Несущая способность и поведение при разрушении сварных горизонтальных соединений в сборных конструкциях стен на срез

Почему безопасность сборных зданий важна

Все больше зданий возводят из крупных заводских бетонных панелей, которые быстро собирают на площадке. Такой подход сокращает время строительства, уменьшает отходы и улучшает контроль качества. Но в сейсмически активных регионах остается важный вопрос: насколько надежно выдерживают металлические соединения, связывающие тяжелые бетонные элементы, когда происходит землетрясение? В этом исследовании детально изучается ключевой тип сварного узла между стенами и перекрытиями в сборных зданиях, чтобы оценить его прочность и устойчивость к повреждениям.

Как современные здания собирают по частям

В монолитном бетоне стены и перекрытия заливают как почти непрерывную массу, поэтому конструкция ведет себя как единый блок. Сборные здания устроены иначе: стены и плиты изготавливают на заводе, а затем стыкуют на месте. Эти стыки становятся «слабыми звеньями», которые определяют безопасность и расходы на ремонт при землетрясении. Инженеры могут использовать «мокрые» швы, когда на месте заливают монолитный бетон, или «сухие» швы, опирающиеся на болты или сварку. Мокрые швы ведут себя ближе к цельному бетону, но замедляют строительство. Сухие швы быстрее и чище, однако их поведение при сильной встряске изучено хуже, особенно когда речь идет о сварных соединениях, проходящих горизонтально в местах стыка стен и перекрытий.

Новая сварная связь между стенами и перекрытиями

Авторы спроектировали практичную систему сварного соединения с прицелом на реальное строительство. Стальные пластины закладывают в кромки стеновых панелей и плиты перекрытия на заводе. На месте монтируют соединительную пластину и сваривают ее с этими закладными пластинами, при этом стержни привязаны к скрытым балкам и колоннам внутри бетона. Это создает невидимый стальной «мост», передающий усилия между верхней стеной, перекрытием и нижней стеной. Построили два полноразмерных образца: один — имитирующий торцевую стену, подкрепленную перекрытием с одной стороны, второй — внутреннюю стену, связанную перекрытиями с обеих сторон. Оба образца закрепили в испытательной раме и перемещали взад-вперед, имитируя медленные повторные сдвиги, характерные для сильных землетрясений.

Что произошло при моделировании встряски

В ходе испытаний соединения воспринимали боковые силы порядка 330 килоньютонов — сравнимые с весом нескольких небольших грузовиков — прежде чем их прочность начала снижаться. Они также допускали перемещения верха порядка 40–44 мм, продолжая удерживать большую часть нагрузки, что свидетельствует о хорошей пластичности, т.е. способности деформироваться без резкого разрушения. Трещины сначала появлялись в нижней стене вблизи сварных пластин, затем распространялись по диагонали; в итоге бетон на стороне стенки в сжатии дробился, а стальные пластины и стержни около соединения текли. Схема разрушения сочетала сдвиговую деформацию в области шва и изгибную работу стены, а не хрупкий внезапный перелом. Образец, представляющий внутреннюю стену с перекрытиями по обе стороны, показал несколько большую жесткость и прочность по сравнению с торцевым вариантом, что отражает более равномерный путь передачи усилий.

Заглянуть внутрь виртуальными испытаниями

В дополнение к лабораторным экспериментам команда создала подробную трехмерную вычислительную модель в программе ABAQUS. Они использовали продвинутую модель бетона, способную учитывать растрескивание, дробление и потерю жесткости при повторной загрузке, в сочетании с упрощенным, но реалистичным описанием поведения стали. После калибровки модель показала, что смоделированные кривые «сила — перемещение», локальные зоны напряжений и схемы трещинообразования сопоставимы с экспериментальными результатами: пиковые и текучие нагрузки обычно отличались в пределах 10–20% от измеренных значений. С помощью этой верифицированной модели они провели виртуальные эксперименты, чтобы увидеть, как изменение вертикальной нагрузки на стену (осевая компрессия) и геометрии стены (коэффициент пролета на глубину среза) влияют на поведение. Увеличение сжатия повышало пик прочности, но снижало способность к деформации выше определенного предела, тогда как более высокие и тонкие стены смещали характер повреждений от сдвигового к изгибовому и уменьшали прочность.

Что это значит для сейсмостойкого проектирования

Для неспециалистов главный вывод в том, что тщательно проработанные сварные соединения между сборными стенами и перекрытиями могут надежно работать при нагрузках, имитирующих землетрясение. Эти стыки не вели себя как хрупкие швы: они воспринимали большие силы, рассеивали энергию через контролируемое растрескивание и пластическую деформацию стали и разрушались постепенно и наблюдаемо. Исследование также показывает, что проектировщикам необходимо балансировать вертикальную нагрузку и пропорции стены, чтобы избежать чрезмерно жестких разрушений от сжатия и сохранить пластичность. Наконец, верифицированная вычислительная модель предоставляет мощный инструмент для уточнения деталей соединений и изучения более экстремальных сценариев, помогая инженерам проектировать сборные здания, которые быстро возводятся и в то же время безопаснее при землетрясениях.

Цитирование: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Ключевые слова: сборный бетон, сейсмические швы, сварные соединения, стены на срез, сейсмоинженерия