盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究.pdf

第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.017江苏科技大学学报（自然科学版）Vol.37No.3Jun.2023盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究王柳叶，刘元珍*，白浩杰，柴丽娟（太原理工大学土木工程学院，太原0 30 0 2 4)摘要：盒式连接通过连接盒与高强螺杆连接相邻预制构件，为研究在水平接缝处使用这种连接方式的装配式剪力墙的抗剪性能，在验证已有试验的基础上，改变连接盒的底板构造进行模拟分析，研究螺杆直径、螺杆数量、连接盒底板厚度、U型钢筋高度及直径等参数对剪力墙破坏模式和抗剪性能的影响，以改进剪力墙破坏模式、剪力墙抗剪性能良好及经济性高为原则，优选出连接方案.以优选的连接方案为基础，对比分析了不同轴压比和墙体厚度对剪力墙抗剪性能的影响.结果表明：增大螺杆直径更有利于剪力墙的水平接缝加固；连接盒底板厚度、U型钢筋高度及直径等降低后，试件的安全性能均会降低；随着轴压比增加，试件的极限承载力增大，延性减小；墙体厚度增加，试件的刚度、变形能力均提高.关键词：盒式连接；装配式剪力墙；抗剪性能；有限元模拟；参数分析中图分类号：TU375;TU398*.2Study on shear resistance of box-connected prefabricated shear wallsAbstract:Box connection connects adjacent members with high-strength screws through connection boxes.In or-der to study the shear performance of fabricated shear walls with this connection mode at horizontal joints,basedon the verification of existing tests,the structure of the bottom plate of connection boxes is changed for simulationanalysis,and the influence of screw diameter,screw number,thickness of connection box bottom plate,heightand diameter of U-shaped steel bars on shear wall failure mode and shear performance is studied.Based on theprinciple of improving shear wall failure mode,good shear performance and high economy,the connectionscheme is optimized.Based on the optimal connection scheme,the effects of different axial compression ratiosand wall thickness on shear performance of shear walls are compared and analyzed.The results show that increas-ing the screw diameter is more beneficial to the horizontal joint reinforcement of shear wall.When the thicknessof the bottom plate of the connection box,the height and diameter of U-shaped steel bars are reduced,the safetyperformance of the specimen can be reduced.With the increase of axial compression ratio,the ultimate bearingcapacity of the specimen increases and the ductility decreases.With the increase of wall thickness,the stiffnessand deformation capacity of the specimen improves.Key words:box connection,prefabricated shear wall,shear performance,finite element modelling,parameter装配式混凝土剪力墙结构中通过水平连接和竖点，装配式剪力墙的发展应用对我国建筑工业化发向连接使相邻预制构件形成整体，装配式结构具有展具有重要意义 1-4.装配式混凝土结构以预制构施工周期短、节约资源、经济效益好、安全性高等优件之间的连接为研究重点，,装配式剪力墙整体性能收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 5基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 19 115 30 2 38,5 2 0 7 8 47 3，5 2 0 110 17 35）；山西省重点研发计划（2 0 19 0 3D321043）；山西省回国留学人员科研资助项目（2 0 2 2-0 6 32 0 2 2-0 6 4）；山西省应用基础研究计划项目（2 0 2 10 30 2 12 40 11）作者简介：王柳叶（19 9 8 一），女，硕士研究生*通信作者：刘元珍（19 7 4一），女，教授，博导，研究方向为装配式混凝土结构及其智能建造.E-mail:引文格式：王柳叶，刘元珍，白浩杰，等.盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究 J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 2 3,37（3）：10 6-113.D01:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.017.文献标志码：AWANG Liuye,LIU Yuanzhen*,BAI Haojie,CHAI Lijuan(College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)analysis文章编号：16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-10 6-0 8第3期主要取决于剪力墙接缝处的连接性能 5-6，水平及竖向接缝的连接技术主要包括干式连接、湿式连接，干式连接施工效率高、避免了施工现场不必要的湿作业，采用干式连接可充分发挥装配式结构优势 7，文中采用的盒式连接属于干式连接的一种,其通过连接盒与高强螺杆连接相邻预制构件,如图1.连接件螺母接盒U型钢筋预制墙板连接盒坐浆接缝底板中心开孔现浇基础图1盒式连接Fig.1Box connection文献 8-9 对由钢筋连接盒、锚固钢筋及连接钢筋制成的预制干式连接件进行了受弯性能试验，发现连接件工作性能良好，连接节点有较好的传力路径,证明了此连接形式的可行性.文献 10 认为墙体所受的拉力和剪力可以通过盒式连接件很好地传递.文献 11研究发现采用盒式连接的预制结构在单调和循环荷载作用下，试件的极限承载力与使用的钢筋和螺栓的横截面成正比,并且整体的失效模式是由连接件的破坏决定的.文献 12-13发现采用盒式连接方式的装配式剪力墙结构破坏形态为剪切破坏，并且剪力墙承载能力较好.文献14认为全装配式墙板结构连接盒试件的抗剪性能随着螺杆强度降低而减小.文献 15 认为采用盒式连接的剪力墙接缝的抗剪强度是由粘接作用、销钉作用和剪切摩擦作用形成的,随着螺栓强度和轴压比的增加,抗剪强度增加.文献 16 对盒式连接预制混凝土墙进行了抗拉和抗压强度试验，研究发现墙体强度较高.已有研究 8-16 说明盒式连接对于剪力墙结构设计至关重要，但关于盒式连接中连接盒参数对装配式剪力墙抗剪性能的影响报道罕见.文中采用ABAQUS有限元方法研究水平接缝处使用盒式连接方式的装配式剪力墙的抗剪性能，首先通过对比文献 10 试验和数值模拟的结果，验证有限元方法的有效性，研究螺杆数量、螺杆直径与连接盒底板厚度、U型钢筋高度及直径等对剪力墙破坏模式和抗剪性能的影响，并得出优选方案，最后基于此优选方案进行参数分析，为盒式连王柳叶，等：盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究垫片螺杆107接装配式剪力墙的结构设计提供依据.1模型验证1.1试验概况以文献 10 中试件S1的试验为基础,通过选取合适的建模方式来验证有限元模拟的可靠性.试件S1由采用C35混凝土的加载梁、上部剪力墙、上翻矮墙、基础梁及剪力墙与矮墙交接处的接缝构成,其中接缝坐浆料为M15、厚度为10 mm，试件S1尺寸及配筋如图2,轴压比为0.1.试件S1连接盒由材质为Q235的顶板、底板、侧板及材质为HPB300的U型钢筋组成,在底板中心开一个与连接螺杆直径相近的圆孔,连接螺杆性能等级为8.8级，试件S1连接盒的尺寸如图3.试验时在试件顶部施加334kN的竖向荷载保持不变（数据参考文献10），之后在加载梁处施加水平往复加载，开始采用力控制加载，达到屈服后采用位移控制加载，加载至试件承载能力降低至峰值荷载的8 5%时停止.试件S1的破坏为脆性破坏,破坏时螺杆被拉断，水平接缝和接缝下的上翻矮墙存在裂缝，水平接缝处裂缝由两边向中间发展形成了通缝,剪力墙处竖向钢筋应变较小,墙体基本保持弹性.水平钢筋$10200/4钟18竖向钢筋2.钟12竖向分布钢筋00S$82001OSE123$8200$8200加载梁水平分布钢筋$82004钟12150900150坐浆接缝连接件$10 10 0/2 0 02上翻矮墙基础梁700120017002.600图2 S1尺寸及配筋（单位：mm）Fig.2 Specimen S1 dimensions andreinforcement(unit:mm)U型钢筋14OSE一内部腔体110125.135.3515120148七底板中心开孔8 0图3试件S1连接盒的尺寸（单位：mm）Fig.3Dimensions of the specimen S1connection box(unit:mm)12001-112205002-2一顶板一侧板四边满焊焊脚5 mm1081.2有限元模型建立（1）材料本构关系混凝土、接缝处坐浆材料采用塑性损伤模型，混凝土的单轴受压/受拉应力一应变曲线采用下列公式确定：g=(1-d)E.式中：d为混凝土单轴受压/受拉损伤演化参数；E。为弹性模量,取3.15 10 kN/m.模型中膨胀角取30,偏移量参数取0.1,双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度之比取1.16，粘性系数取0.0 0 2 5，不变量应力比为2/3，粘性参数取0.0 0 0 5.连接盒及U型钢筋、连接螺杆、垫片、螺母、钢筋网均采用钢材二折线模型，钢材屈服之后强化阶段的弹性模量取初始弹性模量的0.0 1,钢材的屈服准则采用Von-Mises屈服准则.连接螺杆性能等级为8.8 级，螺杆属性在试验验证环节参考文献10,在其他环节参考文献 14,其他钢材的材料属性均参考文献 14.（2）约束和接触关系设置连接盒U型钢筋、钢筋网与混凝土之间均采江苏科技大学学报（自然科学版）用嵌入约束；设置螺杆与混凝土的相互作用为内置区域；连接盒中采用绑定约束模拟U型钢筋与连接盒之间的连接，坐浆接缝和矮墙采用绑定约束；混凝土与连接盒之间的接触、坐浆接缝与剪力墙的接触以及螺母与垫片的接触设置为表面与表面接触,法向作用采用硬接触,切向作用采用罚函数,摩擦系数取0.6;剪力墙上部设置的钢垫板与混凝土之间的约束采用绑定约束.（3）边界条件与加载方式由于试验中基础梁被固定在试验室地面上,基础梁在试验过程中自由度均被约束,将基础梁底部设置成固定端；竖向轴压力施加在RP-1,平面外位移约束施加在RP-2,将水平位移施加在RP-3，RP-1、RP-2、RP-3位置如图4.（4）部件选取与网格划分基础梁、剪力墙、加载梁、坐浆接缝、上翻矮墙及钢筋网等部位网格尺寸选择为5 0 mm,连接盒由于底板开孔，为计算精度更高采用10 mm网格尺寸,连接螺杆由于尺寸较小,其网格尺寸也选择为10mm.模型的网格划分如图4.RP2023年RP-3(a)模型整体网格划分（5）屈服点、峰值荷载及破坏位移的确定屈服点采用基于等能量值法的编程软件确定,屈服点的横坐标为屈服位移、纵坐标为屈服荷载，峰值荷载为荷载一位移曲线上荷载的最大值，破坏位移取荷载下降至峰值荷载8 5%时对应的位移.1.3数值模拟与试验结果对比验证试验结果与模拟结果对比如图5,试验与模拟结果曲线走势几乎相同，但是有限元结果与试验结果在屈服荷载与屈服位移以及峰值荷载与峰值位移上都有一定的差异.产生这些差异的主要原因在于,有限元模拟时,材料的状态及构件之间的连接都为理想状态，试验中材料和构件均存在制作缺(b)模型骨架网格划分图4网格划分Fig.4Grid division陷.由表1可知，有限元结果与试验结果之间的偏差除了屈服位移差别较大之外,其他数据偏差均小于10%.140一试验值120F一模拟值100F806040200图5 S1试验结果与模拟结果对比Fig.5Comparison of S-test and simulation results2468位移/mm1012第3期S1试验结果有限元结果偏差/%有限元破坏模式如图6,试件破坏时螺杆达到极限拉应力，受拉损伤主要集中在水平接缝附近，墙体本身无明显损伤，有限元模拟结果与1.1节中试验结果相符,有限元模拟与试验中荷载一位移曲S.Mie(平均：7 5%)+3:1780-088160136e+te08080805(a)螺杆破坏形态图6 有限元模型破坏模式Fig.6Failure mode of finite element model试件编号螺杆数量/根螺杆直径/mmB-12B-23B-34B-45B-52B-62B-73B-83B-92B-102B-112B-122B-132B-142B-152B-162B-172B-182王柳叶，等：盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究表1试验结果与模拟结果的特征点数值对比Table 1Comparison of the test results and the simulation results屈服荷载/kN屈服位移/mm96.605.45105.914.419.64-19.08DAMAGET(平均:7 5 9%)+9.753e-01(b)混凝土受拉损伤分布图Table 2Test piece parameters连接盒底板厚度/mm162016201620162020202420202024202410241524202420242024202420242024202420109峰值荷载/kN峰值位移/mm118.609.52126.409.286.58-2.52线及破坏情况都比较吻合，后续有限元分析均以本次模拟为基础2盒式连接装配式剪力墙试件有限元数值建模试件B-1的有限元模型及连接盒尺寸如图7.为研究盒式连接装配式剪力墙与基础梁连接的抗剪性能,基于已验证的有限元模型，设置连接盒构造及尺寸如图7（b），分析不同参数对于剪力墙破坏模式和剪切性能的影响，具体参数如表2.表2 试件参数U型钢筋高度/mm350350350350350350350350350350250300350350350350350350加载至11mm时的荷载/kN112.50116.773.80U型钢筋轴压比墙体厚度/mm直径/mm1414141414141414141414141012141414140.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.150.20.10.1200200200200200200200200200200200200200200200200160180U型钢筋14RP-2内部腔体顶板侧板110120148底板中心开孔(a)有限元模型(b)连接盒尺寸图7 B-1有限元模型及连接盒尺寸（单位：mm）Fig.7 Finite element model of specimen B-1 and sizes of connection box(unit:mm)1103不有限元模拟结果分析3.1试件B-1计算结果分析试件B-1荷载一位移曲线如图8,加载初期曲线几乎为直线，荷载与位移之间近似线性关系；在荷载达到墙体的开裂荷载后，曲线的切向斜率减小，但仍增加至峰值荷载，螺杆达到抗拉强度极限破坏，曲线突然下降.试件的破坏模式如图9.140r120100604020024位移：10 12位移/mm图8 B-1的荷载-位移曲线Fig.8Load-displacement curve of specimen B-1DAMAGET(平均：7 5%)+9.797e-01+8.981e-01+8.164e-01+7.348e-01+6.532e-01+5.715e-01+4.899e-01+4.082e-01+2.449e-01+3.266e-01+1.633e-01+8.164e-02+0.000e+00图9 B-1破坏模式Fig.9Failure mode of specimen B-1200r200160160江苏科技大学学报（自然科学版）最终该试件的破坏模式为水平接缝处破坏,剪力墙本身无较大破坏，在这种破坏模式下，剪力墙未充分发挥其作用.为实现强接缝一弱构件，研究不同参数对剪力墙破坏模式及抗剪性能的影响.3.2螺杆数量及直径不同螺杆数量及直径的荷载一位移曲线如图10,加载初期各试件曲线几乎重合，产生这种现象的原因是在加载初期试件的抗剪承载力主要由水平接缝处预制混凝土与灌浆之间的粘结作用承担.随着荷载继续增大,试件B-1B-4的曲线斜率开始减小，但仍然增长至峰值荷载,然后逐渐下降;增大螺杆数量，试件的极限承载能力增大，曲线越平缓,试件延性有所提高;随着荷载增加,试件B-5、B-6曲线的切向斜率降低较少,在达到峰值荷载后,曲线趋于平缓，表现出较好的延性；试件B-7与B-8曲线发展趋势相似,但是B-7的峰值荷载略大于 B-8.各试件的计算结果如表3，可以看出增加螺杆直径比增加螺杆数量对水平接缝的加固更有效,采用B-6、B-8 连接方式的剪力墙破坏模式均有所改善,B-8的峰值荷载比B-6高,但B-6的成本更低,破坏位移更大,破坏时的变形能力更好.为防止剪力墙在薄弱点接缝处破坏，保证试件破坏时的变形能力，降低试件制作成本，优选方案选择B-6.200r1602023年80400Fig.10 Load-displacement curve of specimens with different screw numbers and diametersTable 3 Summary of the calculation results of the B-1 B-8 specimens试件编号螺杆数量/根B-12B-23B-34B-45B-52B-62B-73B-8380B-1B-2B-3B-41020位移/mm(a)螺杆数量80B-140B-5B-63040图10）不同螺杆数量及直径的荷载-位移曲线表3B-1B-8试件计算结果螺杆直径/mm峰值荷载/kN16135.8416150.5516181.3016197.6620158.5624163.1420191.5924182.75B-140B-7B-8010(b)螺杆直径20位移/mm3040破坏位移/mm12.0116.9419.5622.3230.7834.8529.8931.39010(c)螺杆数量与螺杆直径破坏模式水平接缝处破坏剪力墙弯曲破坏水平接缝处破坏剪力墙压弯破坏20位移/mm3040第3期3.3连接盒底板厚度、U型钢筋高度及直径不同连接盒参数的荷载一位移曲线如图11，在加载初期各试件曲线基本重合;B-9、B-10 曲线发展趋势相似,在一定范围内，随着连接盒底板厚度增加,弹塑性阶段的斜率增加,试件刚度增加,极限承载力增加；连接盒U型钢筋高度越大，试件的承载能力越大；随着U型钢筋直径增加，试件的承180160140120/100福8 0604020F0Fig.11 Load-displacement curve of specimens with different connection box parametersTable 4SSummary of the calculation results of B-9 B-14 specimens连接盒底板U型钢筋模型编号厚度/mmB-620B-910B-1015B-1120B-1220B-1320B-1420注：螺杆安全储备为靠近加载端一侧螺杆3.4轴压比及墙体厚度为研究轴压比和墙体厚度对剪力墙抗剪性能的影响，参照GB/T51231-2016装配式混凝土建筑技术标准 17,选取试件B-15B-18轴压比和墙体厚度，其荷载一位移曲线如图12.在一定范围内,轴压比增加，曲线平缓程度降低，表明试件延性减小，弹塑性阶段曲线斜率增加，试件的刚度和极限承载能力提高,这是由于剪力墙受拉方向的一些拉应力可由竖向轴压力在截面上的压应力抵消,轴压比增大截面受压区的高度随之增大.B-6与B-17和B-18的曲线在初期几乎重合,并且荷载与位移的关系基本呈线性,随着荷载持续增大，曲线斜率减小,试件刚度下降,在一定范围内,剪力墙厚度增加，弹塑性阶段曲线斜率增加，试件的刚度增大.各试件计算结果如表5，可以看出轴压比增加，峰值荷载增加，破坏位移减小；墙体厚度增加，破坏位移增加，试件变形能力更好.实际工程中，盒式连接装配式剪力墙的设计需要根据情况选择适王柳叶，等：盒式连接装配式剪力墙的抗剪性能研究180r160140F1201008060B-640B-920B-101020(a)连接盒底板厚度111载能力增大各试件计算结果如表4,可以看出连接盒底板厚度、U型钢筋直径增加,靠近加载端一侧螺杆的安全储备增加，峰值荷载增加；连接盒U型钢筋高度增加,峰值荷载增加,破坏位移差别不大.B-6试件的承载能力和靠近加载端一侧的螺杆安全储备更大，连接盒参数优选试件B-6.1801601401201008060B-640B-1120B-123040图11不同连接盒参数的荷载一位移曲线表4B-9B-14试件计算结果U型钢筋高度/mm直径/mm35014350143501425014300143501035012当参数以此保证剪力墙的安全性.220200F180160.140120营10 08060402001801601406120100806040200图12 7不同轴压比和墙体厚度的荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement curve of specimens withdifferent axial compression ratio and wall thicknessB-6B-13B-14010(b)连接盒U型钢筋高度峰值荷载/kN破坏位移/mm163.1434.85157.3432.12158.7932.24153.9635.93160.0334.70149.8134.50158.3834.081020位移/mm(a)轴压比1020位移/mm(b)墙体厚度203040010(c)连接盒U型钢筋直径B-6B-15B-163040B-6B-17B-1830402030螺杆安全储备/%13.631.427.4111.4111.219.6310.9840112Table 5 Summary of the calculation results ofthe B-15B-18 specimens试件编号轴压比墙体厚度/峰值荷载/矿mmkNB-60.1B-150.15B-160.2B-170.1B-180.14结论文中对盒式连接装配式剪力墙抗剪性能进行了分析,重点研究了螺杆数量、螺杆直径以及连接盒参数等对剪力墙抗剪性能的影响,并优选出连接方案，围绕轴压比及墙体厚度等进行参数分析，主要结论如下：（1）螺杆数量在2 5 根之间,增加螺杆数量只能增加剪力墙的极限承载力和延性,对其破坏模式未能改变;螺杆直径在16 2 4mm之间,增大螺杆直径,试件的破坏模式由接缝处破坏转变成弯曲破坏,说明增大螺杆直径比增加螺杆数量对剪力墙的水平接缝加固效果更好.为防止剪力墙在接缝处破坏，破坏时具有较好的变形能力，降低制作成本，优选方案选择B-6.（2）在参数选择范围内，连接盒底板厚度增加,在弹塑性阶段试件的刚度增加，并且极限承载力增加；连接盒U型钢筋高度增加，试件的承载能力增大,破坏时各试件的破坏位移相近；U型钢筋直径增加，试件的承载能力增大.对于不同连接盒参数的试件,B-6试件的承载能力及靠近加载端一侧螺杆的安全储备都最大，连接盒参数仍然优选试件B-6.（3）在参数选择范围内，轴压比增加,峰值荷载增大，试件的承载能力增大，破坏位移及曲线平缓程度降低,试件的延性降低；剪力墙厚度增加,弹塑性阶段荷载一位移曲线斜率增加,试件的刚度增大,破坏位移增大,试件的变形能力提高.参考文献(References)1彭祥东，吴东岳，陈伟，等非边缘约束配筋齿槽装配式剪力墙低周反复试验研究J江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 2 1，35（4）：9 6-10 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