灌漿套筒連接新型RC裝配式剪力墻有限元分析

王遠(yuǎn)哲，黃炎生，周 宇

（1、廣東省第四建筑工程有限公司 廣州 510100；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641）

0 引言

鋼筋連接技術(shù)與拼縫處連接構(gòu)造形式是保證裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)整體性和良好抗震性能的關(guān)鍵［1-2］。鋼筋的套筒灌漿連接具有受力明確、變形性能好、方便施工及可靠性高等特點［3］，在工程實際中獲得廣泛使用，也是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。

目前預(yù)制剪力墻采用灌漿套筒連接存在兩大痛點：⑴水平拼縫豎向鋼筋全部連接（雙排布置套筒），成本高且施工工作量大［3-4］；⑵邊緣構(gòu)件豎向鋼筋采用套筒連接，套筒與混凝土之間變形不協(xié)調(diào)，混凝土過早壓碎，導(dǎo)致角部約束不足，影響抗震性能［5-7］。針對以上痛點，本文提出一種采用灌漿套筒連接裝配式剪力墻的新型組合構(gòu)造形式，即水平拼縫采用梅花型布置套筒灌漿連接，豎向拼縫采用現(xiàn)澆U 型套箍連接。該形式與傳統(tǒng)的單排、雙排布置灌漿套筒不同，簡化了墻體構(gòu)造，降低了造價；與上部墻體全部預(yù)制不同，邊緣構(gòu)件采用現(xiàn)澆，縱筋采用搭接連接，避免套筒連接時混凝土過早壓碎；豎向拼縫處采用U 型套箍與中間墻體相連，使U 型套箍的效用最大化，既充當(dāng)邊緣約束箍筋，又伸入墻體參與抗剪，提高了墻體整體性。

課題組對這種梅花型布置裝配式剪力墻進(jìn)行低周往復(fù)試驗，試驗結(jié)果表明采用這種構(gòu)造形式剪力墻抗震性能良好，可以達(dá)到預(yù)期效果，本文進(jìn)一步使用ABAQUS 軟件研究界面摩擦、剪跨比、軸壓比等參數(shù)對其抗震性能及滑移變形的影響。

1 有限元模型

1.1 試件構(gòu)造

圖1 試件截面與施工工藝Fig.1 Section of Specimen and Construction Technology（mm）

圖2 拼縫處套筒梅花型布置圖Fig.2 Layout of Sleeve Quincunx at Butt Joint（mm）

1.2 材料本構(gòu)及單元選取

混凝土與鋼筋實測數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。模擬試件混凝土調(diào)用ABAQUS 自帶的CDP 模型?？紤]到邊緣構(gòu)件U 形套箍與墻體500 mm 高度的混凝土加強(qiáng)約束區(qū)，混凝土受壓本構(gòu)采用Mander 模型，側(cè)向約束與提高系數(shù)對應(yīng)關(guān)系［8-9］如圖3 所示；受拉本構(gòu)選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》［10］中的單軸受拉本構(gòu)。鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙線性模型，屈服強(qiáng)度取實測平均值。混凝土與鋼筋分別選取C3DR8單元、T3D2單元。

圖3 側(cè)向約束應(yīng)力與提高系數(shù)對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding Relationship between Lateral Restraint Stress and Improvement Coefficient

表1 混凝土強(qiáng)度實測值Tab.1 Measured Strength of Concrete

表2 鋼筋強(qiáng)度實測值Tab.2 Measured Strength of Reinforcements

1.3 接觸面模擬

預(yù)制模型試件中包含四種接觸界面：①混凝土與鋼筋之間的接觸；②灌漿套筒節(jié)點連接處多種材料接觸；③水平拼縫處混凝土面接觸；④豎向拼縫處混凝土面接觸。針對①，通過“Embeded”功能將鋼筋嵌入混凝土中。針對②，根據(jù)本次同養(yǎng)套筒連接節(jié)點單軸抗拉試驗破壞形式均為外部鋼筋拉斷，證明節(jié)點連接可靠，故用等截面鋼材代替套筒連接段，鋼材強(qiáng)度以節(jié)點試驗實測強(qiáng)度為準(zhǔn)。針對③、④，混凝土界面設(shè)置面面接觸，分別定義法向與切向力學(xué)行為，法向設(shè)置為硬接觸，切向采用Coulomb Friction 模型，模擬混凝土拼縫的張合與滑動，摩擦系數(shù)詳見后續(xù)參數(shù)分析確定。

1.4 邊界條件與加載步驟

通過液壓千斤頂與螺栓將地梁固定于試驗臺上。豎向MTS液壓機(jī)提供軸向壓力，水平MTS液壓機(jī)提供水平推力，壓力與推力通過加載梁二次分配于墻體。因此，設(shè)置有限元邊界條件時，采用“Encastre”功能約束地梁所有自由度；在加載梁頂面與側(cè)面中心分別建立兩個參考點，參考點與加載面耦合連接，對參考點分別施加軸向壓力與水平推力，實現(xiàn)加載。剪力墻通過兩個分析步加載，Step1對模型施加軸向壓力，并恒定不變；Step2對模型施加水平推力，通過與試驗位移角相同控制加載。試驗試件與有限元模型加載如圖4所示。

圖4 試驗試件與有限元模型加載Fig.4 Loading of Test Specimen and Finite Element Model

2 數(shù)值模擬與對比分析

骨架曲線能全面體現(xiàn)剪力墻構(gòu)件在各階段承載力、剛度等受力特性。以SW2 試件為例，試驗與有限元模擬骨架曲線對比如圖5所示。

圖5 試驗與模擬骨架曲線對比Fig.5 Comparison between Test and Simulated Hysteretic curve

由圖5 可見，試件SW2 試驗與模擬兩種骨架曲線整體擬合度較高。加載前期，模擬初始剛度略高于試驗值，整體形狀大致相同；兩者峰值承載力平均值相差在0.24%以內(nèi)，與文獻(xiàn)［10-11］計算承載力相差-3.63%；加載后期，單推加載的有限元模擬相對往復(fù)試驗損傷更小，未呈現(xiàn)出較長下降段，但誤差也在10%范圍內(nèi)。其他構(gòu)件試驗與模擬結(jié)果同樣吻合，證明此模型能較好模擬該類預(yù)制剪力墻。

3 參數(shù)分析

3.1 庫倫摩擦系數(shù)μ

以試件SW2 為基本模型，改變庫倫摩擦系數(shù)μ，探究該參數(shù)對剪力墻承載力及水平拼縫相對滑移的影響。研究表明，摩擦系數(shù)取0.7，界面摩擦力足夠，繼續(xù)增大摩擦系數(shù)，試件承載力基本穩(wěn)定不變，且骨架曲線重合。

摩擦系數(shù)變化對SW2 滑移的影響如圖6 所示，由圖可知，摩擦系數(shù)取0.80，水平相對滑移與真實滑移曲線最為接近，模擬效果最好；水平相對滑移隨摩擦系數(shù)增大而減小，且減小速率逐漸下降；摩擦系數(shù)每增大0.1，滑移量減少約11.6%～33.1%。

圖6 摩擦系數(shù)變化對水平相對滑移的影響Fig.6 Influence of Friction Coefficient Variation on Horizontal Slip

3.2 剪跨比λ

保持軸壓比及其他參數(shù)不變，設(shè)置剪跨比1.0～2.1的四個有限元模型，研究剪跨比對該類剪力墻破壞形態(tài)、承載力及水平相對滑移的影響。

當(dāng)加載位移角為1/50時，1.0～1.7剪跨比模型的混凝土PEEQ與鋼筋應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，邊緣構(gòu)件底部受拉、受壓鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土損傷最大，皆呈現(xiàn)受彎破壞特征；隨著剪跨比增大，由彎剪破壞向受彎破壞轉(zhuǎn)變；靠近受壓側(cè)邊緣構(gòu)件兩個套筒高度范圍內(nèi)混凝土損傷嚴(yán)重，這是由于灌漿套筒剛度過大，對混凝土局部擠壓造成。

圖7 不同剪跨比模型的混凝土PEEQ與鋼筋應(yīng)力云圖Fig.7 Concrete PEEQ and Reinforcement of Different Shear Span Ratio Models Stress Nephogram

不同剪跨比下剪力墻模型的承載力及水平滑移如圖8 所示。由圖8?、圖8?可知，與剪跨比1.0 相比，1.4、1.7、2.1 剪跨比剪力墻峰值承載力分別減少16.2%、24.4%、38.2%，表明剪跨比增大，剪力墻承載力明顯降低，初始剛度也顯著降低。圖8?、圖8?可見：高剪跨比（λ=1.7、2.1）比低剪跨比（λ=1.0、1.4）剪力墻水平相對滑移量少；從滑移變形占比上看，剪跨比從1.0 提升至2.1，滑移變形占比從9.0%降至1.5%，表明增大剪跨比可顯著降低滑移變形及其占比。

圖8 剪跨比變化對裝配式剪力墻承載力及滑移的影響Fig.8 Influence of Shear Span Ratio on Bearing Capacity and Slip of Precast shear wall

3.3 軸壓比n

在不同設(shè)計軸壓比下對SW2模型進(jìn)行加載，骨架曲線及水平相對滑移變化如圖9所示。

圖9 軸壓比變化對裝配式剪力墻承載力及滑移的影響Fig.9 Influence of Axial Compression Ratio on Bearing Capacity and Slip of Precast Shear Wall

由圖9?、圖9?可知，隨著軸壓比增大，剪力墻峰值承載力顯著提高，強(qiáng)度退化加快。軸壓比由0.26 增至0.86，峰值承載力提升幅度分別為18.1%、30.9%、40.5%。圖9?、圖9?可見：隨著軸壓比從0.26 增至0.86，滑移變形占比從8.1%降至0.79%，水平相對滑移量從2.65 mm 降至0.25 mm，表明隨軸壓比增大，剪力墻水平相對滑移及其變形占比顯著降低。

4 結(jié)論

在已驗證的有限元模型的基礎(chǔ)上，改變摩擦系數(shù)、剪跨比、軸壓比等參數(shù)，研究不同參數(shù)對梅花型布置灌漿套筒裝配式剪力墻抗震性能及滑移變形的影響，得到如下結(jié)論：

⑴剪跨比參數(shù)范圍在1.0～2.1 之間，構(gòu)件由彎剪破壞轉(zhuǎn)為受彎破壞。受壓側(cè)套筒高度范圍內(nèi)混凝土易損傷，實際工程運用中要采取構(gòu)造加強(qiáng)措施。

⑵界面摩擦力足夠時，摩擦系數(shù)改變，試件承載力保持穩(wěn)定，且骨架曲線重合；試件承載力隨著剪跨比增大而顯著降低，隨著軸壓比增大而顯著增大。

⑶試件水平相對滑移及其占剪力墻總變形比重隨摩擦系數(shù)增大而降低，但下降速度逐漸減緩；隨剪跨比、軸壓比增大而顯著降低。