預制墻體鋼板抗剪鍵連接數值模擬研究

吳 輝

(北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044)

0 引言

預制剪力墻結構的抗震性能主要取決于水平連接和豎縫連接，北京市建筑設計研究院有限公司吸取國內外經驗提出了一種新型的預制裝配式結構，即型鋼—混凝土組合裝配式剪力墻結構，它的特點是水平和豎縫連接都通過鋼構件進行連接。

本文主要針對型鋼—混凝土組合裝配式剪力墻結構中豎縫和水平連接縫的抗剪鍵進行數值分析研究。共制作了5個試驗模型，用ABAQUS軟件建模分析，并與試驗得出的數據進行對比。

1 試驗概況和結果

1.1 試驗概況

本試驗5個試件的編號為:JD-1～JD-5。試件主要由預制上下墻板、鋼板抗剪鍵及位于底部的預制基礎梁組成。5個試件的預制部分混凝土強度等級均為C30，配筋均相同。立面圖如圖1所示。抗剪鍵分成兩部分，焊接鋼材采用Q235B，抗剪鍵的具體做法如圖2所示。其中，JD-1和JD-2的抗剪鍵有直徑25 mm的開洞，具體見圖3a)，圖3b)。墻體的具體配筋圖如圖4所示。

圖1 試件立面圖

圖2 抗剪鍵的具體做法

圖3 JD-1～JD-5的抗剪鍵對比

圖4 試件配筋圖

1.2 試驗破壞形態

破壞的過程詳述如下:

試件JD-1的軸拉力為50 kN，當水平力達到70 kN時，鋼板進入屈服狀態;當位移加至約0.25 mm時，正反混凝土兩個面均出現豎向裂縫開展，有豁口側較短，反面較長;加載到0.5 mm～1 mm間，鋼板下面左右端部焊縫開裂。

試件JD-2軸拉力為20 kN，加載至90 kN時，背面有裂縫出現;加載至110 kN時，背面構件上部裂縫有所開展;加載至120 kN時，開口方向裂縫寬度有所增加;當荷載向130 kN趨近時，連接構件進入屈服狀態。作動器外側混凝土約5 cm處出現縱深開裂，但僅一角部開裂，同時對角處也出現開裂，裂縫寬度約2 mm，初步判斷為扭轉變形前兆。

試件JD-3軸力為0，當位移為0.8 mm時，出現第一條裂縫，裂縫出現在抗剪鍵正下方;位移達到2.4 mm時，在抗剪鍵角部的下墻板處出現裂縫;位移達到3 mm時，東側出現裂縫;在4.5 mm～0 mm的過程中，上、下墻板突然出現扭轉現象，下墻板東側混凝土脫開。

試件JD-4軸壓力400 kN，水平作用力加至160 kN時，上片墻的背立面抗剪鍵處出現第一條裂縫;當水平位移值達到1.8 mm時，背面抗剪鍵處破壞面周邊出現裂縫;水平位移值達到3 mm時，抗剪鍵的下部端焊縫出現撕裂;位移到5 mm時，抗剪鍵的下部端焊縫全長剪斷。

試件JD-5軸壓力800 kN，當位移為6 mm時，正面下墻板左側出現斜裂縫;位移值為9 mm時，抗剪鍵處混凝土開裂，焊縫端部開始開裂;位移值為12 mm時，上、下墻板接合縫處混凝土剝落;當位移值為14 mm時，下層墻板壓潰，此時抗剪鍵并沒有剪壞。

2 數值模擬

2.1 有限元模型

選用ABAQUS對試驗件進行建模分析，其中墻體和連接抗剪鍵用實體單元建模，鋼筋網用桁架單元建模。混凝土墻片和連接型鋼采用8節點減縮積分C3D8R單元，鋼筋采用三維桁架T3D2單元。

2.2 本構關系

混凝土本構選用Concrete Damaged Plasiticity模型，該模型考慮了混凝土的損傷。鋼材采用雙線性隨動強化模型，采用Mises屈服準則。

2.3 有限元分析與實驗結果對比

采用ABAQUS數值模擬時加載點、加載方式與試驗一致。試驗件數值模擬和試驗所得骨架曲線分別如圖5a)～圖5e)所示，實線表示試驗結果，虛線表示數值模擬結果。

圖5 JD-1～JD-5試驗與數值分析骨架曲線對比

3 結語

試驗結果和數值模擬結果對比表明:

1)受拉狀態下，該類型抗剪鍵具有較高的抗剪承載能力，但變形能力較差;建議在設計時，應避免出現抗剪鍵受拉的情況，或按設防烈度地震作用驗算抗剪鍵的抗剪承載力。

2)零軸力狀態及受壓狀態下，該類型抗剪鍵具有較高的抗剪承載能力，且具有一定的變形能力、耗能能力和延性。

3)建立的非線性分析能在一定程度上反映試驗的抗震性能，并與試驗吻合較好，對運用于型鋼混凝土剪力墻結構中有一定參考價值。

［1］鄭 海.預制預應力剪力墻抗震性能試驗研究與ABAQUS分析［D］.濟南：山東建筑大學碩士學位論文，2011.

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［3］戴 航，陳 貴.反復荷載下鋼筋混凝土剪力墻的非線性有限元分析［J］.工程力學，1993，10(1)：105-111.

［4］陸新征，葉列平，繆志偉，等.建筑抗震彈塑性力學分析［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［5］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.