雙面疊合剪力墻葉板連接形式對(duì)構(gòu)件受力影響的分析

高 健 邵志兵 葉文啟

中天建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310008

隨著建筑工業(yè)化在中國(guó)的推進(jìn)，各類裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，其中裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅體系中得到廣泛應(yīng)用。

目前，裝配式剪力墻通常采用的連接方式包括：灌漿套筒連接[1]、漿錨連接[2]以及機(jī)械連接[3]。其連接節(jié)點(diǎn)是否可靠主要依賴工人操作的合規(guī)性。而疊合剪力墻則通過(guò)后澆混凝土和插筋將預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接成整體，且由于疊合剪力墻葉板之間存在空腔，故預(yù)制構(gòu)件的連接施工及吊裝都更為簡(jiǎn)便。

雙面疊合剪力墻多采用桁架鋼筋連接內(nèi)外葉板及后澆混凝土，桁架筋的上、下弦也可作為葉板內(nèi)受力筋。近年，三一筑工自主研發(fā)的SPCS體系中，也包含雙面疊合剪力墻構(gòu)件。與常規(guī)雙面疊合剪力墻的不同點(diǎn)之一就在于SPCS疊合剪力墻內(nèi)外葉板采用由豎向鋼筋＋拉筋形成的整體鋼筋籠來(lái)拉結(jié)。

本文采用通用有限元軟件Abaqus，建立桁架筋和鋼筋籠連接的疊合剪力墻有限元模型，對(duì)比分析不同拉筋形式對(duì)疊合剪力墻受力的影響，形成結(jié)論。

1 有限元模型

1.1 模型介紹

模型中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用C 3 0，鋼筋選用HRB400。選取某項(xiàng)目SPCS樣板樓的一片預(yù)制內(nèi)剪力墻作為模型SW1。墻板高度、寬度、厚度分別為2 750、2 000、200 mm，沿厚度方向依次為50 mm外葉板、100 mm空腔、50 mm內(nèi)葉板。剪力墻兩端均設(shè)400 mm×200 mm邊緣構(gòu)件，墻體受力縱筋及水平筋均按間距200 mm分布，邊緣構(gòu)件水平筋加密按100 mm間距布置。所有水平筋與縱筋相交處布置1道拉筋，配筋圖如圖1（a）所示。

采用桁架筋拉結(jié)的模型SW2，尺寸和模型SW1相同，邊緣構(gòu)件不變，2片葉板通過(guò)2道桁架鋼筋拉結(jié)，配筋圖如圖1（b）所示。

圖1 模型配筋

通過(guò)調(diào)整桁架筋上弦桿鋼筋截面，使2塊試件鋼筋量盡可能相近，關(guān)于拉筋部分的用鋼量統(tǒng)計(jì)如表1所示。SW1拉筋用鋼量比SW2多1%左右，可忽略。

表1 SW1及SW2拉筋用鋼量對(duì)比

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

選用彈性強(qiáng)化模型作為鋼筋本構(gòu)，屈服準(zhǔn)則為馮-米塞斯準(zhǔn)則，泊松比取0.31，鋼筋的彈性模量為2×105MPa，選用HRB400鋼筋，其屈服強(qiáng)度為360 MPa。應(yīng)力應(yīng)變曲線設(shè)定為兩段折線，屈服后折線的斜率為彈性模量的0.01[4]。混凝土本構(gòu)為Abaqus中內(nèi)置的塑性損傷模型，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]附錄C確定混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，初始線彈性模量取3×104MPa，泊松比取0.2，受壓塑性損傷因子與非彈性應(yīng)變的關(guān)系以及受拉塑性損傷因子與開(kāi)裂應(yīng)變的關(guān)系可參考文獻(xiàn)[6-8]。

1.3 有限元模型建立

有限元模型主要包括鋼筋、預(yù)制混凝土葉板、空腔后澆混凝土和加載鋼梁，分別獨(dú)立建模。鋼筋使用桁架單元T3D2，混凝土和加載鋼梁使用實(shí)體單元C3D8R。忽略鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移，默認(rèn)二者嵌固牢固，使用Embedded region將鋼筋籠、桁架筋、環(huán)形插筋等鋼筋嵌入混凝土。默認(rèn)加載梁、地面與構(gòu)件連接可靠，新舊混凝土結(jié)合良好，建模時(shí)加載梁與構(gòu)件頂部，新舊混凝土結(jié)合面使用Tie綁定，默認(rèn)兩者共同工作。混凝土網(wǎng)格大小為100 mm，鋼筋網(wǎng)格長(zhǎng)度為20 mm，剪力墻有限元模型如圖2所示。

圖2 剪力墻有限元模型

1.4 邊界條件設(shè)定和加載方式

模型中，剪力墻底部所有自由度被約束，從而模擬構(gòu)件與地面剛接。通過(guò)加載梁頂面施加面荷載，將軸壓力傳遞至下部剪力墻；通過(guò)在加載梁一側(cè)端部設(shè)置水平位移模擬剪力墻在地震下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。整體模型施加重力荷載。分別在軸壓比0.2及軸壓比0.3時(shí)加載[9]。初始加載位移幅值為7.5 mm（約構(gòu)件高度的1/400），每級(jí)幅值增加5 mm。

構(gòu)件上部連接加載梁，加載梁為鋼梁，通過(guò)施加平面內(nèi)低周往復(fù)位移對(duì)鋼梁加載，模擬SW1和SW2的受力過(guò)程。構(gòu)件底部通過(guò)豎向環(huán)形鋼筋與地面連接。

2 結(jié)果對(duì)比、分析

2.1 不同連接形式拉筋受力狀態(tài)

選取加載梁側(cè)向位移為27.5 mm時(shí)鋼筋的軸向應(yīng)力云圖做對(duì)比。在軸壓比為0.2時(shí)（圖3）：SW1使用鋼筋籠連接，拉筋并未屈服，且主要受力的拉筋較為分散、均勻，更加充分地利用了材料的性能；SW2使用桁架筋拉結(jié)，主要由剪力墻底部區(qū)域的桁架起到拉結(jié)作用，且在豎向荷載及水平往復(fù)荷載的作用下，更多地由暗柱鋼筋起到了平面外的抗力作用。在往復(fù)位移荷載的作用下，部分混凝土應(yīng)變超過(guò)開(kāi)裂應(yīng)變，混凝土單元在有限元計(jì)算過(guò)程中退出計(jì)算，且SW1和SW2在平面外產(chǎn)生少量位移和變形。在近似相等配筋率的情況下，鋼筋籠形式的拉筋分布相比桁架筋更均勻，能為剪力墻整體帶來(lái)更好的抗彎剛度。

圖3 軸壓比0.2時(shí)鋼筋應(yīng)力云圖

將軸壓比增至0.3（圖4）：SW1試件1/4～1/2墻高范圍內(nèi)的兩側(cè)葉板在軸壓作用下向平面外鼓起，拉筋和葉板內(nèi)水平筋共同參與受力，減輕了暗柱鋼筋的“負(fù)擔(dān)”；SW2中同樣存在剪力墻葉板向平面外鼓起的情況，但此時(shí)主要依靠葉板內(nèi)水平筋變形來(lái)承擔(dān)拉力，桁架筋起到的拉結(jié)作用有限，暗柱鋼筋也更多地“負(fù)擔(dān)”了軸壓帶來(lái)的平面外變形。相比軸壓比為0.2時(shí)，軸壓比為0.3時(shí)，延緩了混凝土的受拉開(kāi)裂，SW1和SW2向平面外傾覆的趨勢(shì)減小，因此無(wú)論是鋼筋籠還是桁架筋，受力都更集中在構(gòu)件底部。

圖4 軸壓比0.3時(shí)鋼筋應(yīng)力云圖

2.2 不同連接形式拉筋作用下試件滯回曲線的對(duì)比分析

提取SW1及SW2頂點(diǎn)的位移-荷載曲線。從軸壓比為0.2時(shí)的滯回曲線結(jié)果（圖5）對(duì)比分析：

圖5 軸壓比0.2時(shí)位移-荷載曲線

1）SW1和SW2在反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件出現(xiàn)了剛度退化。在混凝土開(kāi)裂前，位移-荷載曲線近似為線性增長(zhǎng)的關(guān)系；而開(kāi)裂后，試件剛度開(kāi)始降低，在同等荷載的作用下，構(gòu)件頂點(diǎn)位移明顯增大。SW1和SW2相比，使用鋼筋籠連接形式的雙面疊合剪力墻，其剛度退化相較于使用桁架筋拉結(jié)更弱，這說(shuō)明使用鋼筋籠連接時(shí)雙面疊合剪力墻的延性有一定提高。

2）SW1和SW2構(gòu)件頂點(diǎn)位移較小時(shí)，大部分混凝土仍處于彈性工作狀態(tài)，滯回曲線包裹的面積較小，隨著墻頂側(cè)移增大，試件滯回曲線包裹面積逐步增大。SW1與SW2相比，其滯回曲線更為飽滿，說(shuō)明使用鋼筋籠連接時(shí)雙面疊合剪力墻的耗能性能好于使用桁架筋連接。

3）SW1極限承載力為353.2 kN，SW2極限承載力為327.0 kN，即在控制用鋼量相等時(shí)，SW1比SW2高8%。

從軸壓比為0.3時(shí)的滯回曲線結(jié)果（圖6）對(duì)比分析：

圖6 軸壓比0.3時(shí)位移-荷載曲線

1）SW1和SW2在反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件呈現(xiàn)出的剛度退化現(xiàn)象和軸壓比為0.2時(shí)類似，SW1在剛度退化上的趨勢(shì)仍弱于SW2，但是二者的差異在軸壓比增加時(shí)有所減小。捏攏現(xiàn)象更為明顯，說(shuō)明提高軸壓比后，SW1和SW2的延性都有一定程度的下降，但SW1在延性上依舊優(yōu)于SW2。

2）SW1和SW2構(gòu)件受力初期，構(gòu)件基本保持彈性狀態(tài)工作。隨著位移增大，構(gòu)件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，滯回環(huán)包裹面積也逐漸增大，SW1表現(xiàn)出來(lái)的耗能能力依舊好于SW2，但在提高軸壓比后，鋼筋籠對(duì)疊合剪力墻耗能能力提升的優(yōu)勢(shì)不如低軸壓比時(shí)明顯。

3）由于軸壓比的作用，SW1的極限承載力提高到423.8 kN，SW2的極限承載力提高到404.7 kN，但此時(shí)SW1與SW2相比，極限承載力僅提高4.7%。

3 結(jié)語(yǔ)

1）在用鋼量相等的前提下，鋼筋籠形式的拉筋分布較桁架筋更為分散，在疊合剪力墻承受軸壓和側(cè)向力時(shí)，受力更均勻，更充分地利用了材料性能。

2）鋼筋籠形式的拉筋，相比桁架筋剛度退化更弱，滯回環(huán)更為飽滿，因此使用鋼筋籠對(duì)葉板拉結(jié)的雙面疊合剪力墻構(gòu)件，其延性和耗能能力更優(yōu)。

3）使用鋼筋籠拉結(jié)的雙面疊合剪力墻構(gòu)件，極限承載力比使用桁架筋拉結(jié)的構(gòu)件略高。

4）隨著軸壓比的提高，鋼筋籠形式的拉結(jié)方式相比桁架筋拉結(jié)仍有一定優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)在逐漸減小，趨于一致。

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