周桐，周建民，劉超 （同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092）

0 前言

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的重要結(jié)構(gòu)體系之一，是國家重點(diǎn)發(fā)展的建筑形式。由于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)利用節(jié)點(diǎn)連接，節(jié)點(diǎn)性能將很大程度決定結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能。目前國內(nèi)外的研究主要從不同連接形式下裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的性能出發(fā)，聚焦于某種連接形式節(jié)點(diǎn)能否使結(jié)構(gòu)整體的承載力、變形能力、剛度達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的水平；針對(duì)裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)本身的剛度特性研究較少。簡單常規(guī)的連接節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)按剛接和鉸接兩種形式劃分，易于定性化判斷；由于裝配式混凝土剪力墻連接節(jié)點(diǎn)的多樣性和復(fù)雜性，如何判斷其節(jié)點(diǎn)的剛度性能缺乏定量化的分類方法研究。

裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)的剛度特性對(duì)自身、層間其他豎向構(gòu)件及建筑整體的受力有較大影響，不用類型的節(jié)點(diǎn)連接形式對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算及模型的選取有較大影響。明確裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)的剛度按照其類別的分類，利于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用合理的計(jì)算模型，設(shè)計(jì)出合理的節(jié)點(diǎn)連接方式。本文對(duì)裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)的剛度性能特點(diǎn)進(jìn)行綜述和統(tǒng)計(jì)分析，提出裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)按剛度比值分類的方法。

1 裝配式剪力墻的剛度性能特點(diǎn)

裝配式剪力墻板之間采用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，相比于同等條件下的整體現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)。盡管裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以達(dá)到等同現(xiàn)澆為目的，但由于部分施工工藝復(fù)雜、施工質(zhì)量難以保證且較難檢測等因素使得裝配式剪力墻在承載力、結(jié)構(gòu)剛度等性能難以達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的效果。

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)施工工藝較多，由于節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和受力機(jī)理不同，不同連接形式的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)有著不同的力學(xué)特性和剛度性能。裝配式大板以鍵槽連接為主，結(jié)構(gòu)整體性、抗震性能和節(jié)點(diǎn)性能較差[1-2]。漿錨連接、套筒連接的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)能有效通過節(jié)點(diǎn)傳遞剪力墻中的內(nèi)力，其整體承載力、耗能能力、變形能力、結(jié)構(gòu)剛度等性能基本與現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)[3]。干式連接的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)常采用螺栓連接和焊接，荷載作用下的變形也主要集中在節(jié)點(diǎn)處。當(dāng)采用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛度較大，結(jié)構(gòu)本身的性能也能達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的效果[4]。疊合墻板裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)通過預(yù)制面層板和現(xiàn)場澆筑達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計(jì)理念。一些采用“強(qiáng)連接”的疊合墻板裝配式剪力墻已經(jīng)達(dá)到甚至超過了現(xiàn)澆剪力墻的性能[5]。上述幾種類型的預(yù)制裝配式剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)以達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果為目的?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)包括自復(fù)位剪力墻、搖擺剪力墻等，在設(shè)計(jì)時(shí)往往希望變形集中在接縫處；其承載力和結(jié)構(gòu)剛度明顯低于現(xiàn)澆剪力墻，且在剛度下降時(shí)比現(xiàn)澆墻更加迅速[6]。

2 常用節(jié)點(diǎn)剛度分類方法與剛度比

在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，通常將節(jié)點(diǎn)分為三類:柔性節(jié)點(diǎn)（鉸接）、剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)[7]。大量研究表明，理想的柔性節(jié)點(diǎn)和剛性節(jié)點(diǎn)是不存在的，常見的大部分節(jié)點(diǎn)為介于理想剛接和理想鉸接之間的半剛性節(jié)點(diǎn)[8]。一般情況下認(rèn)為在外力作用下，只要節(jié)點(diǎn)對(duì)梁柱的轉(zhuǎn)動(dòng)約束效果達(dá)到理想剛性連接約束效果的90%以上就可以視為剛性連接；梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角達(dá)到理想鉸接的80%以上的連接視為柔性連接[9]。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)按剛度分類的研究通常采用“剛度比”無量綱量進(jìn)行分析，即選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)剛度，如節(jié)點(diǎn)抗彎剛度、梁或柱子初始線剛度等，用節(jié)點(diǎn)的某個(gè)剛度值與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)剛度相比，取該剛度比值進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的分類[9]。如歐洲EC3規(guī)范和美國荷載和抗力系數(shù)規(guī)范AISC-LRFD均以節(jié)點(diǎn)的初始連接（轉(zhuǎn)動(dòng)）剛度和與之相連的梁剛度的比值方式進(jìn)行判斷，當(dāng)該比值大于某個(gè)界限值即認(rèn)為節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，小于某個(gè)界限值則為鉸接，介于中間為半剛性連接。與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不同的是，由于該剛度比由初始剛度得出，其值為常數(shù)；在進(jìn)行剪力墻的連接分析時(shí)則需要考慮整個(gè)加載過程中的剛度變化情況以及特征點(diǎn)處的剛度。

3 “等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式剪力墻剛度分析

裝配式剪力墻的剛度除與節(jié)點(diǎn)連接方式相關(guān)，還受混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件尺寸、軸壓比、配筋等因素的影響，不同試驗(yàn)中所用裝配式剪力墻的等效割線剛度絕對(duì)大小存在較大差異；為避免應(yīng)節(jié)點(diǎn)絕對(duì)剛度值和除節(jié)點(diǎn)連接方式外的其他因素對(duì)節(jié)點(diǎn)分類的影響，采用上文“剛度比”概念進(jìn)行歸一化分析。引用的試驗(yàn)對(duì)各片剪力墻頂點(diǎn)位移和荷載進(jìn)行觀測，得到結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的抗彎剛度。由于裝配式剪力墻的剛度會(huì)隨著加載位移的增加和塑性損傷的逐漸累積而逐漸降低，為真實(shí)反映剪力墻剛度變化情況，本文采用等效割線剛度K進(jìn)行分類；即用裝配式剪力墻等效割線剛度與同等尺寸、同等條件下、相同側(cè)向位移的現(xiàn)澆剪力墻等效割線剛度的比值作為分類依據(jù)，考慮整個(gè)加載過程中的剛度變化情況和特征點(diǎn)的剛度進(jìn)行裝配式剪力墻剛度的劃分。

等效割線剛度K定義如圖1所示。

圖1 等效割線剛度示意圖

K采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)單調(diào)加載時(shí)，K等于第i級(jí)荷載與該荷載作用下剪力墻頂點(diǎn)位移之間的比值；當(dāng)往復(fù)加載時(shí)，K等于每級(jí)正負(fù)循環(huán)荷載峰值點(diǎn)之間的斜率。

式中Ki表示第i級(jí)循環(huán)荷載下的等效割線剛度；Fi、-Fi分別為第 i級(jí)正向和負(fù)向循環(huán)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值；Δi、-Δi分別為第i級(jí)正向和負(fù)向峰值點(diǎn)荷載作用下的位移值。

漿錨連接裝配式剪力墻、套筒連接裝配式剪力墻、疊合墻板裝配式剪力墻、螺栓連接剪力墻的設(shè)計(jì)采用“等同現(xiàn)澆”理念。收集39片不同連接形式的“等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式剪力墻[10-19]（含同等條件下的現(xiàn)澆剪力墻）如表1所示，包含試件的類型、編號(hào)、基本尺寸、軸壓比、混凝土強(qiáng)度，以及試驗(yàn)結(jié)果所得的開裂位移角、屈服位移角、極限位移角和位移延性系數(shù)。

“等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻試驗(yàn)參數(shù) 表1

通過荷載-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到滯回曲線，提取各次循環(huán)加載的正負(fù)向荷載極值點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算同等條件下不同側(cè)向位移點(diǎn)的預(yù)制裝配式剪力墻和現(xiàn)澆剪力墻的等效割線剛度值，得到不同類型“等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式剪力墻的剛度比值圖2(a)-(j)。

圖2 “等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻與現(xiàn)澆墻節(jié)點(diǎn)剛度比

取各試驗(yàn)中與現(xiàn)澆墻具有相同軸壓比的預(yù)制裝配式剪力墻22片進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剛度比對(duì)比分析，加載全過程剛度比如圖3所示，其中相對(duì)側(cè)向位移為各級(jí)加載側(cè)向位移與最大加載側(cè)向位移之比。

圖3 相同軸壓比的“等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)現(xiàn)澆墻與“等同現(xiàn)澆”理念設(shè)計(jì)的裝配式剪力墻在相同軸壓比的條件下，對(duì)于不同連接形式的節(jié)點(diǎn)，在往復(fù)荷載加載的過程，即相對(duì)側(cè)向位移從0到1的過程中，剛度比值基本在0.8～1.2的范圍之間波動(dòng)。95.12%的“等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻剛度比值大于0.8，只有少部分裝配式剪力墻在加載初期和后期的剛度比低于0.8。

在上述裝配式剪力墻的試驗(yàn)結(jié)果中，裂縫一般出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)接縫處，裂縫的開展和剪力墻的破壞形態(tài)基本與現(xiàn)澆墻一致；其受力特點(diǎn)和最終的破壞特征和現(xiàn)澆墻具有高度相似性。采用漿錨、套筒、螺栓連接及疊合墻板裝配式剪力墻具有同現(xiàn)澆剪力墻節(jié)點(diǎn)相近的剛度性能。其中采用漿錨連接、螺栓強(qiáng)連接等增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)剛度比超過1.0，說明通過增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的措施能使裝配式剪力墻比現(xiàn)澆墻具有更大的剛度。通過圖2(a)、(f)可以發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓比的增大，剛度比值增大，使裝配式剪力墻具有比現(xiàn)澆墻更大的剛度；TW2～4、DW2～4共6片裝配式剪力墻由于軸壓比較大，剛度比明顯超過1.2的范圍。此外，由圖3可分析隨著軸壓比的增大，剛度比值增大，甚至部分軸壓比較大的裝配式剪力墻剛度比會(huì)超過0.8～1.2的范圍，裝配式剪力墻的剛度性能受軸壓比的顯著影響。

4 可恢復(fù)性裝配式剪力墻剛度分析

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)裝配式剪力墻以自復(fù)位裝配式剪力墻、搖擺剪力墻、可更換構(gòu)件剪力墻為代表；通常該類裝配式剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度低于現(xiàn)澆剪力墻。采用剛度比的方法對(duì)表2中收集的12片可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)裝配式剪力墻[20-22]（含同等條件下的現(xiàn)澆剪力墻）進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比分析。

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)裝配式剪力墻試驗(yàn)參數(shù) 表2

上述可恢復(fù)性裝配式剪力墻的剛度比值如圖4(a)-(c)所示。

圖4 可恢復(fù)性裝配式剪力墻與現(xiàn)澆墻節(jié)點(diǎn)剛度比

取其中具有相同軸壓比的裝配式剪力墻進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剛度比對(duì)比，如圖5所示。

圖5 相同軸壓比的可恢復(fù)性裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比

由圖5可發(fā)現(xiàn)，不同類型的可恢復(fù)性裝配式剪力墻的剛度比值主要集中在 0.4～0.8的范圍內(nèi)。圖4(b)、(c)中，在往復(fù)荷載加載后期，剛度比接近1，超過0.4～0.8的范圍；這是由于裝配式剪力墻極限強(qiáng)度和極限位移均接近于現(xiàn)澆墻，使得加載后期兩者等效割線剛度接近。

5 裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)剛度分類

通過上述51片“等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻、可恢復(fù)性裝配式剪力墻與同條件的現(xiàn)澆墻的剛度歸一化分析，可以發(fā)現(xiàn)可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)裝配式剪力墻與“等同現(xiàn)澆”裝配式剪力墻的剛度比值存在一個(gè)較為明顯的劃分界限。“等同現(xiàn)澆”的裝配式剪力墻剛度比值基本介于0.8～1.2的范圍內(nèi)；可恢復(fù)性裝配式剪力墻剛度比值主要介于0.4～0.8之間?；谏鲜龇治?，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更加安全的下限值的選取，認(rèn)為：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當(dāng)裝配式剪力墻與現(xiàn)澆墻的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)剛度比值滿足95%大于等于0.8時(shí)，屬于同現(xiàn)澆墻相似的剛性連接；當(dāng)裝配式剪力墻與現(xiàn)澆墻節(jié)點(diǎn)剛度比值滿足位于0.4～0.8范圍內(nèi)屬于半剛性連接；對(duì)于剛度比值小于0.4的裝配式剪力墻，在實(shí)際工程中通常需要和其他結(jié)構(gòu)形式共同作用才能為建筑提供足夠的抗側(cè)剛度，視為柔性連接。

在實(shí)際應(yīng)用中，若運(yùn)用上述結(jié)論進(jìn)行裝配式剪力墻的節(jié)點(diǎn)剛度分類，需要考慮整個(gè)加載過程中的剛度變化情況并作統(tǒng)計(jì)，存在計(jì)算量大、應(yīng)用復(fù)雜等缺點(diǎn)。若能以特征點(diǎn)的剛度比值為節(jié)點(diǎn)剛度分類參考值，能更方便地運(yùn)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。進(jìn)一步對(duì)圖3的“等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式剪力墻進(jìn)行屈服點(diǎn)剛度比值統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，剪力墻屈服點(diǎn)剛度比值大于0.8的比例為100%，其中54.5%（12片）的剪力墻屈服點(diǎn)剛度比值大于1.0；圖5中試驗(yàn)剪力墻屈服點(diǎn)剛度比值位于0.4～0.8范圍內(nèi)的比例為100%；即相應(yīng)的剛性連接和半剛性連接的裝配式剪力墻在屈服點(diǎn)處的剛度比值均100%位于相應(yīng)的范圍內(nèi)。為便于在實(shí)際中應(yīng)用，以屈服點(diǎn)剛度比代替加載全過程的剛度比進(jìn)行裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)按剛度分類，即：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當(dāng)裝配式剪力墻與現(xiàn)澆墻節(jié)點(diǎn)在屈服點(diǎn)的剛度比值大于等于0.8時(shí)，屬于剛性連接；當(dāng)屈服點(diǎn)的剛度比值位于0.4～0.8范圍時(shí)，屬于半剛性連接；當(dāng)屈服點(diǎn)的剛度比值小于0.4時(shí)，屬于柔性連接。

6 結(jié)論

通過受力性能和設(shè)計(jì)理念等方面總結(jié)不同類型裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)剛度的特點(diǎn)，結(jié)合剛度比值這一無量綱參數(shù)提出了一種適用于裝配式剪力墻的剛度分類。該法采用同等尺寸、同等軸壓比、相同側(cè)向位移下裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆墻屈服點(diǎn)的等效割線剛度比值這一無量綱參數(shù)進(jìn)行表征。結(jié)合加載全過程的剛度分析得出節(jié)點(diǎn)按剛度分類的界限，同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用的簡便性，得出：在同尺寸和同軸壓比的條件下，當(dāng)裝配式剪力墻與相應(yīng)的現(xiàn)澆墻在屈服點(diǎn)的剛度比值大于等于0.8時(shí)屬于剛性連接，當(dāng)屈服點(diǎn)的剛度比值為0.4～0.8時(shí)屬于半剛性連接，小于0.4屬于柔性連接。通過明確裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)按照剛度分類的類型，將其應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)連接方式的設(shè)計(jì)和計(jì)算模型的選取中，對(duì)于裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的實(shí)際意義。