裝配式剪力墻抗震性能仿真分析

陳圣斌

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

目前，我國各行業(yè)都在進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，許多地區(qū)已摒棄了傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑模式開始采用裝配式建筑，裝配式剪力墻的抗震性能受到重點(diǎn)關(guān)注。王樹偉等[1]通過改變齒鍵高度對(duì)齒槽型連接裝配式鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)將齒鍵高度增高，齒槽型連接的裝配式鋼筋混凝土剪力墻承載力在后期略有提高；許冠超等[2]設(shè)計(jì)了一種環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻，此種連接形式的裝配式剪力墻鋼筋能有效傳遞應(yīng)力，耗能能力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；王衛(wèi)永等[3]通過ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)一種適用于裝配式建筑的新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)鋼桁架-混凝土組合剪力墻進(jìn)行分析，軸壓比在0.3～0.5之間，鋼桁架混凝土剪力墻的抗剪承載力較大，增大型鋼柱的含鋼率比增大型鋼腹桿的含鋼率對(duì)抗剪承載力提升效果明顯；李妍等[4]發(fā)現(xiàn)兩種干式連接（焊接、直螺紋機(jī)械套筒連接）剪力墻與現(xiàn)澆混凝土剪力墻整體性能較為接近，閃光對(duì)焊處與現(xiàn)澆整體鋼筋的剛度大致相同，機(jī)械套筒對(duì)連接局部有強(qiáng)化的效果。

本文根據(jù)具體的工程實(shí)例建立3 種有限元模型，通過對(duì)比抗震性能的優(yōu)劣，為建筑裝配式剪力墻實(shí)際應(yīng)用及試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁?shù)據(jù)參考。

1 剪力墻模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

3 個(gè)剪力墻模型不同之處在于構(gòu)件間的連接方式：XJ1是經(jīng)常見到的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)澆，剪力墻鋼筋之間進(jìn)行綁扎連接；GJ1為裝配式剪力墻中最常見、應(yīng)用最多的灌漿套筒剪力墻，連接方式為上下剪力墻鋼筋之間利用套筒進(jìn)行連接，之后套筒內(nèi)灌注混凝土使其成為整體，為了簡化模型設(shè)計(jì)，將梅花形分布的灌漿套筒簡化為上下貫通的通長鋼筋；XG1 為兩邊以及中間放置型鋼的預(yù)制型鋼裝配式剪力墻，通過貫通型鋼外伸用螺栓進(jìn)行連接，連接處使用后澆混凝土，實(shí)現(xiàn)整體快速安裝。3個(gè)剪力墻都只是研究單個(gè)墻體結(jié)構(gòu)，弱化了整體之間的連接性能。

模型墻體為矩形截面，外形尺寸完全相同，墻高2 740 mm、墻長2 400 mm、墻厚200 mm，見圖1。

圖1 剪力墻模型

圖2 XG1型鋼位置

1.2 材料參數(shù)

墻體材料選用C40 標(biāo)準(zhǔn)混凝土，密度2 500 kg/m3,彈性模量3.25×104N/mm2，泊松比0.3[5]。墻內(nèi)鋼筋均為HRB400 級(jí)鋼筋，鋼材選用強(qiáng)度為Q235 的H 型鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量2×105N/mm2，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。剪力墻模型中的軸壓比均設(shè)為0.3。

1.3 單元?jiǎng)澐旨凹虞d方式

在ABAQUS 有限元分析軟件中對(duì)預(yù)制混凝土、鋼筋、型鋼分別進(jìn)行獨(dú)立建模，混凝土采用C3D8R 實(shí)體單元，鋼筋、型鋼均采用T3D2 桁架單元。將墻體劃分尺寸為100 mm×100 mm，加載梁以及地梁劃分尺寸為200 mm×200 mm。試驗(yàn)為擬靜力加載試驗(yàn)，進(jìn)行低周往復(fù)加載，施加豎向550 kN 的力，加載梁上部水平面左右方向采用位移加載方式[6]，見圖3。

圖3 加載方式

2 有限元模擬分析

2.1 模擬結(jié)果

XJ1現(xiàn)澆剪力墻的混凝土最大應(yīng)力值在墻體的右下角端部位置，墻體破壞從端部位置斜向發(fā)展，下方端部鋼筋發(fā)生較大面積的屈服；GJ1 灌漿套筒裝配式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻的混凝土最大應(yīng)力出現(xiàn)位置大致相同，都在墻體下方端部底角位置，兩者裂縫展開方向也基本相似，但灌漿套筒裝配式剪力墻的混凝土最大承載力比現(xiàn)澆剪力墻承載力要大，其鋼筋應(yīng)力分布及應(yīng)力最大值與現(xiàn)澆剪力墻也非常相似；XG1 型鋼裝配式剪力墻的混凝土最大應(yīng)力值出現(xiàn)在邊緣型鋼與混凝土交界處，型鋼最大應(yīng)力位于下方端部與地梁相交位置，而中間型鋼兩側(cè)的中部鋼筋發(fā)生較大屈服。見圖4-圖6。

圖5 GJ1應(yīng)力

圖6 XG1應(yīng)力

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 滯回曲線

3種剪力墻的滯回曲線反映了反復(fù)加載過程中的變形特征、剛度退化和耗能情況，3 者的形成過程相似，都是在位移加載過程中試件由彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)最后到不可恢復(fù)的塑性狀態(tài)。XG1 的極限承載力最高，XJ1 的極限承載力略大于GJ1。初始加載試樣在彈性階段，曲線所形成的回環(huán)細(xì)長、面積小。隨著水平方向的加載、卸載，滯回環(huán)逐漸飽滿，3 種剪力墻中XG1 的滯回曲線更加飽滿，耗能能力最好；雖然GJ1 的承載力略小于XJ1，但其滯回曲線面積更飽滿，說明GJ1的耗能能力比XJ1好。型鋼的安裝不僅在承載力方面對(duì)剪力墻有提高作用，也對(duì)剪力墻的變形、耗能能力起到了增強(qiáng)的作用。見圖7。

圖7 滯回曲線

2.2.2 骨架曲線

骨架曲線是循環(huán)加載得到滯回曲線每個(gè)滯回環(huán)上最大峰值的軌跡，反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及特性，是確定構(gòu)件抗震性能的重要依據(jù)[7]。

初始階段3 種剪力墻骨架曲線均是直線，但是經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)XJ1 與GJ1 的斜率基本一致，XG1 的骨架直線斜率大于二者，說明XJ1、GJ1 的初始剛度基本一致，XG1 的初始剛度明顯高于二者。XJ1 的極限承載大于GJ1，極限承載后XJ1 曲線一直處于下降狀態(tài)，GJ1趨于平穩(wěn)，說明XJ1的極限承載力、剛度大于GJ1，延性低于GJ1。XG1的極限承載力最高，剛度最大，但延性最低。見圖8。

圖8 骨架曲線

2.2.3 剛度折減（剛度退化曲線）

剛度是結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗變形的能力，隨著加載力度不斷增大，剪力墻的整體結(jié)構(gòu)不斷損傷，剛度逐漸退化。

式中：Ki為第i 級(jí)循環(huán)荷載加載下的環(huán)線剛度；Pi為第i級(jí)循環(huán)時(shí)的峰值荷載；Δi為第i級(jí)循環(huán)時(shí)的峰值點(diǎn)位移。

剪力墻的剛度隨著位移的發(fā)展不斷減小，3 種剪力墻都有相同的退化趨勢(shì)，初始階段剛度下降幅度較大，后期下降緩慢。XG1在加載初期剛度最大，XJ1與GJ1 的初始剛度基本相同，這是由于XG1 試件設(shè)置型鋼連接，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后兩者。加載后期，3種剪力墻的剛度退化都較緩慢，下降速率逐漸趨于平緩。整個(gè)加載過程XG1 剛度都大于XJ1、GJ1，最終3 種剪力墻的剛度較為相似。見圖9。

圖9 剛度退化曲線

3 結(jié)論

1）對(duì)于現(xiàn)澆剪力墻與灌漿套筒裝配式剪力墻，兩者的極限承載力、骨架曲線、剛度退化曲線都大致相同，滯回曲線后者比前者更加飽滿一些，在抗震性能方面灌漿套筒裝配式剪力墻略好于現(xiàn)澆剪力墻。

2）放置了型鋼的裝配式剪力墻承載力遠(yuǎn)大于現(xiàn)澆和灌漿套筒裝配式剪力墻，總體剛度始終大于后兩者，滯回曲線也更加飽滿，耗能能力增強(qiáng)，抗震性能獲得顯著提升。