预制剪力墙结构中焊接水平节点的承载与破坏行为

为何更安全的预制建筑很重要

越来越多的建筑由工厂制造的大型混凝土板在现场快速组装而成。这种做法可以缩短施工周期、减少浪费并改善质量控制。但在地震多发地区，一个重要问题仍未完全解决：连接这些重型混凝土构件的金属节点在地震作用下究竟能否可靠承载？本研究聚焦预制建筑中墙体与楼板之间一种关键的焊接连接，评估其强度与抗损能力。

现代建筑是如何拼接起来的

在传统混凝土结构中，墙与楼板通常作为近乎连续的整体浇筑，因此结构像一个整体块体一样工作。预制建筑则不同：墙板和楼板在工厂制造，现场再拼接。那些连接处成为在地震中决定安全与修复成本的“薄弱环”。工程上可采用“湿式”节点，即现场补浇混凝土，或“干式”节点，依靠螺栓或焊接。湿式节点在力学行为上更接近整体混凝土，但会拖慢施工进度；干式节点施工更快、更整洁，但其在强烈震动下的行为尚不充分明确，尤其是墙与楼板水平接缝处的焊接节点。

一种新的墙-楼板焊接连接

作者设计了一种面向实际施工的焊接节点体系。钢板在工厂时嵌入墙板和楼板的边缘，现场通过连接钢板对这些内嵌钢板进行焊接，钢筋将钢板与混凝土内部的暗梁暗柱相连。这就形成了一座隐藏的钢性“桥梁”，将上部墙体、楼板与下部墙体之间的力传递起来。研究制作了两个全尺寸试件：一个代表外墙仅一侧与楼板相连，另一个代表两侧均有楼板的内墙。两者均安装在试验框架中，模拟强震下墙体反复往返的慢速位移。

模拟震动时发生了什么

试验中，这些节点在强侧向力约为330千牛顿时开始出现强度下降——相当于几辆小货车的重量。它们在仍保持大部分承载力的情况下允许顶部约40–44毫米的位移，表明具有良好的延性，即在不发生突然脆断的情况下发生较大变形。裂缝首先在下墙靠近焊接钢板处出现，随后呈对角线扩展，最终墙体受压边缘发生混凝土压碎，而靠近节点的钢板和钢筋屈服。破坏模式是剪切与弯曲的混合，而非脆性断裂。代表内墙的试件（两侧有楼板）表现出略高的刚度与强度，反映了更为平衡的受力路径。

用数值试验“透视”内部

为补充实验室试验，团队利用ABAQUS建立了详细的三维计算模型。模型采用能捕捉裂缝、压碎与重复加载下刚度降减的先进混凝土本构，并结合简化但现实的钢材行为。经过标定后，模拟得到的力—位移曲线、应力集中区与裂缝分布与试验结果较为一致：峰值与屈服荷载通常在测得值的10%–20%范围内。借助该验证模型，他们开展了虚拟试验以研究竖向荷载（轴向压应力）和墙体几何（剪跨比）变化对性能的影响。较高的轴向压应力提高了峰值强度，但在超过某一限度后会降低变形能力；更高更细的墙体会使破坏特征从剪切主导转向弯曲主导，并伴随强度下降。

对抗震设计的启示

对非专业读者而言，关键结论是：在细致设计和施工下，预制墙与楼板之间的焊接节点在地震类荷载下可以表现出可靠的承载能力。这些节点并非脆弱的接缝；相反，它们能够承受较大力，通過受控开裂与钢材屈服消散能量，并以逐步可观测的方式失效。研究还表明，设计时必须在竖向荷载与墙体比例之间取得平衡，以避免因过度压缩而导致的压碎性破坏并保持延性。最后，经验证的数值模型为优化节点构造和探索更极端情形提供了有力工具，帮助工程师设计既能快速建造又在地震中更安全的预制建筑。

引用: 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

关键词: 预制混凝土, 抗震节点, 焊接连接, 剪力墙, 地震工程