节点对人字撑墙板力学性能影响分析

钱坤， 刘圆， 封元

（吉林建筑大学，长春 130118）

0 引言

近几十年以来，中国飞速发展的经济使其成为现今全球最大规模的建筑市场。墙板作为建筑的主要组成部分，在材料的能耗中占比较大，因此国家大力倡导发展新型绿色建材的装配式复合墙板，使得装配式复合墙板迎来新的历史发展机遇。与传统的墙板相比，装配式复合墙板轻质高强、保温隔热、低能耗、节省资源、具有良好的抗震性能，是推广节能建筑、实现住宅产业化的重要途径[1]。于此同时，施工装配化使构件生产由工地化向工业化转变，从而提升施工效率，提高相关的经济效益和社会效益，促进建筑行业健康可持续发展。所以，该项施工技术具有较高的应用价值，成为当前建筑墙板发展的主流趋势。

文中通过优化人字形斜撑顶端和底端节点处的配筋、钢筋的锚固位置、混凝土的加固、边框梁上端的梁柱节点的方式，探讨其对对墙板力学性能的影响。

1 有限元模型

1.1 模型概况

文中设计了一种带有钢筋混凝土人字形斜撑的复合墙板（编号为FB-1），设计尺寸与配筋见图1、图2。

图1 FB-1墙板配筋（单位：mm）

图2 FB-1主要配筋详图（单位：mm）

1.2 模型材料的本构关系

图3 混凝土受拉本构曲线

（1）混凝土本构关系。建模选用的是混凝土本构模型中的塑性损伤模型。公式、表达式的确定依据《混凝土结构设计规范》。

混凝土受拉时的应力-应变公式如（4）所示，计算过程如下：

式中，ft,r为抗拉强度代表值，可取ft、ft,k、ft,m；εt,r为与ft,r对应的峰值应变；dt为混凝土受拉损伤演化参数；αt为应力应变下降段参数。

混凝土受压时应力-应变公式如（7）所示，计算过程如下：

式中，αc为应力应变曲线下降段参数；fc,r为抗压强度代表值，可取fc、fc,k、fc,m；εc,r为与fc,r对应的峰值应变；dc为混凝土受压损伤演化参数。

图4 混凝土受压本构曲线

（2）泡沫混凝土本构关系。FB-1模型采用的泡沫混凝土的应力-应变关系基于研究[3，4]确定。本构方程如式（10）所示。

（3）钢筋本构关系。研究的模型选用的是理想弹塑性模型。本构表达式：

式中，Es为钢筋的弹性模量；fy为钢筋屈服强度的代表值；εy为钢筋的屈服应变值。

图5 钢筋双直线模型

2 FB-1模型有限元模拟分析

2.1 有限元模型的建立

通过建立泡沫混凝土板、混凝土框架、纵筋以及箍筋等部件，赋予材料属性，最后装配形成人字撑泡沫混凝土复合墙板，如图6所示。

图6 有限元模型

2.2 极限承载力分析

由表1可得，在墙板内部设置人字形斜撑是有利的，它能够承受和传递部分水平荷载，将部分水平力分解为竖向力，人字撑与异形柱框架结构结合形成受力体系，从而提高了墙板的极限承载力。

表1 FB-1模型承载力

2.3 应力云图分析

观察上图复合墙板混凝土、钢筋骨架的主要受力位置及破坏程度，可以推出墙体的破坏过程大致如下：泡沫混凝土区域裂缝贯通并逐渐脱落，然后靠近作动器一侧的人字形斜撑受拉破坏从而丧失工作能力，最后在人字形斜撑顶部、梁柱节点以及异形柱上出现不同程度的混凝土脱落和钢筋变形，并随着荷载的继续施加破坏加剧，直到墙体最终失去承载能力。该过程与实际试验的情况较为一致，模拟结果是比较合理的。

图7 FB-1模型应力云图

3 FB-1模型的节点优化设计

3.1 人字撑顶部节点配筋

如图8（a）所示，FB-1模型在叠合梁下部设置了两侧人字形斜撑相交节点，钢筋在后浇叠合梁处搭接锚固。为了改善模型左右侧水平受力不均的情况，设计了BRW-1模型，在构件叠合梁内设置了两侧人字形斜撑相交节点，如图8（b）所示。

图8 FB-1与BRW-1人字撑顶部节点对比图（单位：mm）

3.2 人字撑顶部节点钢筋锚固

钢筋锚固位置影响着人字撑顶部节点的刚度大小，故设计了BRW-2、BRW-3模型，BRW-2模型在预制叠合梁顶端进行钢筋锚固，如图9（a）所示；BRW-3模型在预制叠合梁底端进行钢筋锚固，见图9（b）。

图9 BRW-2与BRW-3人字撑顶部节点对比图（单位：mm）

3.3 人字撑底部节点配筋

为提高人字撑底部节点刚度，设计了BRW-4模型，见图10（b），BRW-4模型在后浇异形柱范围内设置人字撑底端节点，并非在边框柱的位置内，除提高底部节点刚度外，人字撑和异形柱几乎同时破坏。

图10 FB-1与BRW-4人字撑底部节点

3.4 人字撑顶部节点加固

人字形斜撑顶端混凝土破坏严重，故设计了BRW-5模型，如图11所示，在其斜撑顶端进行加固，且在该位置的节点处放置一个尺寸为200mm×357mm的C30混凝土块。

图11 BRW-5人字撑顶部节点细节图（单位：mm）

3.5 上边框梁柱节点加腋

如图12所示，BRW-6模型在边框梁上端的梁柱节点处进行加腋，达到提高抗压强度的目的。设计时，边框梁上端的梁柱节点处梁腋坡度取值为1:3，相当于其腋高是梁高的0.4倍。

图12 BRW-6边框梁上端梁柱节点加腋图（单位：mm）

4 节点优化模拟结果的对比与分析

4.1 BRW-1模型破坏形态分析

运用ABAQUS有限元软件，建立BRW-1模型，应力云图，如图13所示。

图13 BRW-1应力云图

分析图13可知，BRW-1模型人字形斜撑左侧塑性损伤较FB-1更小且均匀。总体来看，混凝土塑性损伤以及钢筋应力损伤范围较FB-1模型小；BRW-1节点位置变化后，人字形斜撑的左边上部钢筋应力变大，受力更均匀，提升斜撑传递水平荷载的效果，从而提高承载力；BRW-1右侧的T形异形柱处钢筋的应力值有所提高。综上我们可以得知BRW-1模型泡沫混凝土部分的右端以及右侧的T形异形柱载荷能力更好，并能传递水平荷载，模型能几乎同时破坏[5，6]。

4.2 BRW-2与BRW-3模型破坏形态分析

运用ABAQUS有限元软件，建立BRW-2、BRW-3模型，应力云图如图14所示。

图14 BRW-2与BRW-3应力云图

分析图14可知，BRW-3上部叠合梁的中间靠左位置混凝土塑性损伤、左侧钢筋应力值、人字形斜撑、远离作动器一侧的T形异形柱承受应力均大于BRW-2；BRW-2人字形斜撑顶端的节点处刚度比BRW-3大。将两个模型的整体情况进行对比，BRW-3模型在人字形斜撑、顶梁处破坏较大。人字形斜撑顶端的节点处刚度也变低了，墙板最终得以均匀受力，荷载的传递路径更为合理，但应力变大的同时会使得墙板破坏变严重，同时承载力下降，所以在设计时需要多加考虑。

4.3 BRW-4模型破坏形态分析

BRW-4模型将异形柱后浇区域设置人字撑底部节点，应力云图，如图15所示。

图15 BRW-4应力云图

分析图15可知，与FB-1墙板进行对比，BRW-4模型T形异形柱的应力值变大，破坏程度较深，左侧人字撑混凝土塑性损伤区域小，达到了协同破坏，但右侧处于弹塑性阶段。

4.4 BRW-5与BRW-6模型破坏形态分析

BRW-5模型在墙板的人字形斜撑的顶部节点处放置一个C30混凝土块，其尺寸为200mm×357mm。BRW-6模型在上边框的梁柱节点处进行加腋，3个模型的应力云图对比，如图16所示。

图16 BRW-5、BRW-6应力云图

分析图16可知，BRW-5模型人字撑顶部节点抗压能力提升，T形异形柱一侧的应力值提高。与FB-1模型相比，BRW-6泡沫混凝土损伤程度略低，能够达到协同破坏的目的。总体来看，在墙板的上边框梁柱节点处进行加腋，能够提升墙板的抗震性能、受力性能。

4.5 极限承载能力分析

由表2可知，FB-1模型极限承载力为411.74kN，BRW-1、BRW-2、BRW-3、BRW-4、BRW-5、BRW-6模型极限承载力分别为 419.16、398.87、382.76、426.21、435.37、431.72kN。与FB-1对比，BRW-1承载力提升了2.5%；BRW-2承载力降低了3.1%；BRW-3承载力降低了7%；BRW-4承载力提升了2%；BRW-5承载力提升了5.4%；BRW-6承载力提升了4.6%。

表2 各模型承载力特征值

对每个模型的延性系数进行分析，BRW-1延性系数为2.61，BRW-4延性系数为2.6，两模型延性系数均有所降低，可知节点位置的选取能够影响模型的刚度大小。BRW-2延性系数为2.67，BRW-3延性系数为2.71，两模型分别提高1.8%、3.3%，可知虽承载力下降，但改变人字形斜撑顶端节点处的配筋能够提高其延性。BRW-5延性系数为2.58，BRW-6延性系数为2.59，两模型几乎下降了1.1%，可知对节点位置进行混凝土加固，可增大约束钢筋的能力、降低其变形的能力。

5 结语

（1）在叠合梁内部（BRW-1）设置左右侧人字撑相交节点，这样设计能够使墙板受力路径更为合理，墙板的T形异形柱一侧载荷能力更强，最终各构件能协同破坏。

（2）异形柱后浇区域（BRW-4）设置人字撑底部节点，这样设计能够使墙板的受力更加均匀，人字形斜撑传递水平作用的力更有效，最终各构件达到协同破坏。

（3）在人字形斜撑的顶端节点处设置一个混凝土加固区（BRW-5）、在上边框梁的梁柱节点处进行加腋（BRW-6），这两种设计从墙板的承载力以及延性来看，能够明显提升墙板的承载力，但是延性影响不大，值得考虑。

总体来看，在叠合梁的内部设置左右侧人字撑相交节点、在异形柱的后浇区域设置人字撑底部节点，这两种设计的方案都能够将水平荷载传递到T形异形柱一侧的构件，受力路径更为合理，模型基本达到协同破坏的目的；在人字形斜撑的顶端节点处位置设置一个混凝土加固区、在上边框梁的梁柱节点处进行加腋，这几种方式能够在一定程度上提高墙板的承载力。因此，可参考以上方案，对人字撑泡沫混凝土复合墙板进行优化。