疊合板式剪力墻結構水平拼縫處搭接鋼筋受力傳遞有限元分析

潘尚杰

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引言

傳統建筑行業不斷升級， 住宅產業化和工業化大勢所趨。 疊合板式混凝土剪力墻結構體系設計簡單，施工方便快捷且對環境影響較小，得到國家和地方大力支持。 該結構是由疊合墻板和其他預制混凝土構件通過可靠的連接方式進行連接并與現場后澆混凝土形成整體的裝配式混凝土剪力墻結構。 針對疊合板式剪力墻水平拼縫處兩種不同的構造措施方式，結合同等條件下全現澆構件，利用有限元軟件ABAQUS 建立模型并分析其在單向加載情況下混凝土和鋼筋的應力應變和受力傳遞情況。

1 本構關系

本模型受疊合面摩擦機制影響，通過對試驗數據的分析和歸納， 在ABAQUS 軟件中對各材料參數的設置來近似模擬構件在加載過程中的工作性能和破壞形態［1］。

1.1 混凝土本構

對于不同的模型，本構關系的選擇將直接影響數據和結果的準確性。為了將理論模型與實際模型相對應，結合《混凝土結構設計規范》（GB50011—2010），提出了分析模型應力-應變關系具體參數的設置情況。

ABAQUS 軟件中存在彌散裂縫模型和塑性損傷兩種混凝土本構模型。疊合板式剪力墻板混凝土本構關系選用塑性損傷模型[2]（圖1）。

圖1 混凝土本構模型

1.2 損傷因子

根據實際情況，引入損傷因子的概念，通過損傷因子來描述卸載時材料剛度退化等現象。具體按式（1）求得損傷因子數值：

式中：t，c 分別代表拉伸和壓縮損傷因子； β 為塑性應變與非彈性應變的比例系數，受壓時取0.35～0.7，受拉時取 0.5～0.95；E0為混凝土彈性模量； α 為混凝土單軸受拉或受壓應力-應變曲線下降段的參數值；εin為混凝土拉壓下的非彈性階段應變[3]。

1.3 鋼筋本構

剪力墻中的鋼筋本構模型關系采用雙折線應力—應變曲線，參照我國現行《混凝土結構設計規范》（GB50011—2010）附錄C 中鋼筋本構關系與準則進行數值模擬。

1.4 材料性能參數

構件中混凝土和鋼筋的材料性能參數見表1、2。

表1 混凝土材料參數

表2 鋼筋材料參數

2 模型參數

根據水平拼縫處搭接鋼筋的不同構造措施，選取單排插筋和雙排插筋方式，具體操作見圖2。

圖2 水平拼縫鋼筋搭接方式

本模型由預制層、 現澆層和搭接鋼筋組成，根據不同插筋方式與搭接鋼筋的直徑， 確定截面為200 mm×200 mm×648 mm 的雙排構件與截面為200 mm×200 mm×864 mm 的單排構件，兩側預制墻板混凝土層厚50 mm，中間夾芯混凝土層厚100 mm，構件兩端鋼筋伸出300 mm。構件尺寸如圖3 所示，圖3 中，G-1 為預制單排構件，G-2 為預制雙排構件，G-3 與G-4 為與之對應的全現澆構件。

圖3 構件尺寸

3 有限元結果分析

3.1 加載制度

此構件采用ABAQUS 模擬動力學分析方式，加載制度為單向加載， 構件下端兩條縱向鋼筋固定，上端搭接鋼筋采用向上位移加載，預加載至搭接鋼筋斷裂。 經計算分析，擬定向上加載100 mm。

3.2 鋼筋破壞形態及應力分析

有限元分析結果和構件縱截面中搭接鋼筋受拉破壞形態及其受力情況見圖4。 由圖4 可以看出，受垂直向上力的影響，加載初期試件加載端鋼筋應力急速增大，下端鋼筋受反作用力應力同時增大，隨著位移增大，兩端鋼筋向混凝土中傳力，混凝土中鋼筋應力向中間傳遞。 由于鋼筋搭接較長，鋼筋與混凝土之間的握裹力遠大于鋼筋所能承受的極限拉應力，所以鋼筋不會被拔出。 最終，隨著加載位移的不斷增大，4 組構件上部搭接鋼筋都在距頂端10 cm 左右被拉斷。

圖4 有限元分析鋼筋受拉破壞形態

鋼筋位移荷載曲線見圖5， 由圖5 可知，4 組構件在位移加載初期，其上部搭接鋼筋應力增長迅速，并很快到達鋼筋的屈服點， 鋼筋進入強化階段，并隨著位移增大，鋼筋逐漸達到極限強度，最終拉斷。構件主要特征參數如表3 所示。 由表3 可知，構件中鋼筋的屈服點和受拉破壞時的極限點與鋼筋自身材料屬性有關，鋼筋本身直徑越大，屈服點越高，而預制構件中鋼筋破壞時的位移要稍大于現澆構件。

表3 鋼筋破壞時主要參數

圖5 鋼筋荷載位移曲線

3.3 混凝土破壞形態及應力分析

構件縱截面混凝土有限元分析結果如圖6 所示。 由于帶肋鋼筋與混凝土之間存在鋼筋與混凝土接觸面上的膠結力， 混凝土收縮握裹鋼筋產生的摩阻力以及帶肋鋼筋嵌入混凝土產生的機械咬合力，當兩端鋼筋受拉時，混凝土內部發生受壓破壞。混凝土發生破壞部位位于混凝土與鋼筋的接觸面， 并主要集中在兩端鋼筋超出混凝土的位置， 混凝土應力隨鋼筋應力的傳遞同時向混凝土中部傳遞。 因為帶肋鋼筋與混凝土接觸面凹凸不平， 混凝土應力隨之波動。雙排插筋方式混凝土受力較為集中，上部搭接鋼筋與混凝土內部接觸3 cm 處混凝土所受應力變化如圖7 所示，兩組預制構件在相同位置上混凝土所受應力峰值略大于現澆構件，受鋼筋直徑大小影響，鋼筋所受應力會隨之改變，從而決定混凝土所受應力大小。

圖6 有限元分析混凝土受壓破壞形態

圖7 混凝土中某點應力變化

4 結論

（1）四組構件搭接鋼筋都發生受拉破壞，受拉破壞的位置大致相同，其位移荷載曲線走勢基本相同，但屈服點和受拉破壞時所受的極限拉應力取決于鋼筋自身屬性，與鋼筋強度、直徑有關。

（2）預制構件中現澆部分受力會隨搭接鋼筋受力方向發生細微移動，而由于預制部分與現澆部分粘結性能良好，摩擦阻力較大，使得現澆部分只發生細小位移。

（3）混凝土內部發生受壓破壞，破壞位置主要集中在鋼筋超出混凝土部位，并隨著鋼筋在混凝土內部延伸，破壞在鋼筋與混凝土接觸面傳遞，現澆構件整體性略好于預制構件，雙排插筋方式性能稍大于單排插筋方式。