疊合板式剪力墻樓層節(jié)點平面外受力性能數(shù)值模擬分析

汪耀宇，盤洪玉 （長江精工鋼結(jié)構(gòu)（集團）股份有限公司，安徽 六安 237161）

0 引言

疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)是從德國引進適合建筑工業(yè)化的建筑結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系由位于外側(cè)通過桁架鋼筋相連的兩片預制鋼筋混凝土板以及位于內(nèi)部的現(xiàn)澆混凝土組成，墻體通過在后澆空腔中插入豎向鋼筋實現(xiàn)水平縫搭接連接[1]。與現(xiàn)澆剪力墻相比，疊合板式剪力墻使用模板少、集約化、裝配化程度高、施工速度快，與全預制剪力墻相比，其防水效果好、安裝精度高、結(jié)構(gòu)整體性強。

近年來，國內(nèi)外學者對疊合板式剪力墻抗震性能進行一系列研究，沈小璞[2]利用ABAQUS 有限元軟件對疊合板式剪力墻預制墻體與現(xiàn)澆墻體之間的摩擦滑移進行了有限元分析。結(jié)果表明，設(shè)置摩擦接觸與試驗結(jié)果更加符合，增大接觸可提高疊合剪力墻抗震性能。吳曦[3]展開了U 型鋼筋、螺旋箍筋、連接鋼板三種新型連接形式的預制疊合剪力墻和現(xiàn)澆剪力墻對比試件的低周反復荷載試驗并通過有限元分析，結(jié)果表明三種新型連接形式的預制疊合剪力墻的破壞形態(tài)與現(xiàn)澆剪力墻相同，但極限承載力略低。汪夢甫[4]完成了帶水平、豎向U型筋疊合剪力墻擬靜力試驗，結(jié)果表明，U型筋疊合剪力墻便于安裝、施工，但承載力略有下降，水平U 型筋可以提高墻體承載力。趙作周[5]對疊合剪力墻底部拼縫集中變形進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加25%以上的插筋塔接，可以有效防止拼縫集中變形；結(jié)構(gòu)實測承載力高出理論計算的1．04～1．09 倍。汪夢甫[6]對暗支撐自密實剪力墻和暗支撐疊合剪力墻進行了研究，研究表明，塑性鉸區(qū)設(shè)置暗支撐使得疊合剪力墻具有較好的抗震性能，間斷的格構(gòu)鋼筋對墻體整體性沒有影響。

1 模型標定

1.1 試件介紹

本文選取文獻[7]的試驗試件。試件由加載梁、疊合樓板和疊合板式剪力墻3 個部分組成，墻低至樓板下邊緣高度為1290mm，樓板上邊緣至加載梁底部高度為1400mm，水平接縫距樓板上表面高50mm，試件布置圖及試件混凝土強度如圖1、表1-表2所示。

圖1 剪力墻樓層節(jié)點設(shè)計圖（單位：mm）

表1 試件尺寸

表2 混凝土強度

1.2 模型介紹

模型采用有限元軟件ABAQUS 進行模擬，鋼筋采用雙折線模型，泊松比取0．3，混凝土采用混凝土塑性損傷型，材料強度均取文獻[7]中實測值。

鋼筋采用T3D2 桁架單元模擬，混凝土采用C3D8R 實體單元模擬，不考慮鋼筋與混凝土的滑移將鋼筋嵌入至混凝土中[8]。為更好的模擬試驗，未考慮試驗過程中內(nèi)、外葉新老混凝土面相對滑移，模擬時將預制墻板、現(xiàn)澆墻板、疊合樓板和現(xiàn)澆樓板通過“Tie”約束綁定成整體，為模擬試驗時的加載條件，頂梁頂面設(shè)置參考點施加耦合約束，實現(xiàn)軸壓比為0．1 的豎向軸力和水平單調(diào)擬靜力。剪力墻底部及樓板底部限制平動釋放轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鉸接約束。單元劃分如圖2 所示。

圖2 單元劃分圖

1.3 模型結(jié)果

試驗裂縫分布、有限元破壞模式如圖3 所示，圖中可以看出墻體裂縫主要分布在樓板與剪力墻連接節(jié)點核心區(qū)域，與試驗裂縫發(fā)展走勢相同。

圖3 試驗裂縫分布與有限元破壞結(jié)果對比

試驗骨架曲線、有限元模擬得到荷載-位移曲線如圖4 所示，峰值承載力對比結(jié)果如表3 所示。試驗測得峰值承載力與有限元模擬峰值承載力誤差在6%，有限元模擬曲線與試驗曲線較為吻合。對比試驗和有限元結(jié)果可以得出，兩者荷載-位移曲線總體變化趨勢基本一致，破壞模式相同，承載力差值較小，有限元模擬的墻板節(jié)點受力性能較準確，可以進行后續(xù)參數(shù)分析[9]。

表3 試驗峰值荷載與有限元模擬峰值對比

圖4 試驗墻樓層節(jié)點荷載-位移曲線與有限元曲線對比

2 參數(shù)分析

由1．3 節(jié)試件尺寸、配筋及參數(shù)考慮混凝土強度、邊緣構(gòu)造及軸壓比對疊合板式剪力墻樓層節(jié)點平面外受力性能的影響進行有限元分析。

2.1 軸壓比

以疊合板式剪力墻樓層節(jié)點模型DHB 各參數(shù)為不變量，設(shè)計軸壓比分別為0、0．2、0．3，研究疊合板式剪力墻樓層節(jié)點在不同軸壓比下受平面外荷載時的受力性能。圖5給出了軸壓比0～0．3時，疊合板試件的荷載-位移曲線。

圖5 不同軸壓比下試件的荷載-位移曲線

由圖5 可以看出，水平位移在20mm 以內(nèi)時曲線為直線，試件均處于彈性，說明軸壓比對疊合試件的初始抗側(cè)剛度影響不大。隨著軸壓比增大且位移越接近峰值位移，疊合試件的抗側(cè)剛度越大，但峰值位移差異不大；承載力下降速度明顯加快，節(jié)點試件脆性變強，變形能力變差。軸壓比由0 增加到0．1，試件峰值承載力提高1．86%；軸壓比由0．1增加到0．2，試件峰值承載力提高6．74%；軸壓比由0．2 增加到0．3，試件峰值承載力提高5．08%。

2.2 邊緣構(gòu)造

文獻[7]為研究疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻中間部分墻板節(jié)點，故在試件設(shè)計時未設(shè)計墻板節(jié)點邊緣構(gòu)造《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》（GB/T51231-2016）[10]規(guī)范中建議邊緣構(gòu)件應采用邊緣構(gòu)件。因此本節(jié)以DHB 為模型，混凝土強度為不變量，選取軸壓比為0．1 和0．3 兩種工況，建立了DHB1 和DHB2 兩種模型，研究邊緣構(gòu)造對疊合板式剪力墻墻板節(jié)點受力性能的影響。

圖6 可以看出，試件DHB1 與試件DHB2 峰值荷載前曲線基本重合。試件DHB2 的峰值荷載較試件DHB1 有所提高，而峰值荷載后，兩試件的曲線開始分離試件DHB2 均處于試件DHB1 的下方；加載結(jié)束后，試件的抗側(cè)剛度較小。分析認為，邊緣構(gòu)造的箍筋約束混凝土提高了疊合試件整體承載力；模型試件寬度僅有1000mm，增加邊緣構(gòu)造后三角桁架鋼筋減少一道，試件整體性減弱，延性變差；豎向力增大，節(jié)點試件整體趨于脆性，剛度較弱。

圖6 邊緣構(gòu)件荷載-位移曲線

2.3 混凝土強度

文獻[7]中疊合板式剪力墻樓層節(jié)點試件中墻板外葉均為C45 混凝土，墻板內(nèi)葉均為C40 混凝土，選取疊合板式剪力墻樓層節(jié)點為參照，分別改變墻體內(nèi)、外葉混凝土強度，模擬實際工程中疊合板式剪力墻樓層節(jié)點在平外荷載作用下混凝土強度對受力性能的影響?？紤]設(shè)計軸壓比為0．1，設(shè)置6 組墻體內(nèi)、葉不同混凝土強度組合，分別為墻體外葉C45、C40混凝土，墻體內(nèi)葉分別為C30、C35、C45。僅改變墻體內(nèi)、外葉混凝土強度，保持其他參數(shù)相同。

圖7 中45+40 為墻體外葉為C45 混凝土，墻體內(nèi)葉為C40 混凝土所對應的荷載-位移曲線，該曲線作為不同混凝土層分析的參考曲線，試件各曲線對應的峰值荷載如表3 所示。墻體外葉為C45 混凝土，墻體內(nèi)葉為C35 混凝土時，對應圖7 中曲線45+35，試件峰值承載力較45+40 近似；墻體外葉為C45 混凝土，墻體外葉為C30 時，對應圖中曲線45+30，試件峰值承載力較45+40 下降約為6．22%；當墻體外葉混凝土強度低于參照強度一個等級為C40，墻體內(nèi)葉為C40時，對應曲線為40+40，試件峰值承載力與45+40 近似，當墻體內(nèi)葉混凝土強度下降至C35、C30 時，試件承載力下降約為8．58%、12．81%。

圖7 不同混凝土強度荷載-位移曲線

表4 不同混凝土強度下試件峰值承載力

3 結(jié)語

本文考慮疊合板式剪力墻樓層節(jié)點內(nèi)、外葉混凝土強度不同，結(jié)合實際工程對疊合板剪力墻樓層節(jié)點進行有限元數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

①軸壓比的增大，疊合板式剪力墻墻板節(jié)點峰值承載力顯著增大，對峰值位移影響較小，但峰值承載力下降速度顯著加快，降低試件變形能力，因此在實際工程中需合理控制疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)最大軸壓比，以保證墻板節(jié)點具有良好延性及變形能力；

②邊緣構(gòu)件約束混凝土，提高了疊合式剪力墻墻板節(jié)點承載力變形能力及結(jié)構(gòu)整體的預制率，實際工程中疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)應設(shè)置邊緣構(gòu)造；

③墻體節(jié)點試件的抗彎性能隨著混凝土強度的降低而降低，對比設(shè)計軸壓比0．1 時，節(jié)點抗彎性能軸壓比0．3 時受混凝土強度降低影響更顯著。