JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》^[1]规定, 当剪力墙或核心筒墙肢与框架梁平面外相交时, 可通过在墙内设置暗柱的方式实现梁-墙的平面外刚性连接。国内一些学者对剪力墙中设置暗柱的现浇混凝土梁-墙平面外节点进行了研究。艾侠对带暗柱的梁-墙平面外节点进行了低周反复荷载试验^[2], 试验结果表明, 暗柱的设置是加强剪力墙平面外刚度的有效手段;设置暗柱可以提高墙体的平面外开裂荷载、开裂刚度、极限荷载和梁端延性。王志浩等研究了暗柱宽度和暗柱纵向配筋率对梁-墙平面外节点抗震性能的影响^[3], 并建议墙内暗柱截面宽度不宜大于梁宽的3倍;暗柱每侧纵向钢筋的最小配筋率应≥0.5%。苏朝晖等^[4]、柏洁^[5]、李志龙等^[6]对设置暗柱的梁-墙平面外节点进行了非线性有限元分析。

而在预制梁-墙平面外节点的受力性能研究方面, 目前仅有孟宪宏等开展了初步的试验研究^[7], 预制梁与预制剪力墙的连接方式为: (1) 梁端预埋套筒, 剪力墙伸出钢筋, 在预制墙体与预制梁连接处设置后浇带并灌浆; (2) 预制梁端预埋套筒, 与剪力墙中伸出的钢筋进行连接, 最后灌浆, 如图1所示。试验结果表明, 预制混凝土梁-墙节点具有与现浇混凝土梁-墙节点相当的刚度及极限抗弯承载力。但总体而言, 上述试验模型中未考虑剪力墙竖向钢筋连接构造的影响, 且剪力墙正面伸出钢筋的构造导致构件运输、堆放困难。

文献[8]给出了一种典型的预制混凝土梁-墙平面外节点构造, 即带暗柱预制混凝土梁-墙平面外节点。本文针对这种带暗柱预制混凝土梁-墙平面外节点开展系统的非线性有限元参数分析, 重点研究轴压比、墙体厚度和框架梁截面尺寸对预制混凝土梁-墙平面外节点受力性能的影响规律, 从而为此类节点的设计计算提供依据。

本文使用有限元软件ABAQUS对预制混凝土梁-墙平面外节点进行建模分析。

有限元模型中混凝土采用C3D8R, 线性减缩积分实体单元;钢筋采用T3D2, 二节点三维桁架单元, 每个节点具有3个自由度。桁架单元不能承受弯矩, 只能承受拉、压荷载。

ABAQUS软件建模时, 混凝土本构选取损伤塑性模型。损伤塑性模型通过各向同性损伤弹性和各向同性拉、压塑性2种材性来描述混凝土的非线性特征, 用于分析单调加载的混凝土结构。混凝土在单轴受拉和单轴受压作用下的应力-应变关系按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 中的附录C.2相关规定计算。

钢筋可认为是各向同性理想的弹塑性材料, 在多轴应力状态下满足Mises屈服准则。钢筋的本构模型选用理想弹塑性模型, 如图2所示。

现浇混凝土和预制混凝土之间的界面特性采用“surface-to-surface (standard) ”来模拟。接触类型为主-从面, 接触特性由切线方向和法线方向行为构成。模型中接触面的切向行为采用罚函数 (Penalty) 摩擦公式, 摩擦系数取0.8。接触面的法向行为采用指数“硬” (Hard) 接触。

实际结构中, 套筒内灌浆连接上、下墙体的纵向钢筋。由于灌浆料强度较高, 钢筋与套筒不会发生滑移, 所以套筒和钢筋之间的约束定义为“Tie”。

试验的加载方式为墙顶位移加载, 墙底设置为铰支座, 梁端设置为滚动支座, 只限制梁端的竖向位移。为了真实模拟试验中试件受力过程, 有限元计算共分2个分析步: (1) 根据设计轴压比 (0.2) 施加竖向荷载, 此时梁远端保持自由无约束, 并保持竖向荷载恒定不变; (2) 梁端增加滚动支座, 进行墙顶水平位移加载。按照上述模拟原则, 进行了预制混凝土梁-墙平面外节点的受力全过程非线性有限元分析。

为了验证有限元建模的可靠性, 对文献[7]中开展的预制混凝土梁-墙平面外连接节点试验进行了建模分析, 并将有限元计算结果与试验结果进行了对比。

预制混凝土梁-墙平面外连接节点试件的基本尺寸与配筋如图3所示。剪力墙高度1 500mm, 厚度400mm, 墙体内布置300mm宽暗柱。混凝土设计强度等级为C40。

试验加载时, 首先施加作用在剪力墙顶恒定的轴压力1 500k N (轴压比0.2) , 然后在梁悬臂端用液压伺服加载装置施加竖向低周往复荷载。试件破坏形态为梁受弯破坏, 梁纵筋屈服, 受压区混凝土压碎。根据预制混凝土梁-墙节点的试件尺寸和配筋进行有限元建模。模型试件破坏为梁受弯破坏, 梁端混凝土压碎。

将试验的骨架曲线与有限元模型计算得到的荷载-位移曲线进行对比, 如图4所示, 可以发现, 有限元计算的刚度以及承载力与试验结果吻合良好。

预制混凝土梁-墙平面外节点主要由预制剪力墙、预制梁、预制板与节点核心区和叠合层组成, 如图5a所示。预制梁上设置剪力键, 并搁置在下部预制剪力墙上15mm。预制板上伸出胡子筋, 且预制板搁置在预制梁上15mm, 且预制板上表面做拉毛处理, 拉毛深度4mm。后浇混凝土区使预制剪力墙、预制梁和预制板形成整体, 最后上部剪力墙通过灌浆套筒与下部整体结构进行连接。下部剪力墙预制时开洞处理, 如图5c所示。洞口宽度取暗柱宽度, 洞口高度取预制梁高度。在洞口高度范围内的剪力墙水平分布筋会被切断, 因此应在洞口的上、下两边每边布置2根补强钢筋, 补强钢筋的面积不应小于洞口高度范围内水平分布筋总面积的50%。

本文对预制混凝土梁-墙平面外节点展开了参数分析, 主要参数有轴压比、框架梁截面尺寸、剪力墙厚度, 如表1所示。轴压比有0.2, 0.4, 0.6, 研究轴压比对预制混凝土梁-墙平面外节点受力性能的影响。墙体厚度有300, 250, 200mm, 研究随着墙体厚度的改变, 模型试件从“强墙弱梁”变成“强梁弱墙”时节点的破坏形态和承载力变化。框架梁截面尺寸有200mm×450mm, 250mm×500mm, 300mm×600mm, 研究框架梁的截面尺寸对节点承载力的影响。

模型混凝土强度等级为C35, 钢筋强度等级均为HRB400。模型楼板的宽度为1 200mm, 厚度为150mm, 其中预制板厚度为75mm, 板中双向配筋, 钢筋直径8mm, 间距200mm。剪力墙纵向钢筋采用双排套筒灌浆连接, 剪力墙高3 000mm, 暗柱宽度为800mm。试件尺寸如图6所示, 配筋如图7所示。设计轴压比为0.2 (即竖向荷载1 007k N) 。

由预制混凝土梁-墙平面外节点与现浇混凝土梁-墙平面外节点的混凝土和钢筋应力云图可得, 预制混凝土梁-墙节点和现浇混凝土梁-墙节点的破坏形态相同, 均为梁受弯破坏、梁纵筋屈服、梁端混凝土压碎。现浇和预制混凝土梁-墙平面外节点的墙顶荷载和位移关系的有限元计算结果如图8所示。有限元计算是按单向位移加载, 由于不能考虑混凝土的损伤积累, 故仅考虑正向计算结果, 反向计算结果不做比较。

预制混凝土梁-墙平面外节点承载力为72.6k N, 现浇混凝土梁-墙平面外节点承载力为72.8k N。从图8中可以看出, 现浇混凝土梁-墙平面外节点和预制混凝土梁-墙平面外节点的弹性刚度相同, 随着节点进入塑性阶段, 预制混凝土节点的刚度略低于现浇节点;预制节点和现浇节点的承载力基本相同。

在不同轴压比下, 由预制混凝土梁-墙平面外节点的混凝土应力云图可知, 随着轴压比的增大, 预制混凝土剪力墙的应力明显增大, 梁中应力变化不大。随着轴压比的变化, 预制混凝土梁-墙平面外节点的荷载-位移曲线如图9所示。轴压比为0.4时, 预制混凝土梁-墙平面外节点承载力为73.4k N;轴压比为0.6时, 节点承载力为73.3k N。从图9中可以看出, 轴压比的变化对节点的承载力影响不大, 这是因为试件是按照“强墙弱梁”的原则设计的, 节点的承载力由框架梁的承载力决定。

剪力墙厚度为250mm时, 承载力为67.8k N, 破坏形态为梁纵筋屈服, 梁底混凝土受压破坏;而剪力墙厚度为200mm时, 节点承载力仅有49.6k N, 破坏形态为梁纵筋屈服, 墙体局部 (梁底与墙相交处) 混凝土被压碎。在不同墙厚下, 预制混凝土梁-墙节点的荷载-位移曲线如图10所示。从图中可以看出, 随着剪力墙厚度的降低, 节点的弹性刚度和承载力会明显降低;相比于墙体厚300mm, 墙体厚250mm时, 节点承载力降低了6.6%;墙体厚200mm时, 节点承载力降低了31.7%。

在框架梁截面尺寸不同的情况下, 预制混凝土梁-墙平面外节点的荷载-位移曲线如图11所示。预制梁截面为250mm×500mm时, 承载力为86.3k N;预制梁截面为300mm×600mm时, 承载力为108.8k N。从图11中可以看出, 增大梁的截面, 节点刚度和承载力都明显增加;相比于200mm×450mm梁截面, 梁截面为250mm×500mm时, 节点承载力增加18.9% (梁端截面受弯承载力计算值增大12%) , 梁截面为300mm×600mm时, 承载力增加49.9% (梁端截面受弯承载力计算值增大36.6%) 。在满足“强墙弱梁”的条件下, 节点的承载力取决于梁的承载力, 增大框架梁截面, 会增大框架梁的受弯承载力, 从而增大梁-墙平面外节点的承载力。

1) 预制混凝土梁-墙平面外节点与现浇混凝土梁-墙平面外节点的破坏形态相同, 节点承载力相当。

2) 随着轴压比的增大, 剪力墙的应力增大, 框架梁的应力变化不大, 节点的刚度和承载力没有明显变化。

3) 随着剪力墙厚度从300mm减小到250, 200mm, 节点承载力分别降低6.6%, 31.7%。

4) 随着框架梁截面尺寸增大, 预制混凝土梁-墙平面外节点的承载力会明显增大。框架梁截面尺寸从200mm×450mm增大到250mm×500mm, 300mm×600mm, 节点承载力分别增大18.9%, 49.9%。