采用竖向接头连接的混凝土填充多孔钢管复合剪力墙的抗震性能与设计方法

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance and design method of concrete-filled multicellular steel tube composite shear walls connected with vertical joints

CFMSTWs的新型垂直连接件通过实验和模拟验证了其与整体焊接墙相当的抗震性能，并提出了简化设计模型。

　　

曲晓坤|张玉芬|荣宪

河北工业大学土木与交通工程学院，天津，300401，中国

摘要

混凝土填充多孔钢管复合剪力墙（CFMSTW）作为一种双皮复合剪力墙，由于其高强度、高刚度和良好的抗震性能，在超高层和长跨度结构中得到了越来越多的应用。为了提高施工效率，本研究提出了三种新型垂直接头：锚固钢筋接头、穿孔钢筋-钢板接头和螺栓-钢板接头。通过全尺寸准静态试验、有限元模拟和理论分析对其抗震性能进行了评估。结果表明，这些接头的破坏模式和承载能力与整体焊接接头相当，同时具有30–40%更高的延展性和8–24%更高的能量耗散能力。参数分析显示，轴向压缩比、长宽比、钢材强度和混凝土强度的影响与整体焊接接头的情况基本一致。进一步确定了接头剪切强度的阈值，超过该阈值后，承载能力的提升变得逐渐平缓。基于实验和数值结果，建立了一种简化设计方法，在所研究的参数范围内，预测承载能力的平均偏差小于6%。所提出的垂直接头具有良好的工程可行性，该方法为CFMSTW垂直接头的设计提供了有用的参考。

引言

随着建筑工业化的进步，人们越来越关注那些结合了高施工效率、减少现场工作量和可靠抗震性能的结构体系[[1], [2], [3]]。因此，双皮复合剪力墙（DSCW）系统由于其高强度、高刚度和延展性而吸引了广泛的研究和工程应用。典型的DSCW由两块钢板、剪力连接件和填充混凝土组成。钢板和混凝土之间的双向约束增强了核心混凝土的强度和延展性，同时限制了钢板的局部屈曲，从而实现了高效的复合效应[4,5]。

已经开发了多种DSCW构型，包括波纹墙[[6], [7], [8]]、桁架加固墙[[9], [10], [11]]以及混凝土填充多孔钢管复合剪力墙（CFMSTW）[[12], [13], [14]]。在CFMSTW中，U形和矩形钢管通过全穿透焊接形成一个多孔管，然后填充混凝土。该系统可以看作是一系列横向排列的混凝土填充钢管柱，提供了增强的约束力和稳定的循环性能[13,14]。先前的测试报告了完整的滞回曲线和满意的能量耗散[15,16]。CFMSTW的可行性也在实际激励协议、替代材料组合和不同截面形式下得到了验证，包括T形和L形墙[[17], [18], [19], [20], [21], [22]]。

最近关于抗震墙系统的研究越来越强调耦合的实验-数值框架和以设计为导向的评估。通过循环试验和校准的有限元（FE）模型，研究了具有精细化边界元素、内部钢筋细节和增强水泥基材料的复合和混合剪力墙，显示出改进的强度、裂缝控制和变形能力[[23], [24], [25], [26]]。同时，基于不确定性和性能的视角也变得越来越重要。现有研究表明，连接件的变异性、施工缺陷和地震输入的不确定性会显著影响组装墙系统的整体响应，这突显了可靠连接设计和以设计为导向的评估方法的必要性[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]。

尽管取得了这些进展，但由于运输、制造和现场组装的限制，CFMSTW通常需要分段建造，墙截面通过垂直接头进行组装。因此，这些接头的机械性能和可靠性对于结构系统在地震荷载下的整体安全性和适用性至关重要[34,35]。尽管已经研究了多种RC剪力墙的垂直接头形式，包括水平锚固钢筋[36,37]、环形钢筋[[38], [39], [40]]、阻尼器[[41], [42], [43]]和螺栓连接[44,45]，但由于荷载传递路径和钢-混凝土复合效应的根本不同，它们直接应用于CFMSTW仍存在不确定性。这一差距促使人们进行系统研究，整合全尺寸测试、验证的FE建模和以设计为导向的参数识别，以建立等效的荷载传递行为并支持简化的设计实施。

在本研究中，提出了三种新型CFMSTW垂直接头，即锚固钢筋垂直接头（ARVJ）、穿孔钢筋-钢板垂直接头（RPVJ）和螺栓-钢板垂直接头（BPVJ）。四个全尺寸试件（包括一个整体焊接参考墙和三个带有垂直接头的墙）在准静态循环荷载下进行了测试，以评估其抗震性能和接头可靠性。然后开发了一个三维FE模型，并根据实验结果进行了验证，随后对接头剪切强度、轴向压缩比、材料强度和高度-宽度比进行了参数分析。基于这些结果，建立了设计建议和简化的承载能力预测模型，用于实际应用。为了明确研究逻辑和这些组件之间的联系，本文的整体框架在图1中进行了总结。

部分摘录

组装的CFMSTW系统和接头细节

组装的CFMSTW系统包括预制的多孔钢管墙肢、用于楼层间连接的垂直接头和用于楼层间连续性的水平接头。这种布置结合了工厂预制、现场组装和现场浇筑混凝土，实现了高效的施工模式。如图2所示，墙肢和接头部件在工厂制造和焊接，而现场工作主要限于对齐、组装和浇筑混凝土

试件设计

设计了四种剪力墙试件，包括一个传统的整体焊接参考墙（W-CW）和三个使用不同新型垂直接头的接头试件：W-AR、W-RP和W-BP。主要设计参数总结在表1中。

参考试件W-CW按照T/CECS 546-2018 [47]进行设计。每面墙由U形钢管（150毫米×150毫米×4毫米）和填充混凝土组成。预留了开口（50毫米×100毫米，半径R=10毫米，间距=200毫米）

破坏模式

根据观察到的破坏现象和测量的荷载-位移响应，破坏过程分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段（图9）。

(1)

弹性阶段（θ ≤ 0.75%）：未观察到可见的损伤。荷载-位移曲线基本保持线性，所提出的接头对结构响应影响很小。所有试件的行为几乎相同。

(2)

弹塑性阶段：刚度开始下降，出现拐点

有限元分析

为了进一步研究接合CFMSTW的抗震性能，使用ABAQUS开发了有限元（FE）模型。为了确保数值收敛性并遵循先前的研究[54,55]，模型忽略了BPVJ中的螺丝和螺栓的预紧力。

承载能力计算模型

为了实现与整体焊接墙相当的整体性能，对于所提出的接头墙采用了基于需求-能力的评估框架。首先，使用第5.5.1节中的需求模型（公式（6）、（7）确定垂直接头设计所需的墙间剪切需求V_d。然后根据接头细节和荷载传递路径，使用公式（8）、（9）、（10）、（11）、（12）评估接头剪切能力V_v。当满足公式（13）中的需求-能力条件时

讨论与展望

目前的结论基于全尺寸准静态试验、验证的FE建模和以设计为导向的参数分析，因此应在确定性框架内进行解释。为了确保建模效率和数值收敛性，采用了几种简化假设，包括固定接触参数和在BPVJ模型中省略了显式的螺栓预紧效应。此外，实验是在恒定的轴向压缩比下进行的

结论

本研究介绍了三种新型混凝土填充多孔钢管墙（CFMSTW）的垂直接头，并系统地评估了它们的抗震性能。根据实验和分析结果，可以得出以下结论。

(1)

所有新型接头试件的破坏模式与整体焊接墙一致，包括局部钢管屈曲、趾部断裂和混凝土压碎，接头损伤对整体性能的影响可以忽略不计，这证实了其可靠性

作者贡献声明

曲晓坤：撰写——原始草稿、软件开发、数据整理。张玉芬：撰写——审稿与编辑、验证、研究、资金获取。荣宪：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文的观点或手稿的评审。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（授权号52078179）提供的财政支持。