預(yù)制墻體鋼板抗剪鍵連接數(shù)值模擬研究

吳 輝

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)研究院有限公司吸取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)提出了一種新型的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，即型鋼—混凝土組合裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是水平和豎縫連接都通過鋼構(gòu)件進(jìn)行連接。

本文主要針對(duì)型鋼—混凝土組合裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中豎縫和水平連接縫的抗剪鍵進(jìn)行數(shù)值分析研究。共制作了5個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停肁BAQUS軟件建模分析，并與試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)概況和結(jié)果

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)5個(gè)試件的編號(hào)為:JD-1～JD-5。試件主要由預(yù)制上下墻板、鋼板抗剪鍵及位于底部的預(yù)制基礎(chǔ)梁組成。5個(gè)試件的預(yù)制部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)比

圖4 試件配筋圖

1.2 試驗(yàn)破壞形態(tài)

破壞的過程詳述如下:

試件JD-1的軸拉力為50 kN，當(dāng)水平力達(dá)到70 kN時(shí)，鋼板進(jìn)入屈服狀態(tài);當(dāng)位移加至約0.25 mm時(shí)，正反混凝土兩個(gè)面均出現(xiàn)豎向裂縫開展，有豁口側(cè)較短，反面較長(zhǎng);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(shí)，背面有裂縫出現(xiàn);加載至110 kN時(shí)，背面構(gòu)件上部裂縫有所開展;加載至120 kN時(shí)，開口方向裂縫寬度有所增加;當(dāng)荷載向130 kN趨近時(shí)，連接構(gòu)件進(jìn)入屈服狀態(tài)。作動(dòng)器外側(cè)混凝土約5 cm處出現(xiàn)縱深開裂，但僅一角部開裂，同時(shí)對(duì)角處也出現(xiàn)開裂，裂縫寬度約2 mm，初步判斷為扭轉(zhuǎn)變形前兆。

試件JD-3軸力為0，當(dāng)位移為0.8 mm時(shí)，出現(xiàn)第一條裂縫，裂縫出現(xiàn)在抗剪鍵正下方;位移達(dá)到2.4 mm時(shí)，在抗剪鍵角部的下墻板處出現(xiàn)裂縫;位移達(dá)到3 mm時(shí)，東側(cè)出現(xiàn)裂縫;在4.5 mm～0 mm的過程中，上、下墻板突然出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，下墻板東側(cè)混凝土脫開。

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

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

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

選用ABAQUS對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行建模分析，其中墻體和連接抗剪鍵用實(shí)體單元建模，鋼筋網(wǎng)用桁架單元建模。混凝土墻片和連接型鋼采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分C3D8R單元，鋼筋采用三維桁架T3D2單元。

2.2 本構(gòu)關(guān)系

混凝土本構(gòu)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(dòng)強(qiáng)化模型，采用Mises屈服準(zhǔn)則。

2.3 有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用ABAQUS數(shù)值模擬時(shí)加載點(diǎn)、加載方式與試驗(yàn)一致。試驗(yàn)件數(shù)值模擬和試驗(yàn)所得骨架曲線分別如圖5a)～圖5e)所示，實(shí)線表示試驗(yàn)結(jié)果，虛線表示數(shù)值模擬結(jié)果。

圖5 JD-1～JD-5試驗(yàn)與數(shù)值分析骨架曲線對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表明:

1)受拉狀態(tài)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)抗剪鍵受拉的情況，或按設(shè)防烈度地震作用驗(yàn)算抗剪鍵的抗剪承載力。

2)零軸力狀態(tài)及受壓狀態(tài)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(yàn)的抗震性能，并與試驗(yàn)吻合較好，對(duì)運(yùn)用于型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中有一定參考價(jià)值。

［1］鄭 海.預(yù)制預(yù)應(yīng)力剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究與ABAQUS分析［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

［2］蔡柳鶴.型鋼—混凝土裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)抗震性能研究［D］.北京：北京建筑工程學(xué)院學(xué)位論文，2012.

［3］戴 航，陳 貴.反復(fù)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(xué)，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(xué)分析［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［5］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.