模塊裝配式組合剪力墻角部構(gòu)造優(yōu)化研究

陳 偉 吳福成 汪大洋 郭榮幸 羅創(chuàng)漣

(1 廣州廣檢建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 研究背景

裝配式建筑的發(fā)展速度和應(yīng)用前景近年來(lái)持續(xù)提升，建筑工業(yè)化具有巨大優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景[1-2]。推進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)的型鋼使用率和工廠化，提升建筑產(chǎn)業(yè)加工、安裝精度和品質(zhì)，對(duì)節(jié)約人力、物力資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)低碳建筑生產(chǎn)，推動(dòng)國(guó)家碳中和碳達(dá)峰戰(zhàn)略，具有較高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和社會(huì)意義。

鄭旭東進(jìn)行了10 組帶加勁肋多腔雙層鋼板組合剪力墻的低周往復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶加勁肋多腔雙層鋼板混凝土組合剪力墻具有較好的抗震性能[3]。高輝、孫飛飛等建議在后續(xù)防屈曲鋼板剪力墻的研究中可以就角部局部加固進(jìn)行研究，并在大量實(shí)驗(yàn)和有限元模擬的基礎(chǔ)上提出了防屈曲鋼板剪力墻的簡(jiǎn)化分析模型，研究了三組現(xiàn)澆混凝土內(nèi)藏鋼板組合剪力墻抗震性能，結(jié)果表明，現(xiàn)澆混凝土板與內(nèi)藏鋼板緊密結(jié)合，共同承擔(dān)荷載，其性能優(yōu)于普通鋼筋混凝土剪力墻[4-5]。郭彥林等提出了不同加勁方式的兩邊連接防屈曲鋼板剪力墻，并探究了各種不同構(gòu)造參數(shù)對(duì)防屈曲鋼板剪力墻抗震性能的影響[6]。

然而，角部的現(xiàn)澆混凝土板以及內(nèi)藏鋼板在循環(huán)位移加載早期就出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部損傷，從而導(dǎo)致構(gòu)件承載力過(guò)早退化失效，不能充分利用材料的力學(xué)性能，關(guān)于該方面的研究還非常鮮見(jiàn)。鑒于此，對(duì)一種內(nèi)藏鋼板模塊裝配式組合剪力墻進(jìn)行角部構(gòu)造優(yōu)化研究，在不增加額外成本的前提下，使構(gòu)件自身材料的物理受力性能得到最大程度的利用。

2 內(nèi)藏鋼板組合剪力墻損傷分析

采用ABAQUS 軟件建立了為研究?jī)?nèi)藏鋼板外掛混凝土板的模塊裝配式組合剪力墻(PCSW)，內(nèi)藏鋼板上陣列布置了栓釘，間距為200mm。最后數(shù)值分析了其破壞特征與其抗震性能。圖1 為內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻效果圖。

圖1 內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻效果圖

圖2 為內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板組合剪力墻極限屈服點(diǎn)損傷云圖。從圖2 可以看出，內(nèi)藏鋼板的角部出現(xiàn)明顯鋼材損傷，內(nèi)藏鋼板角部在低周循環(huán)往復(fù)位移加載下不斷受連接件的反復(fù)擠壓，最終損傷因子達(dá)到了0.989；現(xiàn)澆混凝土板同樣是角部形成明顯三角形裂縫發(fā)展區(qū)域。角部在連接件的擠壓下內(nèi)藏鋼板以及現(xiàn)澆混凝土板均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象和嚴(yán)重的局部損傷，此時(shí)，現(xiàn)澆混凝土和內(nèi)藏鋼板剛度下降，無(wú)法約束連接件角部屈曲，導(dǎo)致構(gòu)件承載力無(wú)法繼續(xù)提高，材料性能得不到進(jìn)一步利用。

圖2 極限屈服點(diǎn)損傷云圖

3 角部構(gòu)造優(yōu)化方案

針對(duì)這種內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻在水平荷載作用下角部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷的情況，設(shè)計(jì)了4 種角部構(gòu)造優(yōu)化方案。方案一在每個(gè)剪力墻預(yù)制模塊的四角取長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的四分一圓形區(qū)域，對(duì)該區(qū)域內(nèi)內(nèi)藏鋼板加厚；方案二在方案一的基礎(chǔ)上，釋放每個(gè)預(yù)制模塊扇形域內(nèi)現(xiàn)澆混凝土的約束，并在預(yù)制模塊四角添加加勁肋；方案三在每個(gè)剪力墻預(yù)制模塊的四角取長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的三角形區(qū)域，對(duì)該區(qū)域內(nèi)內(nèi)藏鋼板加厚；方案四在方案三的基礎(chǔ)上，釋放每個(gè)模型四角上三角形區(qū)域內(nèi)現(xiàn)澆混凝土約束，并在預(yù)制模塊四角添加加勁肋。具體構(gòu)件尺寸參數(shù)如圖3 所示。

圖3 角部構(gòu)造優(yōu)化示意圖

內(nèi)藏鋼板采用Q235b，寬、高、厚分別為584mm、1184mm、2mm。混凝土板采用C40，寬、高、厚分別為574mm、1174mm、50mm。栓釘及螺栓的間距分別為200mm、100mm。考慮到結(jié)構(gòu)的尺寸大小以及模型計(jì)算時(shí)間，經(jīng)過(guò)反復(fù)的驗(yàn)算對(duì)比，將內(nèi)藏鋼板、混凝土板、連接件加載梁網(wǎng)格尺寸選取為25mm，外伸板網(wǎng)格尺寸選取為15mm、栓釘與高強(qiáng)螺栓網(wǎng)格尺寸選取為5mm。表1 為4 個(gè)角部構(gòu)造優(yōu)化試件的參數(shù)信息。

表1 試件參數(shù)

4 邊界及加載方式

外掛混凝土板與內(nèi)藏鋼板、兩塊外伸板接觸面之間接觸面法向方向均為硬接觸，切向方向均為摩擦接觸；栓釘與內(nèi)藏鋼板之間為“Tie”約束，栓釘與混凝土之間則采用Embedded 技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩者的自由度耦合；外伸板中高強(qiáng)螺栓通過(guò)在軸線施加螺栓荷載模擬實(shí)際中的預(yù)緊力，并在法向方向采用“硬接觸”，切向方向采用罰摩擦接觸。

第一加載階段為力加載，第一級(jí)荷載為預(yù)估構(gòu)件屈服承載力的50%，并以50kN 的級(jí)差循環(huán)一圈，當(dāng)構(gòu)件接近屈服時(shí)降低級(jí)差，構(gòu)件的荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)時(shí)采用第二加載階段，即位移控制加載，控制參數(shù)為構(gòu)件層間位移角，其定義為θ＝Δ/H（H 為試件基底到水平位移加載點(diǎn)的高度）。初始位移角為屈服位移δy，每級(jí)循環(huán)2 次，加載目標(biāo)為4%。

圖4 加載制度

圖5 邊界條件

5 抗震性能分析

4 個(gè)角部構(gòu)造優(yōu)化的試件和1 個(gè)角部構(gòu)造未優(yōu)化的構(gòu)件，采用相同的加載方式，對(duì)比分析四個(gè)角部構(gòu)造優(yōu)化試件在低周往復(fù)加載下的滯回性能、耗能能力、骨架曲線、剛度退化、承載力、初始剛性、位移延性、鋼板損傷以及混凝土損傷應(yīng)力變形等方面的提升情況。

從圖6 中可以看出，在不加肋情況下，相比三角加固方案，圓角加固角部?jī)?nèi)藏鋼板的優(yōu)化方案對(duì)試件力學(xué)性能提升更明顯。但釋放試件角部現(xiàn)澆混凝土約束，設(shè)有加勁肋后，三角加勁肋優(yōu)化方案可以更有效地約束連接件，其試件初始剛度、屈服承載力、極限承載力分別提高39.67%、32.93%、41.02%。由此可見(jiàn)，在添加折角加勁肋后，試件局部損傷嚴(yán)重然后導(dǎo)致試件承載力下降的現(xiàn)象得到有效改善，試件整體受力更加均勻。

圖6 骨架曲線

從圖7、圖8 和圖9 中可以看出，四種方案中，PCSW-C、PCSWFR 的滯回曲線更為飽滿，等效阻尼系數(shù)提高更為明顯。在耗散能量方面，由于設(shè)有加勁肋可以更有效地約束試件連接件角部屈曲，提高了試件的承載力，充分發(fā)揮了鋼板和現(xiàn)澆混凝土板的力學(xué)性能，所以PCSW-CR、PCSW-FR 兩種方案加載過(guò)程中耗散的能量更高，其中三角加勁肋對(duì)連接件支撐效果最為突出。

圖7 滯回曲線

圖8 累積能量耗散

圖9 累積應(yīng)變能

從圖10 中可以看出，與圖2 中PCSW 相比，內(nèi)藏鋼板角部加厚區(qū)域有效抑制了內(nèi)藏鋼板角部損傷發(fā)展，損傷因子峰值下降，鋼板損傷更加均勻。設(shè)有加勁肋的PCSW-CR、PCSW-FR 兩種優(yōu)化方案中內(nèi)藏鋼板損傷由鋼板四周向中間發(fā)展，鋼板損傷面積更大，損傷更加均勻，較少鋼板局部嚴(yán)重?fù)p傷。從圖11 中可以看出，四種角部?jī)?yōu)化方案的混凝土損傷均主要以壓縮損傷為主，相比于PCSW，PCSW-C 和PCSW-F 的角部混凝土損傷有所減輕。PCSW-CR 和PCSW-FR 試件的外掛混凝土板損傷有所減低，其破壞更加均勻。再次驗(yàn)證4 種角部?jī)?yōu)化方案對(duì)內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻的抗震性能均有較好的提升作用，表明這4 種角部?jī)?yōu)化方案使得混凝土材料的抗壓能力得到了充分的發(fā)揮。

圖10 內(nèi)藏鋼板損傷云圖

圖11 外掛混凝土壓縮損傷云圖

綜上所述，四種角部?jī)?yōu)化方案對(duì)內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板裝配式組合剪力墻的抗震性能具有較好的提高，其中三角加勁肋方案的改進(jìn)優(yōu)化效果最佳，其屈服承載力、極限承載力、構(gòu)件耗能、黏滯阻尼系數(shù)、延性系數(shù)分別提高32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。

6 結(jié)論

⑴內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板裝配式組合剪力墻的角部在連接件的擠壓下，內(nèi)藏鋼板以及現(xiàn)澆混凝土板均會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象和嚴(yán)重的局部損傷，外掛現(xiàn)澆混凝土板和內(nèi)藏鋼板剛度下降至無(wú)法約束連接件角部屈曲，會(huì)造成構(gòu)件承載力無(wú)法繼續(xù)提高，提前退出工作。

圖12 外掛混凝土拉伸損傷云圖

⑵4 種角部?jī)?yōu)化方案對(duì)剪力墻的抗震性能均有較好的提升作用，有效抑制了角部的屈曲，使得內(nèi)藏鋼板外掛混凝土板模塊裝配式組合剪力墻的整體性能得到充分的發(fā)揮。

⑶三角加勁肋方案對(duì)模塊裝配式組合剪力墻的抗震性能提升效果最佳，其屈服承載力、極限承載力、構(gòu)件耗能、黏滯阻尼系數(shù)、延性系數(shù)分別提高了32.93%、41.02%、44.66%、15.17%、13.68%。