鋼筋灌漿套筒連接局部失效對裝配式剪力墻承載力影響的有限元研究

張祥輝，郁有升，2，*

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，青島 266525)

裝配式鋼筋混凝土剪力墻構件先在工廠制作，后運至施工現場，進行灌漿連接，具有加快施工速度、降低工人勞動強度等優點，目前已在我國推廣和使用。現有的裝配式剪力墻裝配形式有3種，包括灌漿套筒連接、漿錨連接和機械連接，相鄰的裝配式剪力墻構件的連接質量對裝配式剪力墻整體承載力有較大影響。鄭清林等[1-3]對各種類型的灌漿缺陷對鋼筋灌漿套筒試件的承載力和變形性能的影響進行了研究，發現灌漿缺陷數量和程度越大，相應試件的承載力越小。錢稼茹等[4-6]對裝配式剪力墻做了大量的研究，發現套筒漿錨連接能夠有效傳遞豎向鋼筋應力，裝配式剪力墻試件與現澆剪力墻試件相比，兩者破壞形態基本相同，都為鋼筋受拉屈服和混凝土受壓破壞，剛度和耗能能力相當。王元清等[7]對灌漿套筒連接裝配式剪力墻的承載力和剛度進行了研究，發現當軸壓比增大時，極限承載力和剛度都隨之增大，而變形能力隨之減小；配筋率增大，極限承載力隨之增大，但剛度幾乎沒有變化。劉全威等[8-9]研究了采用不同連接方式的裝配式剪力墻的抗震性能，為裝配式剪力墻結構的推廣提供了基礎和依據。楊躍宇[10]對裝配式剪力墻在鋼筋套筒連接失效情況下的抗震性能進行數值分析，研究發現，裝配式剪力墻的有限元模擬結果與試驗研究結果較為吻合，根據灌漿套筒不同密實度得到的剪力墻的承載力、骨架曲線和剛度退化的抗震性能均能滿足抗震要求。

目前，裝配式剪力墻大多采用鋼筋灌漿套筒連接的方式，在預制墻豎向鋼筋部分連接構造中應用廣泛。其做法為，墻體的通長受力筋呈梅花型分布，相鄰墻體接縫處采用灌漿套筒方式連接。現有研究成果表明，在灌漿套筒施工質量達到目標要求情況下，采用灌漿套筒連接的裝配式剪力墻，其承載力基本能達到與現澆剪力墻結構相同的水平。然而，工程現場的施工質量很難達到試驗研究時的水平，灌漿套筒連接在現場完全依靠人工操作完成，操作工人能力良莠不齊，且現有的針對灌漿套筒連接的檢測還沒有較為完善的規程，灌漿質量的控制存在困難。如果灌漿套筒連接失效，對結構的整體承載力和剛度會有較大影響。目前，國內外對灌漿套筒連接局部失效情況下的裝配式剪力墻的研究還處于起步階段，所以研究裝配式剪力墻灌漿套筒連接在局部失效的情況下對單片墻體承載力的影響很有必要。

1 裝配式剪力墻有限元分析模型

灌漿套筒裝配式剪力墻在接縫處采用套筒連接，鋼筋插入預留套筒，灌入灌漿料，灌漿料達到強度后形成整體。如灌漿質量不達標，插入套筒內的鋼筋與灌漿料之間的黏結力會逐漸降低，最終導致灌漿套筒連接失效。為了簡化分析模型，作如下假設：①套筒連接失效，上下兩片墻體接縫處的連接鋼筋完全斷開；②灌漿質量良好的套筒連接簡化為一根通長鋼筋。

1.1 試件參數

本文對剪力墻鋼筋在不同位置、不同數量連接失效情況下的模型進行有限元分析，包括現澆剪力墻(XJ)、鋼筋正常連接的裝配式剪力墻(ZCZP)、6種1根鋼筋在不同位置連接失效的裝配式剪力墻、15種2根鋼筋在不同位置連接失效的裝配式剪力墻、20種3根鋼筋在不同位置連接失效的裝配式剪力墻、15種4根鋼筋在不同位置連接失效的裝配式剪力墻、6種5根鋼筋在不同位置連接失效的裝配式剪力墻、1種6根通長鋼筋全部連接失效的裝配式剪力墻。模型包括剪力墻、加載梁和基礎梁三部分，剪力墻寬2100 mm，高2640 mm，墻厚200 mm。加載梁長2100 mm，截面為250 mm×250 mm。基礎梁長3200 mm，截面為500 mm×500 mm。墻體豎向通長受力筋直徑為16 mm，豎向分布筋直徑為8 mm，橫向分布筋直徑為8 mm，所使用的鋼筋全部為HRB400鋼筋。混凝土強度等級為C30。模型截面見圖1。

圖1 灌漿套筒裝配式剪力墻示意

1.2 有限元分析模型建立

1.2.1 材料單元的選用及網格的劃分

混凝土單元選用C3D8單元，鋼筋單元選用T3D2桁架單元。由于本模型的主要研究對象為剪力墻及豎向受力鋼筋，因此，剪力墻部位的混凝土和豎向通長受力主筋的網格劃分為70 mm，加載梁、基礎梁的混凝土以及除豎向通長受力筋之外的其他鋼筋的網格劃分為200 mm。

1.2.2 材料本構關系的選用

混凝土本構采用混凝土塑性損傷模型，其模型建立參考文獻[11]。混凝土密度取2500 kg/m3，彈性模量取3.15×104MPa，泊松比為0.2。

鋼筋本構采用二折線型的彈性-強化模型[12]，應力-應變關系可視為兩段斜直線，應力-應變表達式為

(1)

式中：σs，εs分別為鋼材的應力、應變；fy，εy分別為鋼材的屈服強度、屈服應變；Es為鋼材彈性模量，取Es=2.06×105MPa；泊松比υ=0.3。

1.2.3 邊界條件的確定

鋼筋嵌入混凝土內，該約束忽略了鋼筋與混凝土之間的滑移。在加載梁頂面中心設置一個附加節點，與加載梁頂面采用耦合的約束方式進行連接，該節點同時作為加載點。加載梁與剪力墻采用綁定的方式連接。剪力墻與基礎梁采用接觸的方式連接，切向設為庫倫摩擦，摩擦系數取0.4，法向設為硬接觸。模型底部采用全部固結，頂部對剪力墻平面外的位移和轉角進行約束。

1.2.4 加載方式的確定

模型采用2個分析步進行加載，豎直方向采用集中力進行加載，控制軸壓比為0.12，軸力為1568.03 kN。為了使模型易于收斂，水平方向采用位移控制方式進行單向加載，位移控制為60 mm。建立的模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 模型的驗證

引用文獻 [13]中的試件數據進行模擬驗證，采用上述建模方法、本構關系建模，按照文獻[13]進行低周往復加載，對比有限元模擬得到的滯回曲線與文獻[13]中試驗得到的滯回曲線，如圖3所示。

比較圖3發現，有限元模擬曲線和試驗曲線較為吻合，證明本文有限元模擬較為可靠。本文為了簡化模型，有限元模型沒有考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，所以有限元曲線相較于試驗曲線更顯飽滿。

2 計算結果分析

2.1 承載力分析

2.1.1 現澆剪力墻與裝配式剪力墻的比較

由圖4可知，鋼筋連接有效的裝配式剪力墻與現澆剪力墻相比，極限承載力相差不大，力學性能基本一致。

2.1.2 受壓側鋼筋不同數量連接失效

經統計，受壓側鋼筋不同數量連接失效共7種情況，包括正常連接、1～6根鋼筋全部連接失效，見表1。

圖5為與表1中剪力墻編號相應的各試件的荷載-位移曲線，例如，ZCZP為通長鋼筋全部連接有效的試件，Q1為左起1根通長鋼筋連接失效的試件。從圖5中能夠看到，剛加載時，試件的荷載-位移曲線幾乎重合，加載側接縫處混凝土尚未被拉裂。荷載增加，不同試件荷載-位移曲線逐漸分離。隨著鋼筋連接失效數量增加，極限承載力下降。

表1 鋼筋在受壓側不同數量連接失效剪力墻極限承載力

2.1.3 1根鋼筋在不同位置連接失效

1根鋼筋在不同位置連接失效共分6種情況，如表2所示。圖6為與表2中剪力墻編號相應的1根鋼筋在不同位置連接失效時，各試件的荷載-位移曲線。如圖6所示，剛加載時，各試件的荷載-位移曲線幾乎重疊，加載側接縫處混凝土尚未被拉裂。荷載增大，鋼筋連接失效位置離加載側邊緣越近的試件屈服得越快，極限承載力隨之減小。

表2 1根鋼筋在不同位置連接失效時各試件的極限承載力

2.1.4 多跟鋼筋在不同位置連接失效

2～6根鋼筋在不同位置連接失效的情況分別有15，20，15，6，1種。由于情況較多，在此不一一列出。

圖7分別為2～6根鋼筋連接失效時各種情況的荷載-位移曲線。極限承載力最大時，鋼筋連接失效位置均位于遠離加載側邊緣的位置；極限承載力最小時，鋼筋連接失效位置均位于最靠近加載側邊緣的位置。各種情況下最大和最小極限位置的極限承載力見表3。

表3 各情況下試件最大最小極限承載力

圖7 其他各種情況下各試件荷載-位移曲線

因此，當鋼筋連接失效的數量多但位于遠離加載一側時，會比鋼筋連接失效數量少但位于加載一側的極限承載力大。

2.2 剛度分析

剛度為荷載-位移曲線上某一時刻的荷載與其相對應的位移的比值，可以用來衡量構件抵抗變形能力的大小。

圖8為不同數量鋼筋全部在最靠近加載側邊緣連接失效時各試件的剛度比較情況，可以看出，鋼筋連接失效數量增大，剛度隨之下降。

圖9為1根鋼筋在不同位置連接失效時，各試件剛度比較情況，可以看出，鋼筋連接失效位置越靠近加載側邊緣，其剛度越小，但只有1根鋼筋連接失效時，各試件剛度相差不大。

由此可以推斷，鋼筋連接失效位置越靠近加載一側，剛度越小。而相同數量鋼筋連接失效時，連接失效位置越遠離加載一側，剛度越大。但總體而言，鋼筋連接失效對剪力墻整體剛度的影響不大。

3 結論

本文利用ABAQUS建立了接縫處通長受力筋呈梅花型分布的灌漿套筒連接裝配式剪力墻在不同數量及不同位置鋼筋連接失效時的模型，對各種情況下其水平極限承載力和剛度的變化情況進行了分析。結果表明：

1) 鋼筋灌漿套筒有效連接的裝配式剪力墻與現澆混凝土剪力墻的力學性能基本一致；灌漿套筒鋼筋連接失效位置和數量對裝配式剪力墻的極限承載力影響較大，對剛度影響較小，鋼筋連接失效的位置越靠近加載側墻體邊緣，其極限承載力和剛度下降越多。假定鋼筋連接失效的位置在加載側墻體邊緣，鋼筋連接失效數量越多，其極限承載力和剛度下降越多；如鋼筋連接失效數量雖多，但位置遠離加載側，其極限承載力和剛度比鋼筋連接失效數量少而位置靠近加載側的大。

2) 鋼筋連接全部失效的試件Q6相對于鋼筋全部有效連接的試件ZCZP，極限承載力降幅為20.96%，試件Q6破壞時，加載側剪力墻與基礎梁之間完全開裂，接縫處的黏結力已經很小，可以忽略不計，鋼筋連接全部失效不提供抗力，其承載力全部由軸力及剪力墻自重的豎向擠壓提供。

3) 各試件隨著鋼筋連接失效數量的增加，剛度有所下降，但降幅不大，這是因為剪力墻的剛度大多由混凝土提供，在試件未完全損壞，混凝土未完全破壞之前，剛度降幅不會很大。