺栓孔等參數(shù)均相同.混凝土設計強度等級為C35，水平分布筋、豎向分布筋、約束箍筋等均采用HPB235級鋼筋，連接鋼框與內(nèi)嵌邊框由10 mm厚Q235鋼板焊接而成，高強螺栓采用10.9級M16，螺栓孔徑為18 mm，試件見圖 1.連接鋼框與內(nèi)嵌邊框之間摩擦面的處理借鑒規(guī)程11]中的方法，綜合考慮鋼板加工工藝以及摩擦面的處理方法，抗滑移系數(shù)取為0.35.

混凝土實測立方體抗壓強度為38.9 MPa；HPB235級8鋼筋實測屈服強度為303 MPa，抗拉強度為461 MPa，彈性模量為210 GPa；HPB235級6.5鋼筋實測屈服強度為382 MPa，抗拉強度為525 MPa，彈性模量為210 GPa；10 mm厚Q235級鋼板實測屈服強度為259 MPa，抗拉強度為385 MPa，彈性模量為206 GPa.

1.2測量內(nèi)容

試驗主要測量如下項目：1試件頂部加載點的水平荷載和側(cè)移；2連接鋼框的應變分布；3試件受拉側(cè)與受壓側(cè)連接鋼框與內(nèi)嵌邊框之間的相對滑移；4試件RC墻板中豎向鋼筋與部分水平鋼筋的應變；5地梁的滑移.

1.3加載制度及裝置

試驗中采用張拉鋼鉸線的方法在WH1，WH2頂部施加豎向軸壓力505 kN并保持恒定.水平加載采用荷載和位移混合控制加載方法.對WH1施加單調(diào)水平荷載，屈服前以10 kN為一級，屈服后以1 mm或2 mm為一級；對WH2施加低周反復荷載以推向為正，拉向為負，屈服前以20 kN為一級，每級循環(huán)一次，屈服后以屈服位移的整數(shù)倍為控制位移，每級循環(huán)兩次.單調(diào)加載與反復加載均加載至試件承載力下降到峰值荷載的85%以下或試件因變形過大不適于繼續(xù)加載為止.加載裝置見圖 2.

2試驗結(jié)果與分析

2.1試驗過程與破壞形態(tài)

WH1加載至100 kN時，受拉側(cè)根部處出現(xiàn)第一條水平裂縫；在100～110 kN及120～130 kN的過程中，各聽到一次“嘭”聲；加載至160 kN時，荷載位移曲線偏離直線，且受拉側(cè)最外排豎向鋼筋屈服，之后轉(zhuǎn)入位移控制加載階段；隨著水平位移的增加，受拉側(cè)不斷出現(xiàn)新的水平裂縫并逐漸發(fā)展為斜裂縫，同時受拉區(qū)豎向鋼筋自外向內(nèi)第2排～第7排依次屈服；加載末期，受壓區(qū)混凝土大面積剝落直至壓碎，水平鋼筋露出，承載能力下降超過15%，試驗結(jié)束.WH1的破壞形態(tài)見圖 3a.

WH2反向加載至100 kN時，受拉側(cè)出現(xiàn)第一條水平裂縫；正向加載至120 kN時，受拉側(cè)根部開始出現(xiàn)水平裂縫；在100～160 kN的過程中，聽到三次“嘭”聲；正、反向加載到160 kN時，受拉側(cè)最外排豎向鋼筋達屈服，之后轉(zhuǎn)入位移控制加載階段；隨著加載位移的增加，出現(xiàn)新的水平裂縫，原有裂縫擴展、延伸、斜向發(fā)展形成交叉狀；最終，5Δy第一循環(huán)反向加載時，試件受壓區(qū)混凝土被壓碎，大面積剝落，承載能力下降超過15%，試驗結(jié)束.WH2的破壞形態(tài)見圖 3b.

由圖 3及試驗過程中豎向鋼筋及水平鋼筋的應變發(fā)展可知：兩水平縫試件破壞模式相同，均發(fā)生大偏壓破壞.試驗過程中聽到的“嘭”聲是由于連接鋼框與內(nèi)嵌邊框間發(fā)生滑移高強螺栓滑移而產(chǎn)生的.

2.2荷載位移曲線

單調(diào)加載下WH1的荷載位移曲線以及低周反復荷載下WH2的滯回曲線、骨架曲線分別見圖 4a～c，曲線特征點數(shù)據(jù)列于表1.表中：Vcr，Vy，Vu和Vr分別為開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞荷載；Δcr，Δy，Δm和Δu分別為開裂位移、屈服位移、峰值位移和極限位移.

頂點位移mma WH1

2.3連接鋼框應變分布

在不同加載階段，WH1中連接鋼框應變的分布如圖 5所示.圖中測點位置以連接鋼框受拉端為起點0 mm，受壓端為終點1 200 mm.

由圖 5可知：由于施加了505 kN的豎向軸力，加載初始階段連接鋼框全截面受壓；試件屈服后，連接鋼框受壓區(qū)的壓應變大幅增加、受拉區(qū)的拉應變相對較小且變化幅度不大；試件破壞時，連接鋼框受拉區(qū)、受壓區(qū)分界點位于420～780 mm之間；類似于正應變的分布規(guī)律，連接鋼框受拉區(qū)的剪應變變化不大，受壓區(qū)的剪應變隨頂點側(cè)移的增大而大幅增加.

測點位置mma正應變

測點位置mmb剪應變

2.4連接件滑移

試件WH1受壓側(cè)、受拉側(cè)連接鋼框與內(nèi)嵌邊框間的相對滑移螺栓滑移與試件頂點側(cè)移的關系如圖 6所示.

頂點側(cè)移mm

由圖 6可知：連接鋼框受壓端上側(cè)與墻板內(nèi)嵌邊框之間的滑移主要發(fā)生在水平荷載為90～130 kN期間，最終滑移約為0.50 mm，這與試驗過程中聽到“嘭”聲一致；連接鋼框受壓端下側(cè)與地梁內(nèi)嵌邊框間的滑移主要發(fā)生在40 kN，Δy+15 mm期間，最終滑移約為1.13 mm；連接鋼框受拉端上側(cè)與墻板內(nèi)嵌邊框間幾乎沒有發(fā)生相對滑移.

3有限元分析

3.1有限元模型

IPSW結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬涉及到混凝土、鋼構(gòu)件以及界面接觸等復雜的力學問題.本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS對試件WH1進行模擬.

采用混凝土損傷塑性Concrete Damaged Plasticity模型模擬混凝土的力學性能，采用彈性強化模型12模擬鋼筋、鋼板以及高強螺栓的力學性能.連接鋼框、內(nèi)嵌邊框、高強螺栓以及RC墻板采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬.在內(nèi)嵌邊框與連接鋼框之間的摩擦面上定義切向庫侖摩擦接觸；在螺栓桿與螺栓孔接觸面上定義法向硬接觸.建立的有限元模型如圖 7

3.2結(jié)果與分析

3.2.1荷載位移曲線

有限元計算的荷載位移曲線如圖 8所示.從圖中可以看出，加載初期有限元計算的剛度大于試驗剛度，隨后由于混凝土的開裂及高強螺栓的滑移，剛度有所下降，與試驗結(jié)果接近；加載至峰值點時，有限元計算的極限承載力為272 kN，WH1的試驗值為270 kN，WH2的正、反向試驗值分別為294 kN，270 kN，相對誤差分別為0.74%， 7.48%和0.74%；峰值點之后，有限元計算的承載能力衰減大于WH1，小于WH2.峰值點之后，WH2正、反向承載能力衰減較快是因為在反復荷載作用下，試件受拉區(qū)、受壓區(qū)交替變化，混凝土裂縫交替張開、閉合，加快了強度、剛度的退化.總體來看，有限元模擬的荷載位移曲線與試驗結(jié)果基本吻合，證明了本文采用ABAQUS建立的有限元模型是合理的.

3.2.2試件的變形及應力分布

試件破壞水平荷載下降為極限承載力的85%時的整體變形及墻板應力分布如圖 9所示，從圖中可以看出，試件基本呈現(xiàn)彎曲變形模式，發(fā)生彎曲破壞，與試驗結(jié)果一致.

3.2.3連接件的應力分布

試件破壞時，連接鋼框及高強螺栓應力分布如圖 10ab所示.從圖中可以看出，連接鋼框受壓區(qū)應力大于受拉區(qū)，受壓區(qū)的高強螺栓的應力大于受拉區(qū)，且受壓區(qū)高強螺栓發(fā)生彎曲變形，說明受壓區(qū)連接鋼框與內(nèi)嵌邊框之間發(fā)生了相對滑移，連接由摩擦型連接轉(zhuǎn)變?yōu)槌袎盒瓦B接，與試驗結(jié)果一致.

頂點側(cè)移mm

4節(jié)點傳力機理

4.1概述

4.1.1傳力路徑

IPSW結(jié)構(gòu)中水平縫節(jié)點的構(gòu)造如圖 11所示，墻板中豎向鋼筋與設置在墻板下緣的內(nèi)嵌邊框焊接，從而將上層墻板的內(nèi)力傳遞到內(nèi)嵌邊框上；上、下兩層墻板利用連接鋼框定位，然后安裝高強螺栓，從而通過連接鋼框及高強螺栓將上層墻板內(nèi)嵌邊框的內(nèi)力傳遞到下層墻板的內(nèi)嵌邊框上，然后通過豎向鋼筋將內(nèi)嵌邊框的內(nèi)力傳遞到下層墻板上.傳力路徑可以概括為：上層墻板→下緣內(nèi)嵌邊框→高強螺栓→連接鋼框→高強螺栓→下層墻板上緣內(nèi)嵌邊框→下層墻板.

圖11水平縫節(jié)點示意圖

Fig.11Schematic diagram of horizontal joints

在水平荷載作用下，RC墻板及連接鋼框總體上可分為受拉區(qū)與受壓區(qū).對于連接鋼框受拉區(qū)，在高強螺栓滑移前，拉力由內(nèi)嵌邊框與連接鋼框之間摩擦面上的摩擦阻力高強螺栓施加預拉力之后，內(nèi)嵌邊框與連接鋼框之間摩擦面上產(chǎn)生的抗滑移阻力來傳遞，在高強螺栓滑移后，拉力轉(zhuǎn)為由螺栓桿與螺栓孔壁接觸承壓來傳遞.然而，對于連接鋼框受壓區(qū)而言，連接件的加工精度將影響該部位內(nèi)力的傳遞路徑，根據(jù)加工精度，分為以下3種情況：

1當連接件制作精確如圖 11a所示時，拼裝后U形內(nèi)嵌邊框的端部將與H形連接鋼框的腹板緊密頂緊，因此在連接鋼框受壓區(qū)，壓力將直接由內(nèi)嵌邊框端部頂緊連接鋼框腹板進行傳遞.

2當連接件制作不精確如圖 11b所示、內(nèi)嵌邊框端部與連接鋼框腹板之間存在較小空隙時，加載初期，連接鋼框受壓區(qū)的壓力由內(nèi)嵌邊框與連接鋼框間的摩擦阻力進行傳遞，加載至一定程度時，高強螺栓發(fā)生滑移，導致內(nèi)嵌邊框端部與連接鋼框腹板頂緊，此后壓力轉(zhuǎn)由內(nèi)嵌邊框端部頂緊連接鋼框腹板進行傳遞.

3當連接件制作不精確如圖 11b所示、內(nèi)嵌邊框端部與連接鋼框腹板之間存在較大空隙時，加載初期，連接鋼框受壓區(qū)的壓力由內(nèi)嵌邊框與連接鋼框間的摩擦阻力進行傳遞，加載至一定程度時，盡管高強螺栓發(fā)生滑移，但內(nèi)嵌邊框端部與連接鋼框腹板仍未頂緊，此后壓力轉(zhuǎn)由螺栓桿與螺栓孔壁接觸承壓進行傳遞.

根據(jù)試驗研究時連接件的加工精度，本文按情況3進行分析.

4.1.2彈性階段

加載初期，豎向軸壓力使RC墻板全截面受壓，壓力由連接鋼框及高強螺栓傳遞到下層墻板上；水平荷載在上層墻板底部產(chǎn)生水平剪力以及彎矩，該水平剪力也由連接鋼框及高強螺栓傳遞到下層墻板上，該彎矩將使墻板底部一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓，拉力、壓力均由連接鋼框及高強螺栓向下傳遞.根據(jù)試驗及有限元分析結(jié)果，彈性階段連接鋼框的受力情況可簡化為如圖 12a所示示意圖，圖中σN為豎向軸壓力在連接鋼框中產(chǎn)生的正應力，σM，τ為水平荷載在連接鋼框中產(chǎn)生的正應力、剪應力.

當水平荷載小于某值時，試件受拉區(qū)的拉應力小于豎向軸壓力引起的壓應力，此時RC墻板及連接鋼框全截面受壓；當水平荷載等于該值時，RC墻板及連接鋼框受拉區(qū)邊緣的正應力為零；當水平荷載大于該值時，水平荷載在試件受拉區(qū)引起的拉應力將大于豎向軸壓力引起的壓應力，此時RC墻板及連接鋼框受拉區(qū)受拉；而整個過程中，RC墻板及連接鋼框受壓區(qū)均始終受壓.

4.1.3彈塑性階段

隨著水平荷載頂點側(cè)移的增加，節(jié)點進入彈塑性階段，連接件內(nèi)力發(fā)生重分布.根據(jù)試驗及有限元分析結(jié)果，彈塑性階段連接鋼框的受力情況可簡化為如圖 12b所示.當試件受拉區(qū)混凝土開裂后，裂縫處豎向鋼筋的應力突然增大；當水平荷載達到屈服荷載后，受拉區(qū)最外側(cè)受拉鋼筋屈服，之后屈服鋼筋的拉力基本保持不變.本文認為受拉區(qū)每根豎向鋼筋對應一定長度的連接鋼框，該豎向鋼筋的拉力由該長度范圍內(nèi)的連接鋼框及高強螺栓傳遞.隨著試件頂點側(cè)移的進一步增加，受拉區(qū)豎向鋼筋由外向內(nèi)依次屈服，連接鋼框所傳遞的拉力也將自外向內(nèi)逐漸增大.對于受壓區(qū)而言，隨著頂點側(cè)移的增加，裂縫不斷向受壓區(qū)延伸，受壓區(qū)面積逐漸減小、壓應力逐漸增加，最終混凝土壓碎、豎向鋼筋壓曲.此外，因RC墻板底部受拉區(qū)開裂，可忽略豎向鋼筋銷栓作用傳遞的水平剪力，認為水平剪力全部由受壓區(qū)傳遞.

4.2連接鋼框

4.2.1計算截面

取圖 1a中試件11截面上連接鋼框截面為其計算截面，如圖13所示.圖中：t為鋼板厚度；hw為計算截面的高度，與RC墻板截面高度相同.

連接鋼框的主要功能是傳遞拉力、壓力及水平剪力，因此本文主要研究計算截面上的正應力與剪應力.

4.2.2彈性階段

當試件處于彈性狀態(tài)時，假定：在軸壓力、彎矩作用下，RC墻板及連接鋼框計算截面內(nèi)的正應變保持平面；在水平剪力作用下，連接鋼框計算截面內(nèi)的剪應力呈二次拋物線分布.此外，不考慮混凝土的受拉作用，混凝土受壓的應力-應變關系采用規(guī)范13公式.

SymboltA@ y分別為距截面中性軸z軸y處的正應力拉應力為正、壓應力為負與剪應力對單元體內(nèi)任一點的矩順時針轉(zhuǎn)向者為正、反之為負；N，

V分別為作用在試件上的豎向軸壓力與水平荷載；H為試件的計算高度；Sy為計算截面上剪應力計算點以外部分圖 13中陰影部分對截面中性軸的靜矩；Iz為計算截面對其中性軸的慣性矩.

4.2.3彈塑性階段

試件進入彈塑性階段后，連接件的內(nèi)力將發(fā)生重分布，選取承載能力極限狀態(tài)作為研究控制點.

RC墻板的極限承載力采用規(guī)范13-14公式，豎向鋼筋的實測應力應變曲線屈服平臺較短，因此宜用極限抗拉強度代替規(guī)范13-14]中的屈服強度.根據(jù)試驗結(jié)果及有限元計算結(jié)果，承載能力極限狀態(tài)時連接鋼框正應力、剪應力簡化為圖14所示的分布模式：連接鋼框受拉區(qū)、受壓區(qū)范圍與RC墻板的受拉區(qū)、受壓區(qū)范圍一致；水平剪力僅由受壓區(qū)傳遞，剪應力在受壓區(qū)均勻分布.圖 14中：x為連接鋼框受壓區(qū)等效矩形應力圖形的高度，與混凝土受壓區(qū)等效矩形應力圖形的高度相等；xβ1為連接鋼框?qū)嶋H受壓區(qū)高度，β1為系數(shù)，根據(jù)規(guī)范13]，β1=0.8.

由表 2可知：ⅰ在加載開始階段，受拉區(qū)高強螺栓傳遞向下的剪力，隨著荷載的增加開始傳遞向上的剪力；ⅱ連接鋼框受壓端高強螺栓傳遞剪力明顯大于受拉端，方向非常接近豎直向下，因此可以判斷受壓區(qū)高強螺栓將先于受拉區(qū)高強螺栓發(fā)生滑移；ⅲ彈性階段，連接鋼框受拉端高強螺栓傳遞的剪力最大值為46.80kN，小于其抗滑移承載力63kN，不會發(fā)生滑移，與試驗現(xiàn)象一致；ⅳ當水平荷載V=80 kN，90 kN時，連接鋼框受壓端高強螺栓傳遞的剪力為V10=61.26 kN，65.76 kN，高強螺栓的抗滑移承載力為63 kN，因此可以推測當水平荷載V=80～90 kN時受壓端高強螺栓發(fā)生滑移，試驗監(jiān)測表明，該部位高強螺栓滑移開始發(fā)生于水平荷載V=90 kN時，可見二者吻合較好.

2彈塑性階段

試件進入彈塑性階段后，連接件的內(nèi)力將發(fā)生重分布，類似于對連接鋼框的分析，選取承載能力極限狀態(tài)作為研究控制點.

由式2～5可得，承載能力極限狀態(tài)時：ⅰ連接鋼框上高強螺栓傳遞剪力的大小順序為受壓區(qū)>受拉區(qū)>中間段；ⅱ連接鋼框受拉端高強螺栓所傳遞的剪力以及其方向角分別為V1=30.88 kN，θ1=90°，顯然V1Nv1b=63 kN，表明該螺栓已發(fā)生滑移，與試驗結(jié)果及有限元分析結(jié)果一致.

5結(jié)論

1IPSW結(jié)構(gòu)水平縫節(jié)點方案可行，傳力路徑明確，即：上層墻板→下緣內(nèi)嵌邊框→高強螺栓→連接鋼框→高強螺栓→下層墻板上緣內(nèi)嵌邊框→下層墻板.

2采用有限元分析軟件ABAQUS研究試件在單調(diào)荷載作用下的受力性能，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，從而驗證了有限元模型中單元選擇、材料本構(gòu)、接觸處理的合理性，說明本文中的有限元模型可以真實地模擬試件的力學性能，為節(jié)點的機理分析提供了基礎.

3連接件的制作精度對受拉區(qū)節(jié)點的傳力機理無影響，但對受壓區(qū)節(jié)點的受力機理影響較大.

4從彈性階段到彈塑性階段，連接鋼框的應力發(fā)生了重分布.當處于彈性狀態(tài)時，連接鋼框的受拉區(qū)、受壓區(qū)均有正應力與剪應力傳遞.當處于承載能力極限狀態(tài)時，連接鋼框的受拉區(qū)只傳遞拉應力，受壓區(qū)既傳遞壓應力也傳遞剪應力，且受壓區(qū)應力遠大于受拉區(qū).

5受壓區(qū)高強螺栓傳遞的剪力遠大于受拉區(qū)高強螺栓傳遞的剪力，受壓端高強螺栓率先發(fā)生滑移.

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