全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法

技术领域

本发明涉及装配式建筑结构抗震技术领域，尤其涉及一种全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法。

背景技术

装配式建筑因其质量易于保证、施工建造速度快、绿色低碳环保等优势成为我国建筑业转型的重要方向。装配式混凝土结构是最基本的抗震装配式结构体系之一，具有缩短施工工期、减少对周围环境的影响、节约能源以及构件质量易于保证等优点，能够有效地解决广大农村地区低多层民居存在的施工质量差、缺乏抗震设计、生产方式不规范等问题，适用于当前村镇建筑。

按施工方式划分，装配式混凝土结构体系分为装配整体式混凝土结构体系和整体装配式混凝土结构体系(又称“全装配式混凝土结构体系”)。装配整体式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式进行连接并与现场后浇混凝土、水泥基灌浆料形成整体的装配式混凝土结构，连接方法为湿式连接，采用的设计方法为“等同现浇”。“等同现浇”设计方法的前提是相邻预制构件内的钢筋能够可靠连接，如采用套筒灌浆连接、浆锚搭接连接或后浇带内钢筋搭接连接等方式，使得装配式混凝土结构基本达到或接近于现浇混凝土结构的力学性能(包括承载力、刚度和延性等)，满足建筑结构安全的要求。装配整体式混凝土结构体系的缺点是现场需要湿作业，降低了施工效率，不能完全发挥装配式建筑快速建造的优势。

本研究团队发明了一种集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构，该结构属于全装配式混凝土结构体系，参见已授权发明专利CN110080418A，该专利集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构包含预制基础、预制螺栓连接剪力墙板和预制钢筋混凝土楼板，各预制构件之间采用螺栓连接，现场无湿作业。优势在于便于拆卸、易于修复、可重复利用以及有利于结构实现可拆卸功能和震后快速可修复功能。集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系的水平缝和竖向缝均采用螺栓对拉钢板进行连接，在地震作用下，预制螺栓连接剪力墙板在水平缝处逐渐张开，会发生墙体旋转并沿水平缝发生滑移。因此，相比现浇墙板，预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度明显下降，达不到“等同现浇”的结构效果，不能沿用基于“等同现浇”的装配式混凝土结构设计理论。针对此类结构的独特受力机理，本发明提出一种与我国现有抗震设计思路相一致的集中部位全干式螺栓连接剪力墙“非等同现浇”抗震设计方法，对该结构体系的推广和装配式建筑的发展做出贡献。

发明内容

本发明提供了全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法，以解决现有技术中，相比现浇墙板，预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度明显下降，达不到“等同现浇”的结构效果，不能沿用基于“等同现浇”的装配式混凝土结构设计理论的问题。

本发明采用的技术方案是：提供一种全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法，包括：

步骤1：采用底部剪力法进行抗震计算，各楼层仅取一个自由度，确定集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系的基底总剪力和层剪力；

步骤2：确定各楼层层剪力在各轴线剪力墙上的分配情况，计算各轴线墙板受到的水平剪力；当采用现浇楼盖或装配整体式混凝土楼盖时，结构的层剪力按抗侧力构件的等效刚度进行分配，即按预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度分配；当采用预制楼盖时，按各轴线墙板的从属面积比例进行分配；

步骤3：确定水平剪力在同轴线各墙板间的分配情况，水平剪力在各墙板间的分配不考虑竖向连接节点对墙板的约束作用，遵循按抗侧刚度分配原则；

步骤4：根据步骤1-步骤3的计算结果对螺栓连接节点承载力进行验算，包括螺栓连接节点受拉承载力及受剪承载力；

步骤5：根据步骤1-步骤3的计算结果对水平缝、竖向缝处进行承载力验算，包括水平缝抗弯承载力验算、水平缝抗剪承载力验算及竖向缝抗剪承载力验算；

步骤6：根据步骤4和步骤5的验算结果开展集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构的第一阶段的抗震设计分析，并对结构安全性能做出评估及优化节点布置。

进一步的，步骤2中，所述预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度计算方法包括：

将预制螺栓连接剪力墙板视为现浇墙，由于接缝的存在导致初始刚度的下降，引入预制螺栓连接剪力墙板抗侧刚度折减系数；

定义预制螺栓连接剪力墙板抗侧刚度折减系数γ，根据参数分析的研究结果，拟合回归螺栓节点配钢率、墙体的高宽比、轴压比和节点相对位置这四个参数在内的预制螺栓连接剪力墙板抗侧刚度折减系数的简化计算公式，即：

γ＝K/K

ω＝As/bt×100％

β＝H/b

ξa＝as/b

α＝N/fcbt

式中，K为预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度，K

进一步的，步骤2中，对于单块预制螺栓连接剪力墙板，其抗侧刚度为按相同尺寸现浇墙抗侧刚度计算并乘以抗侧刚度折减系数，而对于同一轴线通过螺栓连接节点拼接而成的多块墙板，忽略竖向节点对墙板的约束作用，其总体刚度等于各墙板刚度之和，即：

K

进一步的，步骤4中，对于螺栓连接节点，在受拉破坏时具有三种破坏模式：连接钢板受拉屈服破坏、高强螺栓剪切破坏及受拉区节点螺栓孔周围混凝土受剪冲切破坏，每种破坏模式下的承载力计算公式如下：

N

F

N

其中，N

进一步的，步骤4中，当螺栓连接节点受剪破坏时，具有两种破坏模式：连接钢板的剪切破坏、高强螺栓的剪切破坏，每种破坏模式下的承载力计算公式如下：

V

V

其中，V

进一步的，步骤5具体包括以下子步骤：

当水平缝截面仍然满足平截面假定，在水平地震作用下，墙体水平缝承受轴力，剪力及弯矩，在发生弯曲破坏时，端部混凝土承压，节点承受拉应力，其典型破坏形态为受压区混凝土压溃且最外侧受拉节点发生破坏；根据极限状态下截面的竖向力平衡及弯矩平衡，进行预制螺栓连接剪力墙板水平缝抗弯承载力验算；

M

α

式中，N

计算受拉节点破坏与受压区混凝土同时发生时的相对界限受压区高度ξ

优先假定墙板发生受拉节点破坏，此时，N

比较ξ与ξ

ε

将

式中，E

水平缝抗剪承载力V

V

式中，n为水平缝螺栓连接节点数量；μ为上下层墙板间的摩擦系数；N为垂直于结合面的轴向力设计值，压力时取正，拉力时取负；

根据预制螺栓连接剪力墙板所受到的水平剪力，进行竖向缝抗剪承载力验算：

V

式中，系数1.2为考虑其他因素影响的放大系数，V为墙板的水平剪力；H，L分别为墙板的高度和宽度，V

进一步的，通过构建出的预制螺栓连接剪力墙板结构简化力学模型完成对集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系的地震作用效应分析，代替步骤1至步骤3的工作。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度计算方法，确定抗侧刚度折减系数的计算公式，充分考虑了接缝对预制螺栓连接剪力墙板刚度的影响，令集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构与相同墙板尺寸的传统现浇结构在弹性刚度特性上区分开来，以便新型结构在第一阶段抗震设计中采用合适且准确的结构分析模型，解决集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构中由于接缝引起的抗侧刚度不明确以及由此引起的结构内力分析困难等问题。

2)本发明提出集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系的地震力计算及分配方法，明确螺栓连接节点抗拉承载力及抗剪承载力、水平缝抗弯承载力及抗剪承载力、竖向缝抗剪承载力等关键力学参数的计算方法，如此设置，可采用常规设计软件针对集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系建立计算模型，仅需提取结构抗震分析所需要的内力结果，便可开展集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构的第一阶段的抗震设计分析，并对结构安全性能做出评估及优化节点布置。

附图说明

图1为集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系效果图。

图2为预制螺栓连接剪力墙板结构示意图，源自发明专利CN110080418A。

图3(a)为水平缝螺栓连接节点和竖向缝螺栓连接节点的结构示意图。

图3(b)为预制墙板-预制楼板螺栓连接节点和预制楼板-预制楼板螺栓连接节点的结构示意图。

图4(a)为L型螺栓连接节点的结构示意图。

图4(b)为用于固定水平缝的矩型螺栓连接节点的结构示意图。

图4(c)为用于固定竖向缝的矩型螺栓连接节点的结构示意图。

图5为集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系抗震设计的流程示意图。

图6为结构水平地震作用计算简图。

图7为结构横向抗震示意图。

图8(a)为水平缝螺栓连接剪力墙板的变形形态(变形前)示意图。

图8(b)为水平缝螺栓连接剪力墙板的变形形态(变形后)示意图。

图9为水平剪力在各墙板间的分配示意图。

图10(a)为螺栓连接剪力墙板简化模型图(“弹性连接”模型)。

图10(b)为螺栓连接剪力墙板简化模型图(“刚度折减”模型)。

图11为预制螺栓连接剪力墙板示意图。

图12(a)为体系简化模型图(模型一)。

图12(b)为体系简化模型图(模型二)。

图13为螺栓连接节点受力简图。

图14为螺栓连接剪力墙板破坏形态示意图。

图15为水平缝截面受力简图。

图16为水平缝抗弯承载力计算流程图。

附图标记：1-预制螺栓连接剪力墙板；2-预制钢筋混凝土楼板；3-预制基础；4-水平缝螺栓连接节点；5-竖向缝螺栓连接节点；6-预制墙板-预制楼板螺栓连接节点；7-预制楼板-预制楼板螺栓连接节点；8-高强螺栓；9-连接钢板；10-从属面积；11-墙趾受压区混凝土；12-竖向钢筋；13-防冲切箍筋；14-受压区混凝土压溃；15-螺栓连接节点受拉破坏；16-螺栓孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例在螺栓连接剪力墙板传力机理基础上，进一步提出符合我国抗震设计思路的集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法。如图1所示，所有结构构件均为预制构件，采用全干式螺栓连接。预制构件包括预制基础3、预制螺栓连接剪力墙板1(见图2)和预制钢筋混凝土楼板2。其中，预制螺栓连接剪力墙板既是主要承重与抗侧力构件，也是分隔和围护构件。水平缝螺栓连接节点4及竖向缝螺栓连接节点5，预制墙板-预制楼板螺栓连接节点6及预制楼板-预制楼板螺栓连接节点7如图3(a)、(b)所示，通过在预制构件中预留螺栓孔16，采用10.9S级承压型高强螺栓8和Q235-B连接钢板9(见图4(a)、(b)、(c))拼接的形式在基础与基础之间、墙板与基础之间、墙板与墙板之间、墙板与楼板以及楼板与楼板之间进行连接。

参见图5，本发明提出的全干式螺栓连接剪力墙结构“非等同现浇”抗震设计方法，具体步骤如下：

步骤1：进行结构方案初步设计。具体包括：1)根据建筑设计来确定结构平面布置，即预制螺栓连接剪力墙板划分与隔墙的设置；2)按每块预制螺栓连接剪力墙板2个连接节点初步确定预制构件连接节点的位置、螺栓的数量与间距；3)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)要求的最小配筋率初步确定预制混凝土构件(包括墙板、楼板、屋面板等)的配筋；4)初步确定预制混凝土构件、连接钢板、螺栓等构件材料类型。

本步骤中，结构方案设计中对于集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系进行墙板拆分设计，应遵循以下三个原则：1)合理对称布置预制螺栓连接剪力墙板，保证结构整体刚度分布均匀；2)预制螺栓连接剪力墙板尺寸应考虑产生工艺和运输条件；3)预制螺栓连接剪力墙板沿纵横向均匀、分散布置，纵横向墙板的数量不宜相差过大。

步骤2：地震作用及作用效应分析，确定各墙板在水平地震作用下所受到的水平剪力。

在本发明的其中一些实施例中，步骤2具体可采取以下两种方法及其子步骤：

方法一：对于集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系，在进行地震作用效应分析时，可采用简化理论计算方法。

步骤2.1.1：基底总剪力及层剪力计算(见图6)。集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布一般比较均匀，因此可以采用底部剪力法进行抗震计算。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)，采用底部剪力法时，各楼层可仅取一个自由度，各楼层水平地震作用标准值，应按下列公式确定：

F

△F

其中，考虑到低层墙板结构普遍刚度大，振动周期较小，水平地震影响系数值一般位于地震影响系数曲线的上升段或平台段，因此水平地震影响系数值α

步骤2.1.2：确定各楼层层剪力在各轴线墙上的分配情况(见图7)。当采用现浇楼盖或整体装配式混凝土楼盖时，结构的楼层层剪力宜按抗侧力构件等效刚度进行分配，即按螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度分配；当采用预制楼盖时，宜按各轴线墙板的从属面积10比例进行分配。

γ＝K/K

ω＝A

β＝H/b

ξ

α＝N/f

式中，γ为预制螺栓连接剪力墙板抗侧刚度折减系数，K为预制螺栓连接剪力墙板的抗侧刚度，K

步骤2.1.3：确定水平剪力在同轴线各墙板间的分配情况(见图9)。当同一轴线有多块墙板组成时，水平剪力在各墙板间的分配不考虑竖向连接节点对墙板的约束作用，遵循按抗侧刚度分配原则。

各墙板所受到的水平剪力V

式中，K

步骤2.1.4：根据已计算的每块墙板的水平剪力V

方法二：依托现有工程设计软件进行建模计算。

该方法二通过构建出的预制螺栓连接剪力墙板结构简化力学模型完成对集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系的地震作用效应分析，代替上述方法一的工作。

步骤2.2.1：为便于适配常用工程设计软件，本发明提出如图10(a)、(b)所示的预制螺栓连接剪力墙板简化力学模型，并采用以下分析方法：

第一种是“弹性连接”模型，即在水平缝处设置弹性连接的方式来模拟水平缝螺栓节点的力学行为，如图10(a)所示。在水平缝螺栓连接节点处设置单个拉剪弹簧，其轴向拉伸刚度由螺栓连接钢板确定，计算方式为K

第二种是刚度折减模型，如图10(b)所示，将预制螺栓连接剪力墙板视为现浇墙，但考虑由于接缝的存在导致初始抗侧刚度的下降，引入预制螺栓连接剪力墙板抗侧刚度折减系数，由于第一阶段抗震设计采用弹性方法，不考虑墙板刚度随着作用效应的变化。

在PKPM和YJK等结构设计软件中按照集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系建立结构模型(见图12(a)、(b))，该结构模型与传统现浇结构模型不同，需要充分考虑接缝对于结构刚度的影响。集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构整体体系建模说明如下：

1)预制螺栓连接剪力墙板

当采用“弹性连接”墙板单元模型时，预制螺栓连接剪力墙板可采用“板单元”模拟，首先将墙板离散为大小合适的板单元，然后在水平缝螺栓连接节点位置处设置拉剪弹簧，在水平缝端部墙趾处设置仅受压弹簧；当采用“刚度折减”墙板单元模型时，按照现浇剪力墙结构采用“墙单元”，每个预制螺栓连接剪力墙板为一个“墙单元”，其抗侧刚度考虑抗侧刚度折减系数。一层墙板与底部全部采用固接方式，一层墙板与二层墙板之间采用共节点的方式，与现浇墙边界条件相同。

2)竖向缝

在实际工程建设中，为了方便墙板与墙板之间进行拼装，预留了20mm的竖向缝。对于竖向缝的建模，同样按照实际工程情况预留一定宽度的缝隙。当采用“弹性连接”墙板单元模型时，由于对板单元进行了分割单元处理，可以在竖缝螺栓节点位置处设置弹性连接。从分析的体系受力特征来看，在水平地震作用下，墙板与墙板之间存在沿着竖缝方向相互错动的趋势，墙板间水平力的传递也主要依靠竖缝，因此竖缝处螺栓节点在其平面内有抗剪作用及拉伸作用。为模拟竖缝螺栓连接节点的连接效应，在竖缝节点位置处设置拉剪弹簧，其刚度的计算方式与水平缝相同。当采用“刚度折减”墙板单元模型时，墙单元作为一个整体，无法在竖缝位置处布置弹性连接，可采用在墙板单元顶部添加连接单元，连接单元面积为连接钢板的截面面积，弹性模量同钢材一致。

3)楼板

预制钢筋混凝土楼板采用“板单元”建立，按照实际工程情况，在墙板与楼板之间预留一定宽度的缝隙，在楼板与楼板、墙板与楼板之间均设置拉剪弹性连接，弹性连接位置对应实际螺栓连接节点位置，其拉剪弹簧刚度的计算方式同水平缝处节点。

当预制楼板间采用螺栓拼接时，能保证平面内刚度足够大，如无大面积洞口，在整体体系建模时可采用刚性楼板假定以简化建模计算过程，但由于楼板实际的连接方式为搁置于内叶墙板上，并采用螺栓连接，其边界约束不能视为刚接，当采取楼板和墙板共节点处理时，需进行“板端约束”释放，即释放这些节点的三个转动自由度，但保留约束三个平动自由度。

步骤2.2.2：在完成集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构整体体系建模后，输入实际荷载状况，对结构进行静力分析，当计算地震作用效应时，可采取振型分解法。检查其自振周期、振型，并对层间位移角、位移比等抗震性能指标进行评估。对结构内力结果进行分析，并提取弹性连接内力及支承反力情况，进行螺栓连接节点设计。

步骤3：根据已知的内力结果，进行螺栓连接节点设计，包括螺栓连接节点抗拉及抗剪承载力验算、水平缝抗弯承载力验算、水平缝抗剪承载力验算及竖向缝抗剪承载力验算。

在本发明的其中一些实施例中，步骤3具体包括以下子步骤：

步骤3.1：根据简化理论计算出的最不利的内力组合或者设计软件中提取的最不利的连接节点内力情况，进行螺栓连接节点抗拉及抗剪承载力(见图13)验算，判断螺栓连接节点是否符合强度需求，抗拉承载力计算方法如下：

N

F

N

其中，N

螺栓连接节点抗剪承载力计算方法如下：

V

V

其中，V

步骤3.2：假定水平缝截面仍然满足平截面假定，在水平地震作用下，墙体水平缝承受轴力，剪力及弯矩，在发生弯曲破坏时，端部混凝土承压，节点承受拉应力，其典型破坏形态为受压区混凝土压溃14且最外侧螺栓连接节点受拉破坏15(图14)。根据极限状态下截面的竖向力平衡及弯矩平衡(见图15)，进行预制螺栓连接剪力墙板水平缝抗弯承载力验算(见图16)；

M

α

式中，N

计算受拉节点破坏与受压区混凝土同时发生时的相对界限受压区高度ξ

优先假定墙板发生受拉节点破坏，此时，N

比较ξ与ξ

ε

将

式中，ξ

根据简化抗震设计理论计算出的各个尺寸墙板最不利内力情况，或者根据设计软件中提取各弹性连接内力并依据平衡法则合成而得的水平缝的轴力，剪力及弯矩，预测墙板失效模式为受拉节点破坏或者受压区混凝土被压溃，进而判断是否安全。

步骤3.3：水平缝抗剪承载力验算。水平缝抗剪承载力V

V

式中，n为水平缝螺栓连接节点数量，一般取2；μ为上下层墙板间的摩擦系数，由于预制墙板水平接缝采用坐浆材料而非灌浆填充，接缝受剪时静摩擦系数较低，取0.6；N为垂直于结合面的轴向力设计值，压力时取正，拉力时取负。

步骤3.4：竖向缝抗剪承载力验算。竖向接缝剪力需满足：

V

式中，V

步骤4：根据步骤3的验算结果开展集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构的第一阶段的抗震设计分析，并对结构安全性能做出评估及优化节点布置。第一阶段是指弹性阶段的抗震设计，第二阶段通常是指弹塑性阶段的抗震设计。

在本发明其中一个实施例中，提供了一个具体实例，如下：

某集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系示范工程所在地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组。项目为两层装配式墙板结构，总建筑面积232.23m

预制螺栓连接剪力墙板：采用C30混凝土，横纵向钢筋为HRB400，箍筋为HRB335，宽度规格有1800mm、3600mm、4300mm和4500mm，预制夹心保温墙板厚度为200mm，预制墙板中内外页墙板均为承重墙板，厚度为70mm，中间夹心保温层厚度为60mm；

预制钢筋混凝土楼板：混凝土及钢筋材料同剪力墙一致，上下层楼板为50mm厚的钢筋混凝土楼板，夹心层为50mm厚的XPS挤塑板；

预制基础：混凝土及钢筋材料同剪力墙一致。

螺栓连接节点规格为：

集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系在墙板与基础之间均采用两节点的连接方式，每个节点处采用如图4(a)所示钢板进行连接。钢板采用Q235钢，厚度为6mm，宽度为190mm，每块钢板使用8颗10.9s级M20螺栓将两者进行可靠的连接。而通常在墙板与墙板拼接的水平缝、竖缝处布置两个螺栓连接节点，钢板尺寸分别如图4(b)、图4(c)所示。

某集中部位全干式螺栓连接剪力墙结构体系示范工程实际效果图如图14所示，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)“两阶段”设计理念，首先进行多遇地震作用下构件的承载力设计阶段。

由步骤1、2可求得，以4300mm墙板最不利内力验算为例，计算出水平缝轴力、剪力及弯矩分别为114.8kN、30.2kN、92.7kN·m。

由步骤3可求得，螺栓连接节点承载力：钢板抗拉承载力N

根据上述计算结果，判断水平缝失效模式可能为受拉节点破坏，在抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g的多遇地震工况下，对比实际水平缝所受到的剪力与弯矩，均存在较大裕量，且螺栓连接节点安全可靠。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。