節點對人字撐墻板力學性能影響分析

錢坤， 劉圓， 封元

（吉林建筑大學，長春 130118）

0 引言

近幾十年以來，中國飛速發展的經濟使其成為現今全球最大規模的建筑市場。墻板作為建筑的主要組成部分，在材料的能耗中占比較大，因此國家大力倡導發展新型綠色建材的裝配式復合墻板，使得裝配式復合墻板迎來新的歷史發展機遇。與傳統的墻板相比，裝配式復合墻板輕質高強、保溫隔熱、低能耗、節省資源、具有良好的抗震性能，是推廣節能建筑、實現住宅產業化的重要途徑[1]。于此同時，施工裝配化使構件生產由工地化向工業化轉變，從而提升施工效率，提高相關的經濟效益和社會效益，促進建筑行業健康可持續發展。所以，該項施工技術具有較高的應用價值，成為當前建筑墻板發展的主流趨勢。

文中通過優化人字形斜撐頂端和底端節點處的配筋、鋼筋的錨固位置、混凝土的加固、邊框梁上端的梁柱節點的方式，探討其對對墻板力學性能的影響。

1 有限元模型

1.1 模型概況

文中設計了一種帶有鋼筋混凝土人字形斜撐的復合墻板（編號為FB-1），設計尺寸與配筋見圖1、圖2。

圖1 FB-1墻板配筋（單位：mm）

圖2 FB-1主要配筋詳圖（單位：mm）

1.2 模型材料的本構關系

圖3 混凝土受拉本構曲線

（1）混凝土本構關系。建模選用的是混凝土本構模型中的塑性損傷模型。公式、表達式的確定依據《混凝土結構設計規范》。

混凝土受拉時的應力-應變公式如（4）所示，計算過程如下：

式中，ft,r為抗拉強度代表值，可取ft、ft,k、ft,m；εt,r為與ft,r對應的峰值應變；dt為混凝土受拉損傷演化參數；αt為應力應變下降段參數。

混凝土受壓時應力-應變公式如（7）所示，計算過程如下：

式中，αc為應力應變曲線下降段參數；fc,r為抗壓強度代表值，可取fc、fc,k、fc,m；εc,r為與fc,r對應的峰值應變；dc為混凝土受壓損傷演化參數。

圖4 混凝土受壓本構曲線

（2）泡沫混凝土本構關系。FB-1模型采用的泡沫混凝土的應力-應變關系基于研究[3，4]確定。本構方程如式（10）所示。

（3）鋼筋本構關系。研究的模型選用的是理想彈塑性模型。本構表達式：

式中，Es為鋼筋的彈性模量；fy為鋼筋屈服強度的代表值；εy為鋼筋的屈服應變值。

圖5 鋼筋雙直線模型

2 FB-1模型有限元模擬分析

2.1 有限元模型的建立

通過建立泡沫混凝土板、混凝土框架、縱筋以及箍筋等部件，賦予材料屬性，最后裝配形成人字撐泡沫混凝土復合墻板，如圖6所示。

圖6 有限元模型

2.2 極限承載力分析

由表1可得，在墻板內部設置人字形斜撐是有利的，它能夠承受和傳遞部分水平荷載，將部分水平力分解為豎向力，人字撐與異形柱框架結構結合形成受力體系，從而提高了墻板的極限承載力。

表1 FB-1模型承載力

2.3 應力云圖分析

觀察上圖復合墻板混凝土、鋼筋骨架的主要受力位置及破壞程度，可以推出墻體的破壞過程大致如下：泡沫混凝土區域裂縫貫通并逐漸脫落，然后靠近作動器一側的人字形斜撐受拉破壞從而喪失工作能力，最后在人字形斜撐頂部、梁柱節點以及異形柱上出現不同程度的混凝土脫落和鋼筋變形，并隨著荷載的繼續施加破壞加劇，直到墻體最終失去承載能力。該過程與實際試驗的情況較為一致，模擬結果是比較合理的。

圖7 FB-1模型應力云圖

3 FB-1模型的節點優化設計

3.1 人字撐頂部節點配筋

如圖8（a）所示，FB-1模型在疊合梁下部設置了兩側人字形斜撐相交節點，鋼筋在后澆疊合梁處搭接錨固。為了改善模型左右側水平受力不均的情況，設計了BRW-1模型，在構件疊合梁內設置了兩側人字形斜撐相交節點，如圖8（b）所示。

圖8 FB-1與BRW-1人字撐頂部節點對比圖（單位：mm）

3.2 人字撐頂部節點鋼筋錨固

鋼筋錨固位置影響著人字撐頂部節點的剛度大小，故設計了BRW-2、BRW-3模型，BRW-2模型在預制疊合梁頂端進行鋼筋錨固，如圖9（a）所示；BRW-3模型在預制疊合梁底端進行鋼筋錨固，見圖9（b）。

圖9 BRW-2與BRW-3人字撐頂部節點對比圖（單位：mm）

3.3 人字撐底部節點配筋

為提高人字撐底部節點剛度，設計了BRW-4模型，見圖10（b），BRW-4模型在后澆異形柱范圍內設置人字撐底端節點，并非在邊框柱的位置內，除提高底部節點剛度外，人字撐和異形柱幾乎同時破壞。

圖10 FB-1與BRW-4人字撐底部節點

3.4 人字撐頂部節點加固

人字形斜撐頂端混凝土破壞嚴重，故設計了BRW-5模型，如圖11所示，在其斜撐頂端進行加固，且在該位置的節點處放置一個尺寸為200mm×357mm的C30混凝土塊。

圖11 BRW-5人字撐頂部節點細節圖（單位：mm）

3.5 上邊框梁柱節點加腋

如圖12所示，BRW-6模型在邊框梁上端的梁柱節點處進行加腋，達到提高抗壓強度的目的。設計時，邊框梁上端的梁柱節點處梁腋坡度取值為1:3，相當于其腋高是梁高的0.4倍。

圖12 BRW-6邊框梁上端梁柱節點加腋圖（單位：mm）

4 節點優化模擬結果的對比與分析

4.1 BRW-1模型破壞形態分析

運用ABAQUS有限元軟件，建立BRW-1模型，應力云圖，如圖13所示。

圖13 BRW-1應力云圖

分析圖13可知，BRW-1模型人字形斜撐左側塑性損傷較FB-1更小且均勻?？傮w來看，混凝土塑性損傷以及鋼筋應力損傷范圍較FB-1模型??；BRW-1節點位置變化后，人字形斜撐的左邊上部鋼筋應力變大，受力更均勻，提升斜撐傳遞水平荷載的效果，從而提高承載力；BRW-1右側的T形異形柱處鋼筋的應力值有所提高。綜上我們可以得知BRW-1模型泡沫混凝土部分的右端以及右側的T形異形柱載荷能力更好，并能傳遞水平荷載，模型能幾乎同時破壞[5，6]。

4.2 BRW-2與BRW-3模型破壞形態分析

運用ABAQUS有限元軟件，建立BRW-2、BRW-3模型，應力云圖如圖14所示。

圖14 BRW-2與BRW-3應力云圖

分析圖14可知，BRW-3上部疊合梁的中間靠左位置混凝土塑性損傷、左側鋼筋應力值、人字形斜撐、遠離作動器一側的T形異形柱承受應力均大于BRW-2；BRW-2人字形斜撐頂端的節點處剛度比BRW-3大。將兩個模型的整體情況進行對比，BRW-3模型在人字形斜撐、頂梁處破壞較大。人字形斜撐頂端的節點處剛度也變低了，墻板最終得以均勻受力，荷載的傳遞路徑更為合理，但應力變大的同時會使得墻板破壞變嚴重，同時承載力下降，所以在設計時需要多加考慮。

4.3 BRW-4模型破壞形態分析

BRW-4模型將異形柱后澆區域設置人字撐底部節點，應力云圖，如圖15所示。

圖15 BRW-4應力云圖

分析圖15可知，與FB-1墻板進行對比，BRW-4模型T形異形柱的應力值變大，破壞程度較深，左側人字撐混凝土塑性損傷區域小，達到了協同破壞，但右側處于彈塑性階段。

4.4 BRW-5與BRW-6模型破壞形態分析

BRW-5模型在墻板的人字形斜撐的頂部節點處放置一個C30混凝土塊，其尺寸為200mm×357mm。BRW-6模型在上邊框的梁柱節點處進行加腋，3個模型的應力云圖對比，如圖16所示。

圖16 BRW-5、BRW-6應力云圖

分析圖16可知，BRW-5模型人字撐頂部節點抗壓能力提升，T形異形柱一側的應力值提高。與FB-1模型相比，BRW-6泡沫混凝土損傷程度略低，能夠達到協同破壞的目的?？傮w來看，在墻板的上邊框梁柱節點處進行加腋，能夠提升墻板的抗震性能、受力性能。

4.5 極限承載能力分析

由表2可知，FB-1模型極限承載力為411.74kN，BRW-1、BRW-2、BRW-3、BRW-4、BRW-5、BRW-6模型極限承載力分別為 419.16、398.87、382.76、426.21、435.37、431.72kN。與FB-1對比，BRW-1承載力提升了2.5%；BRW-2承載力降低了3.1%；BRW-3承載力降低了7%；BRW-4承載力提升了2%；BRW-5承載力提升了5.4%；BRW-6承載力提升了4.6%。

表2 各模型承載力特征值

對每個模型的延性系數進行分析，BRW-1延性系數為2.61，BRW-4延性系數為2.6，兩模型延性系數均有所降低，可知節點位置的選取能夠影響模型的剛度大小。BRW-2延性系數為2.67，BRW-3延性系數為2.71，兩模型分別提高1.8%、3.3%，可知雖承載力下降，但改變人字形斜撐頂端節點處的配筋能夠提高其延性。BRW-5延性系數為2.58，BRW-6延性系數為2.59，兩模型幾乎下降了1.1%，可知對節點位置進行混凝土加固，可增大約束鋼筋的能力、降低其變形的能力。

5 結語

（1）在疊合梁內部（BRW-1）設置左右側人字撐相交節點，這樣設計能夠使墻板受力路徑更為合理，墻板的T形異形柱一側載荷能力更強，最終各構件能協同破壞。

（2）異形柱后澆區域（BRW-4）設置人字撐底部節點，這樣設計能夠使墻板的受力更加均勻，人字形斜撐傳遞水平作用的力更有效，最終各構件達到協同破壞。

（3）在人字形斜撐的頂端節點處設置一個混凝土加固區（BRW-5）、在上邊框梁的梁柱節點處進行加腋（BRW-6），這兩種設計從墻板的承載力以及延性來看，能夠明顯提升墻板的承載力，但是延性影響不大，值得考慮。

總體來看，在疊合梁的內部設置左右側人字撐相交節點、在異形柱的后澆區域設置人字撐底部節點，這兩種設計的方案都能夠將水平荷載傳遞到T形異形柱一側的構件，受力路徑更為合理，模型基本達到協同破壞的目的；在人字形斜撐的頂端節點處位置設置一個混凝土加固區、在上邊框梁的梁柱節點處進行加腋，這幾種方式能夠在一定程度上提高墻板的承載力。因此，可參考以上方案，對人字撐泡沫混凝土復合墻板進行優化。