復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻數(shù)值模擬

王中強，謝 廉

（長沙理工大學土木工程學院 長沙 410114）

0 引言

預制剪力墻結構是將預制墻板或部分預制墻板通過安全穩(wěn)定的連接方式組裝而成的混凝土結構［1］。預制剪力墻結構具有抵抗水平荷載能力好、容易滿足承載力要求、建筑平面布局靈活等優(yōu)點，是我國預制混凝土高層住宅最常用的結構型式之一［2］。

預制剪力墻結構易在水平和豎向連接部位形成薄弱面，影響結構整體穩(wěn)定性能。因此眾多研究者對預制剪力墻結構節(jié)點部位的連接受力方式進行了大量的深入研究。錢稼茹等人［3?5］分別利用套筒注漿連接、漿錨搭設連接方式的裝配式剪力墻進行了對比試驗和研究，結果均顯示，套筒注漿連接、漿錨搭設連接均能夠合理有效的傳導鋼筋應力，預制剪力墻和現(xiàn)澆剪力墻的破壞形式、承載力、耗能性能和抗側剛度基本相同，具有可靠的抗震性能，但是在實際施工安裝過程中存在對安裝施工精度要求高、灌漿料驗收困難以及施工成本過高等問題。為了解決上述問題，余志武等人［6?9］對裝配式剪力墻采用環(huán)筋扣合錨接和齒槽連接形式進行了試驗研究，研究結果均顯示，采用環(huán)筋扣合錨接和齒槽連接的鋼筋能夠可靠有效的傳導鋼筋應力，預制墻體和現(xiàn)澆墻體的破壞形式均為壓彎破壞，預制墻體的抵抗變形能力略低于現(xiàn)澆墻體的抵抗變形能力，因為后澆混凝土難以密實，導致整體性能較差。墻體裂縫主要出現(xiàn)在預制墻體和后澆邊緣構件形成的新舊混凝土交界區(qū)域，且該交界區(qū)域易發(fā)生錯動。

利用有限元軟件ABAQUS 分別建立了9 個有限元模型，進行單向推覆荷載下的數(shù)值模擬分析，分析改變軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率和環(huán)筋扣合錨接長度對復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻的抗震性能的影響。

1 試件設計

復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻是由預制墻體、加載梁和地梁組成，其中預制墻體預留復合齒槽，兩側約束邊緣暗柱與復合齒槽區(qū)域現(xiàn)澆。本文設計了9 個模型，每個模型的尺寸均相同。預制墻體高

圖1 試件YZ1幾何尺寸及配筋Fig.1 Geometric Dimension and Reinforcement of Specimen YZ1 （mm）

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本構關系

⑴混凝土材料采用有限元軟件ABAQUS 中的塑性損傷CDP 模型，混凝土受拉損傷因子和受壓損傷因子可根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010—2010》［10］給出的混凝土材料本構關系建議公式進行確定，混凝土塑性損傷CDP模型相關系數(shù)取值如下：彈性模量ES=33 600 MPa，軸心抗壓強度標準值fck=43.1 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk=3.0 MPa，密度ρ=2 400 kg/m3，偏心率為0.1，泊松比為0.3，膨脹角為0.667，粘滯系數(shù)為0.05。

2.2 有限元模型的建立

⑴網(wǎng)格劃分及單元選取。混凝土單元采用8節(jié)點六面體線性減縮積分C3D8R單元，鋼筋則采用三維桁架單元T3D2 模型，地梁和加載梁劃分為剛體，網(wǎng)格按全局尺寸為50 mm×50 mm×50 mm 對墻體和鋼筋單元進行結構網(wǎng)格化劃分，為了加快模型運行效率，將加載梁和基礎梁的網(wǎng)格放大到200 mm×200 mm×200 mm。

⑵相互作用及約束。鋼筋通過Embedded 方式將所有鋼筋組成的鋼筋骨架嵌入整個模型中，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移。新舊混凝土結合面采用接觸關系進行模擬，切向接觸采用“基于界面的粘結行為”與“庫侖摩擦準則”的組合進行模擬，其中摩擦系數(shù)取0.5，法向受壓采用“硬接觸”進行模擬。

⑶加載形式和邊界條件。有限元模型的邊界條件選取地梁底面施加完全固定約束，邊界條件持續(xù)至分析結束。在加載梁頂部設置參考點RP1 并與頂面耦合形成耦合點，第一步在耦合點施加豎向集中荷載，第二步在耦合點施加單向推覆水平位移。最終建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 試件有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Specimen

3 有限元分析

3.1 混凝土損傷及應力應變分布

以YZ1 試件為基準模型，其混凝土應力云圖、混凝土壓縮損傷云圖及混凝土拉伸損傷云圖如圖3 所示?？梢缘弥?，復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻受壓損傷主要集中在預制墻體的中下部和邊緣構件的下部，復合齒槽、約束邊緣暗柱與預制墻體有明顯的分界面，這說明發(fā)生破壞主要是在預制墻體處。預制混凝土受拉損傷因子在約束邊緣暗柱區(qū)域近似水平發(fā)展，在預制墻體中按照一定的角度斜向發(fā)展，裂縫從墻體根部隨著位移的增大至極限位移逐漸向上延伸最終導致墻體破壞。

圖3 混凝土云圖Fig.3 Cloud Images of Concrete

3.2 有限元參數(shù)分析

本文主要研究軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率和環(huán)筋扣合錨接長度對復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻的受力性能的影響。有限元模型具體參數(shù)設置如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)設置Tab.1 Parameter Settings of Finite Element Model

3.2.1 軸壓比

在不同軸壓比下預制剪力墻的荷載?位移曲線如圖4 所示。可以得知，當水平位移增加至2.62 mm，為彈性階段，初始剛度相差不大值，水平位移增加至峰值位移時，軸壓比為0.08，0.12，0.16 和0.24 峰值荷載分別為339.884 kN，417.470 kN，475.242 kN，587.653 kN，極 限 承 載 力 分 別 提 升 了22.82%，13.82%，23.60%，達到峰值荷載后，軸壓比從0.08 增大至0.24，墻體抵抗變形能力越差，延性降低。

圖4 不同軸壓比下墻體的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement Curves of Walls under Different Axial Compression Ratios

3.2.2 約束邊緣暗柱配筋率

不同約束邊緣暗柱配筋率預制剪力墻荷載?位移曲線如圖5所示?？梢缘弥趶椥噪A段，改變約束邊緣暗柱配筋率下，對初始剛度的影響可以忽略不計，隨著位移增大至峰值位移時，約束邊緣暗柱配筋率增加，剛度和極限承載力也隨之明顯提高。但是在峰值位移后，在約束邊緣暗柱直徑為14 mm 的墻體，其剛度退化得最慢，在約束邊緣暗柱直徑為18 mm 的墻體，其剛度退化得最快，承載力下降得最快，結果表明，提高約束邊緣暗柱配筋率，墻體的極限承載力增大，但是，耗能能力先提高再降低。

圖5 不同約束邊緣暗柱配筋率墻體的荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement Curves of Walls with Different Reinforcement Ratios of Concealed Columns with Different Constraint Edges

3.2.3 環(huán)筋扣合錨接長度

不同環(huán)筋扣合錨接長度裝配式剪力墻荷載?位移曲線如圖6 所示。可以得知，在只改變環(huán)筋扣合錨接長度，其他因素不變的情況下，增加環(huán)筋扣合錨接長度能略微地提高墻體的極限承載力和延性。因此，復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻的抗震性能受環(huán)筋扣合錨接長度影響不大。

圖6 不同環(huán)筋扣合錨接長度墻體的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement Curve of Wall with Different Ring-stiffened Bolted Length

4 結語

通過改變軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率以及環(huán)筋扣合錨接三個參數(shù)研究復合齒槽環(huán)筋扣合錨接預制剪力墻的受力性能，得出以下結論：

⑴從軸壓比0.08 提升至0.24，墻體的峰值荷載也隨之提高，且提升幅度較明顯，但是在墻體剛度退化階段，軸壓比越大，剛度退化速率越快，延性降低。

⑵隨著約束邊緣暗柱配筋率的增加，墻體的極限承載力逐漸提高，但是墻體的延性隨著約束邊緣暗柱配筋率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

⑶隨著環(huán)筋扣合錨接長度的增加，墻體的極限承載力和延性略微有所提高，但是影響較小。

⑷墻體破壞主要發(fā)生在預制墻體的中下部，且裂縫在約束邊緣暗柱區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)水平發(fā)展，在預制墻體中按照一定角度呈斜向發(fā)展。