暗柱對梁-墻正交節點的受力性能研究

李志龍 程才淵

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

暗柱對梁-墻正交節點的受力性能研究

李志龍*程才淵

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

框架-剪力墻結構中，鋼筋混凝土樓面梁和剪力墻的連接經常會出現平面外節點。著重研究正交節點形式，采用ABAQUS有限元分析軟件對未配暗柱、配有暗柱的剪力墻構件進行非線性有限元分析。分別采用單調加載和低周反復加載，對比分析暗柱對節點的轉動剛度、平面外受力性能的影響。

梁墻正交節點， 剪力墻， 暗柱， 非線性分析

1 引 言

隨著框架-剪力墻結構越來越多地應用到高層結構體系中，經常會出現框架梁與剪力墻平面外正交連接的節點，工程設計人員常將此類節點按鉸接處理。但在實際工程中這種梁墻節點很難形成真正的鉸接，不僅造成梁端過度破壞及剪力墻嚴重開裂，也會低估了結構的整體剛度。因此，我國《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)給出以下幾點要求[1]：在梁、墻連接處需設置扶壁柱；在不能設置扶壁柱的情況下設置暗柱；另外就是設置型鋼，以減小梁端彎矩對墻產生的不利影響。由于實際工程中對建筑美觀的要求，暗柱大多成為首選方案，但是具體暗柱的配筋及截面尺寸的選取，規范并未給出相應的規定及計算公式。前人對梁墻節點做了一定程度的研究，得到相應的一些結論。

(1) 國內主要有同濟大學呂西林、艾俠等學者通過實驗對梁墻節點的等效模型及極限承載力做出了一定的結論。

(2) 清華大學王志浩等通過實驗，研究不同墻厚以及不同暗柱寬度對梁墻節點的性能影響，得到在薄墻情況下，錨固滿足時，暗柱能夠較好地提高節點平明外抗彎承載力，實現強墻弱梁，并發生彎曲破壞。

(3) 貴州大學柏潔、重慶大學朱祖敬等的梁墻節點(暗柱)的實驗結果表明，暗柱對厚墻情況下節點的平面外抗彎剛度貢獻不大，僅略微提高極限承載力。

這些學者在實驗中得到的一些結論存在一定的相似和差異，同時節點的有限元模擬研究較少，所以針對以上問題本文采用ABAQUS分析暗柱對梁-墻正交節點平面外的受力性能的影響。

2 有限元分析模型

2.1 計算模型

模型按照實際構件尺寸及實際配筋按分離式建模[2]，如圖1所示，混凝土和鋼筋單元分別采用C3D8R和T3D2單元進行模擬。鋼筋本構模型采用兩折線模型，屈服后彈性模量取為0.01E；混凝土采用《混凝土結構設計規范》附錄C中規定的單軸本構關系[3]，上升段改用直線型。將鋼筋單元嵌入混凝土模型中，通過修正混凝土塑性損傷本構關系，設定混凝土拉伸強化(tension stiffening)參數來近似模擬鋼筋和混凝土間的粘結滑移關系[4]。本文設置六組模型分別標號為1#,2#,3#,4#,5#,6#，其中，4#,5#,6#配置暗柱，暗柱寬度取梁寬的兩倍，梁、墻具體尺寸見表1、表2。

圖1 混凝土模型及鋼筋骨架模型

表1 構件尺寸

Table 1 Size of structural elements mm

表2 構件配筋

Table 2 Structural reinforcement mm

2.2 加載方式

本文采用梁端單向加載和低周反復加載方式，研究暗柱對梁墻節點平面外轉動剛度和平面外受力性能的影響。模型上下端均采用鉸接[5](假定位于樓層剪力墻的反彎點處)，并對剪力墻施加軸壓，使軸壓比達到0.2。1#,3#,5#,6#采用單調加載；2#和4#采用低周反復加載。兩種加載方式均采用位移控制，其中低周反復加載方式見圖2。

3 數值結果與分析

3.1 無暗柱的節點受力分析

無暗柱剪力墻平面外連接節點與相對研究較為成熟的板-柱節點較為類似，但不同之處在于剪力墻需要考慮軸壓。通過對2#構件的低周反復加載，提取結果見圖3—圖9。

圖2 低周反復加載示意圖

圖3 極限狀態下混凝土受拉損傷分布

圖4 屈服前梁混凝土受拉應力發展

圖5 極限狀態下混凝土Mises應力分布

圖6 極限狀態下混凝土最大主應力(向下加載)

從圖3—圖7中可以發現，在梁-墻節點域內，混凝土應力及受拉損傷較大，混凝土已達到極限抗拉強度1.51 MPa，受拉損傷最高已達到98.87%，其應力擴散并不規則，主要集中在梁端四個角點；在梁受拉區，混凝土受拉損傷及抗拉強度也達到設計極限強度，從圖4及ABAQUS動畫演示效果可以看出，梁受拉破壞先于節點破壞，從結構設計角度來講，滿足設計要求。從混凝土最大主應力分布情況可以看出，裂縫主要分布于梁根部區域，由于沒有對剪力墻設置構造措施(這里指暗柱)，墻在平面外的剛度小于梁的剛度，易發生墻體沖切破壞[5]。從圖8、圖9鋼筋Mises應力分布情況可以看出，在屈服階段到極限承載力階段，鋼筋應力最大集中在梁端至1/3跨段內，剪力墻鋼筋應力分布主要集中在節點域內，分布不均勻，且豎向分布鋼筋最高應力值僅達到93.6 MPa，水平分布鋼筋最大達到295 MPa。

圖7 極限狀態下剪力墻裂縫分布

圖8 極限狀態下剪力墻鋼筋Mises應力分布

圖9 極限狀態下鋼筋Mises應力分布

3.2 暗柱對節點受力的影響

通過對4#構件(增設暗柱)低周反復加載，提取有限元分析結果，見圖10—圖16。

圖10 極限承載力下混凝土受拉損傷分布

圖11 屈服前梁混凝土最大主應力發展

圖12 極限狀態下混凝土Mises應力分布

圖13 極限狀態下混凝土最大主應力圖(向下加載)

圖14 極限狀態下剪力墻裂縫分布

圖15 極限狀態下鋼筋Mises應力

從圖10—圖13可以得出極限狀態下混凝土受拉損傷分布與3#構件情況基本一致；屈服狀態下，混凝土應力分布較2#構件分布相差不大；從圖11及ABAQUS動畫演示，梁受拉破壞先于節點破壞，相比2#構件，梁混凝土受拉發展更為明顯。從裂縫圖觀看可以得出，對比3#構件，配有暗柱明顯改善節點的抗沖切破壞；從圖16、圖17鋼筋Mises應力分布可以得出：鋼筋應力沿暗柱上下方向得到較好的傳遞，縱向鋼筋最大達到129 MPa，水平箍筋最大達到340 MPa。關于整片墻體鋼筋應力發展見圖17—圖19。其中在節點受力開始階段墻體鋼筋應力從節點域中心沿四個角方向發展，當節點構件達到屈服時，墻體內鋼筋最大應力達到252 MPa；隨著荷載繼續增大，墻體內鋼筋應力分布沿節點域中心向四周分布較均勻，構件達到最大承載力時，剪力墻內鋼筋應力最大值達到283 MPa，墻體鋼筋并未發生屈服；隨著下降段的發展，節點核心區內鋼筋應力迅速增大達到鋼筋極限應力340 MPa，最大應力主要集中在節點域的四個角周圍，同時當設置暗柱時，鋼筋應力分布明顯呈現出沿著暗柱的上下方向發展的趨勢。

圖16 極限狀態下暗柱配筋Mises應力

圖17 屈服狀態下墻體鋼筋應力分布

圖18 極限狀態下墻體鋼筋應力分布

圖19 破壞狀態下墻體鋼筋應力分布

3.3 節點承載力對比分析

通過提取ABAQUS有限元分析結果見圖20、圖21及表3。

圖20 4#構件滯回曲線

圖21 2#,4#構件的骨架曲線

圖22 3#,6#構件p-Δ曲線

從圖20、圖21及表3對比分析可得：暗柱對于該梁-厚墻正交節點(墻厚300 mm)的平面外承載能力提高并不顯著，與文獻[6](重慶大學朱祖敬實驗)相照應；當墻較薄時(200 mm)，6#構件承載力較3#構件承載力明顯提高19%；根據分析結果2#,4#構件所得滯回曲線基本一致，如圖20(僅列出4#構件滯回曲線)較為飽滿，具備一定的耗能能力，梭形形狀的滯回曲線表明該構件主要承受正截面受彎破壞。從宏觀上分析構件在破壞時梁端位移與屈服時梁端位移，配有暗柱的4#,6#得到較為明顯的提高。

表3 2#，3#，4#，6#構件屈服、極限荷載

Table 3 Yield load and limit load of members

3.4 節點轉動剛度

節點的轉動剛度定義為節點彎矩與相對轉角的比值。本次提取梁-墻節點的轉動剛度為兩段彎矩與梁、墻相對轉角(弧度)的比值。根據ABAQUS有限元分析結果，1#,5#構件單調加載的M-φ和p-Δ曲線圖如圖23—圖25所示。

圖23 1#，5#構件的M-φ曲線

圖24 3#，6#構件的M-φ曲線

圖25 1#，5#構件的p-Δ曲線

由圖23可得配有暗柱的5#構件在彈性階段，節點轉動剛度在彈性中段略有提高，原因主要由于暗柱使節點域鋼筋加密，節點域剛度相對提高，同時在彈性階段，暗柱能夠一定程度上地約束剪力墻裂縫的發展；在進入塑性屈服后梁端形成塑性鉸，M-φ曲線突變，節點域轉動剛度驟然下降。由圖24可得，在墻較薄(200 mm)時，暗柱明顯提高剪力墻的平面外抗彎剛度，減小梁、墻的相對剛度，致使節點偏向鉸接；由圖25可得，墻較厚時，單軸加載曲線p-Δ表明，1#，5#構件的極限承載力相差不大。

4 結論與建議

本文為了研究暗柱對梁-墻平面外連接節點受力性能的影響，通過對四組梁墻節點進行數值模擬對比分析，得到以下結論與建議。

(1) 剪力墻平面外節點區域的破壞形式取決于節點域和梁的剛度之間的關系，若墻體節點域剛度遠小于梁的剛度(本文3#構件),墻體易先發生沖切破壞；增設暗柱后，雖對構件平面外整體抗彎效果不太明顯，但能夠較好抑制節點區裂縫的發展，墻體并未發生沖切破壞[5]。

(2) 暗柱的增設有利于結構設計中“強墻弱梁”的實現，在墻較厚時，暗柱對剪力墻鋼筋受力變化影響并不明顯，但暗柱的配置能夠使剪力墻的受力較為均勻、沿暗柱方向得到較好的應力擴散。

(3) 1#,5#試件結果表明，剪力墻較厚情況下，暗柱對增加承載能力的提高不明顯；3#,6#試件結果表明，剪力墻較薄情況下，暗柱的增設對節點域平面外轉動剛度有所提高，同時可以有效地提高薄墻平面外承載能力[5]。

(4) 由于時間關系，針對不同的暗柱寬度，本文參考文獻[6-8]取暗柱寬度等于梁寬兩倍進行研究分析，可以進一步研究不同墻厚、不同暗柱寬度、不同暗柱配筋情況下，暗柱對其平面外受力性能影響，及明梁、樓板等對梁墻節點平面外受力性能的影響。

[ 1 ] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. JGJ 3—2010 Technical Specification for concrete structure of tall building[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

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[ 3 ] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50010—2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. GB 50010—2010 Code for design of concrete structure [S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

[ 4 ] 莊茁,由小川,等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

Zhuang Zhuo, You Xiaochuan, et al. Finite element analysis and application based on ABAQUS [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009. (in Chinese)

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Su Zhaohui. Shi Zhifei. The study influence of embedded columns on the properties of shear wall out-of-plane force [D]. Shanghai: Tongji University, 2007. (in Chinese)

[ 6 ] 朱祖敬.鋼筋混凝土梁-薄墻正交節點試驗研究[D].重慶：重慶大學，2006.

Zhu Zujing. Experimental study on the solution of reinforced concrete perpendicular beam-thin wall joints[D]. Chongqing: Chongqing University, 2006. (in Chinese)

[ 7 ] 楊書靈.梁-墻節點的平面外受力性能分析[D].北京:北京交通大學，2008.

Yang Shuling. Analysis on mechanical capability of non-planar beam-wall joint[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008. (in Chinese)

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Lin Hongwei, Shi Zhifei. Mechanical analysis for non-planar reinforced concrete frame beam and shear-wall joint[J]. Journal of Construction Science and Engineering, 2007, 24(3): 56-60. (in Chinese)

Study on Reinforced Concrete Beam-wall Joints

LI Zhilong*CHENG Caiyuan

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Out-of-plane shear wall joints exist in the connection between the reinforced concrete floor beam and the shear wall. This paper studies the reinforced concrete beam-wall joints through finite element analyses. The software, ABAQUS, was used to analyze the contribution of the embedded column to the joint performance. Both static and reversed cyclic loading analyses were performed to investigate the influence of the embedded column on the joint rotational stiffness and out-of-plane performances.

RC beam-wall joint, shear wall, embedded column, nonlinear analysis

2013-06-21

*聯系作者，Email: 506243194@qq.com