帶暗支撐單面疊合板式混凝土剪力墻抗震性能數(shù)值分析

阮曉光，王 鋒

(1. 安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 安徽蘇亞建設(shè)安裝有限公司，安徽 合肥 230601)

疊合板剪力墻結(jié)構(gòu)已在裝配式結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，與普通現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，不僅施工高效、快速，而且還為實(shí)現(xiàn)“綠色建筑”提供了新技術(shù)條件.國內(nèi)學(xué)者在疊合板剪力墻結(jié)構(gòu)中就力學(xué)性能進(jìn)行了深入性研究并取得重大學(xué)術(shù)研究成果.馬巍等[1-2]通過水平拼接2片墻板的方式形成整體剪力墻,并對(duì)其進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)與整體現(xiàn)澆剪力墻試件基本相同.種迅等[3]采用強(qiáng)連接的方式加強(qiáng)插筋頂部和水平拼縫部位，并與現(xiàn)澆剪力墻進(jìn)行比較.張偉林等[4]進(jìn)行了疊合板式混凝土剪力墻T型與L型拼接墻體低周往復(fù)抗震試驗(yàn)，表明疊合板式剪力墻與全現(xiàn)澆剪力墻的抗震性能基本相同，并提出相關(guān)疊合板式剪力墻的抗震設(shè)計(jì)方法.除此之外，國內(nèi)外諸多學(xué)者通過有限元數(shù)值分析對(duì)裝配式剪力墻構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行了相關(guān)理論計(jì)算分析[5-7].

本文基于課題組帶暗柱拼縫單面疊合板式剪力墻試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[8]，進(jìn)一步研究在其內(nèi)塑性鉸區(qū)域加入暗支撐，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行剪力墻建模，綜合評(píng)價(jià)帶暗支撐單面疊合板式剪力墻的抗震性能.

1 模型概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

為研究帶暗支撐單面疊合板式剪力墻的抗震性能，建立10個(gè)模型，DHB-1到DHB-5為不帶暗支撐單面疊合剪力墻(以下簡(jiǎn)稱不帶暗支撐剪力墻)，DHGB-1到DHGB-5為帶暗支撐拼縫單面疊合剪力墻(以下簡(jiǎn)稱帶暗支撐剪力墻).選用試件DHB-1與文獻(xiàn)[8]中DW-1試件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，設(shè)計(jì)軸壓比與混凝土強(qiáng)度如表1所示.

表1 試件設(shè)計(jì)軸壓比和混凝土強(qiáng)度

1.2 模型參數(shù)

剪力墻試件由基座、疊合墻板、頂梁3部分組成.試件尺寸為2 000 mm×2 800 mm×280 mm(寬×高×厚)，由2片990 mm×2 800 mm×280 mm(寬×高×厚)的單面疊合式剪力墻水平拼接而成，拼縫寬度為10 mm；試件拼縫處設(shè)置暗柱，用來連接2片預(yù)制墻板，F(xiàn)RP連接件貫穿內(nèi)葉板、后澆混凝土、保溫層和外葉板形成有效拉接，連接件在墻板內(nèi)均勻布置間距為400 mm，如圖1所示.根據(jù)汪夢(mèng)甫等[9]提出在塑性鉸區(qū)域設(shè)置暗支撐，在格構(gòu)鋼筋上預(yù)留出暗支撐通過的通道，并將暗支撐鋼板設(shè)置在現(xiàn)澆層，并確定塑性鉸范圍為

Lp=(02～0.5)h0，

式中：Lp為塑性鉸范圍；h0為剪力墻高度.

故Lp取560～1400 mm并考慮暗支撐角度50°，故設(shè)置暗支撐高度為1400 mm，如圖2所示.

(a) 幾何尺寸

(b) 配筋圖1 試件幾何尺寸及配筋(單位：mm)

圖2 鋼板尺寸(單位：mm)

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中試驗(yàn)測(cè)得的混凝土和鋼筋主要材料力學(xué)性能如表2～3所示.混凝土強(qiáng)度采用C30，暗支撐鋼板選擇Q235鋼，鋼筋采用HRB400鋼筋.

表2 混凝土材料力學(xué)性能

表3 鋼筋材料力學(xué)性能

2 有限元模擬

使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模,采用分離式的建模方式能夠較精準(zhǔn)地模擬鋼混結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,對(duì)模型尺寸、試件的邊界條件、鋼筋與混凝土的材料性能參數(shù)以及加載制度等均按照實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置,從而減小其他因素產(chǎn)生的結(jié)果誤差.

2.1 混凝土塑性損傷本構(gòu)模型的建立

混凝土本構(gòu)模型參數(shù)的選取對(duì)分析結(jié)果有重大影響，混凝土本構(gòu)模型選用ABAQUS有限元軟件中提供的混凝土塑性損傷模型，并采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]附錄2中推薦的混凝土受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2.2 損傷因子的確定

混凝土在非線性階段，由于混凝土開裂或者受損從而導(dǎo)致其力學(xué)性能與彈性階段相比有所退化.現(xiàn)有損傷因子確定方法主要有：高斯積分求解的經(jīng)典理論方法、張勁公式法、Sidoroff能量法.本文有限元分析采用Sidoroff能量法確定損傷因子[8]，即

(1)

式中：d為混凝土損傷因子；E0為混凝土原點(diǎn)切線模量；ε為應(yīng)變.

根據(jù)文獻(xiàn)[8]混凝土立方體試塊的材料性能進(jìn)行參數(shù)分析.膨脹角參數(shù)φ取30，偏心率參數(shù)取0.1，控制混凝土屈服面在π平面上的投影形狀參數(shù)Kc取0.667，混凝土雙軸受壓與單軸受壓極限強(qiáng)度比值fb0/fc0取1.16，粘性參數(shù)取0.05，混凝土塑性損傷參數(shù)按照上述公式進(jìn)行.

2.3 鋼筋本構(gòu)模型的建立

試驗(yàn)試件中采用HRB400鋼筋，泊松比取0.3，彈性模量取200 MPa.有限元分析中鋼筋本構(gòu)模型選取雙折線模型.彈性階段彈性模量Es按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]取200 kN/mm2，強(qiáng)化階段彈性模量取0.01Es[8].

2.4 模型建立分析步驟

1) 部件的創(chuàng)立.混凝土單元采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋單元采用T3D2桁架單元.

2) 截面屬性的確定.依據(jù)文獻(xiàn)[8]試件的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，計(jì)算得到鋼筋與混凝土本構(gòu)模型的有關(guān)參數(shù).

3) 定義裝配件.在裝配選項(xiàng)中為方便網(wǎng)格的劃分，提高網(wǎng)格質(zhì)量，均采用“非獨(dú)立”實(shí)體進(jìn)行裝配和均分切割處理.

4) 分析步設(shè)置.在“分析步”中分2步進(jìn)行加載，即第1步施加600 kN的豎向恒載集中力，第2步施加低周往復(fù)加載.

5) 創(chuàng)建相互作用.對(duì)于鋼筋采用內(nèi)置區(qū)域的約束方式，使其與混凝土形成整體.

6) 設(shè)置邊界條件及施加荷載.在“載荷”模塊對(duì)底梁底施加固定約束，對(duì)加載梁頂施加600 kN的豎向集中力，利用幅值函數(shù)對(duì)加載梁頂RP-1參考點(diǎn)施加低周往復(fù)加載.

7) 網(wǎng)格劃分.對(duì)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

2.5 有限元模擬結(jié)果分析

由DHB-1滯回曲線(見圖3)可知，有限元模擬DHB-1剪力墻峰值承載力為544.98 kN，與文獻(xiàn)[7]DW-1試件峰值承載力580 kN相比，誤差在7%之內(nèi).

圖3 DHB-1滯回曲線

DW-1裂縫分布與DHB-1塑性損傷對(duì)比如4所示，可以看出：有限元分析中受壓損傷云圖的破壞集中在墻趾處，并呈現(xiàn)X形破壞模式，與試驗(yàn)現(xiàn)象相符；承載力差值較小，模擬的墻肢受力性能較準(zhǔn)確，可用于進(jìn)行后續(xù)模擬分析.

(a) DHB-1塑性損傷

(b) DW-1裂縫圖4 DW-1裂縫分布與DHB-1塑性損傷對(duì)比

3 模擬結(jié)果分析

3.1 骨架曲線對(duì)比

帶與不帶暗支撐剪力墻骨架曲線對(duì)比如圖5所示，可以看出：帶暗支撐剪力墻試件與不帶暗支撐剪力墻骨架曲線均呈S形，且走勢(shì)基本一致；帶暗支撐剪力墻試件比不帶暗支撐剪力墻墻體極限承載力明顯提高，在初期帶暗支撐剪力墻試件剛度也更大，但帶暗支撐剪力墻試件骨架曲線下降段略平緩.

由圖5(b)和表4可知：在加載初期試件處于彈性階段，在試件開裂前，兩者骨架曲線幾乎保持一致，力和位移按比例增長(zhǎng)；試件開裂后，隨著軸壓比的增大，骨架曲線峰值承載力增大，說明當(dāng)軸壓比為0.1～0.3時(shí)，增大軸壓比可明顯提高構(gòu)件抗震承載能力，但骨架曲線的下降段略微變陡，延性降低.

(a) 不帶暗支撐

(b) 帶暗支撐圖5 帶與不帶暗支撐剪力墻骨架曲線對(duì)比

表4 不同軸壓比下試件的荷載值對(duì)比

3.2 剛度退化曲線對(duì)比

在低周反復(fù)加載的過程中，隨著加載次數(shù)逐漸增加，試件內(nèi)部損傷逐步積累，逐漸發(fā)展，試件的剛度隨著加載的增加而逐漸降低.剛度退化曲線可以取同一級(jí)加載幅值下的環(huán)比剛度來表示，如圖6所示.

由圖6可知：在相同軸壓比下，帶暗支撐剪力墻試件與不帶暗支撐剪力墻剛度退化曲線整體退化趨勢(shì)較為接近；加載初期，帶暗支撐剪力墻試件剛度略大，隨著不斷地往復(fù)加載，試件的變形及累積損傷不斷增大，試件的剛度不斷衰減，2條剛度退化曲線逐漸縮小差距，剛度逐步接近.而帶暗支撐剪力墻試件與不帶暗支撐剪力墻相比剛度稍大，且均隨著位移的增大逐步發(fā)生退化，沒有出現(xiàn)明顯突變.

(a) 不帶暗支撐

(b) 帶暗支撐圖6 帶與不帶暗支撐剪力墻剛度退化曲線對(duì)比

圖6(b)在軸壓比處于0.1～0.3時(shí)，帶暗支撐剪力墻試件在破壞前的相同位移下時(shí)，隨著軸壓比逐漸增大，剪力墻的剛度也逐漸增大，從而說明隨著軸壓比的增大，剪力墻抵抗變形的能力也越大.原因是豎向軸壓力的增大約束了混凝土裂縫的發(fā)展.在不同軸壓比下，帶暗支撐剪力墻的剛度退化趨勢(shì)大致相同，所有試件均隨著位移的增加而剛度減小.在試件屈服前，剪力墻的剛度退化速度均比較快.而在屈服后，剪力墻的剛度退化速度與之前相比相對(duì)緩慢，曲線更加趨于相同.

4 結(jié)論

1) 帶暗支撐剪力墻試件與不帶暗支撐剪力墻骨架曲線走勢(shì)基本一致；帶暗支撐剪力墻試件比不帶暗支撐剪力墻墻體極限承載力明顯提高，在骨架曲線上升階段更陡，剛度更大，但骨架曲線的下降段略平緩.

2) 當(dāng)軸壓比取0.1～0.3時(shí)，隨著軸壓比逐步增大，帶暗支撐剪力墻試件的承載能力也隨之增強(qiáng)，剛度逐漸增大，延性略微降低.

3) 通過對(duì)比分析結(jié)果可知，有限元模擬分析方法可靠，可為后續(xù)試驗(yàn)研究提供參考基礎(chǔ).