疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)有限元分析

李先猛 李廣地

1.通州建總集團(tuán)有限公司徐州分公司 江蘇 徐州 221600；

2.長江精工鋼結(jié)構(gòu)（集團(tuán)）股份有限公司 安徽 六安 237000

引言

疊合樓蓋是一種半裝配式樓蓋，由位于下葉預(yù)制鋼筋混凝土板及位于上葉后澆混凝土板通過桁架構(gòu)造鋼筋相連組成，墻板通過在上葉后澆空腔中設(shè)置附加鋼筋或插入水平鋼筋實(shí)現(xiàn)塔接連接。由于下葉預(yù)制墻板可以作為上葉后澆混凝土的模板，疊合樓蓋較普通現(xiàn)澆樓蓋減少模板工程量及現(xiàn)場混凝土澆筑量[1]。與全裝式樓蓋相比，防水性能好、安裝精度低。

近年來，王平山[2]設(shè)計(jì)了一系列的疊合剪力墻試驗(yàn)研究疊合剪力墻結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)桁架鋼筋間距不影響結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，對結(jié)構(gòu)平面外受力有一定影響；桁架鋼架的連接作用加強(qiáng)了豎向連接鋼筋抗拔黏結(jié)強(qiáng)度。張文瑩[3]對疊合剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)剪切試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)疊合試件和現(xiàn)澆試件截面黏結(jié)力變化規(guī)律基本相同；基于剪切摩擦理論提出節(jié)點(diǎn)抗剪承載力公式。谷倩[4]開展了L形疊合剪力墻足尺試件的抗震性能試驗(yàn)，研究表明，L形構(gòu)件邊緣按構(gòu)造配筋其塑性變形過于集中，設(shè)計(jì)時建議邊緣構(gòu)件提高配筋率；邊緣構(gòu)件新設(shè)鋼筋塔接連接可以起到良好的傳力。馬巍[5]對帶保溫的單面疊合剪力墻進(jìn)行了抗震試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，預(yù)制外葉板僅起保護(hù)作用不參與受力；單面帶保溫疊合剪力墻力學(xué)性能上與現(xiàn)澆剪力墻基本一致。為此，通過在疊合板式剪力墻與疊合樓蓋節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域以不同形式的塔接連接，設(shè)計(jì)不同水平塔接形式的墻板節(jié)點(diǎn)，通過有限元軟件Abaqus分析該類墻板節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載下的抗震性能。

1 有限元模擬

1.1 模型概況

根據(jù)“強(qiáng)墻肢弱樓板”的原則，設(shè)計(jì)了1個現(xiàn)澆墻板節(jié)點(diǎn)試件XJD和3個疊合墻板節(jié)點(diǎn)試件DHD1、DHD2及DHD3，尺寸及構(gòu)造見表1，2所示。疊合試件墻板節(jié)點(diǎn)核心區(qū)水平連接鋼筋塔接連接見圖1，其中試件DHD1疊合樓蓋縱筋通常布置，試件DHD2上葉現(xiàn)澆樓板縱筋通常布置，下葉預(yù)制樓板上部設(shè)置附加鋼筋，水平鋼筋通常布置縱向鋼筋錨入預(yù)制樓板400mm。試件DHD3兩側(cè)疊合樓蓋板定有20mm高差，上葉一側(cè)縱筋錨入剪力墻向下彎折90°。

表1 混凝土強(qiáng)度

表2 試件尺寸

圖1 各試件配筋圖

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

混凝土采用塑性損傷模型表達(dá)式如下：

式中：t，c分別為拉伸和壓縮；β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓下的非彈性階段應(yīng)變[6]。

1.3 邊界約束條件

豎向沿剪力墻定頂端施加0.1的軸壓比，預(yù)制墻板、樓板與現(xiàn)澆墻板、樓板接觸面設(shè)置面與面接觸，摩擦系數(shù)為0.6，模型底部及疊合樓蓋懸臂端限制平動釋放轉(zhuǎn)動。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 裂縫開展及破壞形態(tài)

各試件的裂縫開展及破壞形態(tài)如圖2所示，由于剪力墻底部及疊合樓蓋懸臂端未限制轉(zhuǎn)動，疊合樓蓋上葉現(xiàn)澆樓板與現(xiàn)澆剪力墻連接處開始破壞，裂縫沿著樓蓋縱向開始延伸。水平荷載約5～6kN時，裂縫延伸至疊合樓蓋下葉預(yù)制板，同時，裂縫沿剪力墻縱向向剪力墻上、下端開始延伸。水平荷載約20kN時，疊合樓蓋上、下葉預(yù)制板與現(xiàn)澆板開始剝離。與現(xiàn)澆試件相比，裂縫未延伸至疊合試件內(nèi)、外葉預(yù)制墻板，原因可能是因?yàn)椋A(yù)制墻板的混凝土強(qiáng)度高于現(xiàn)澆混凝土。由圖可知，各試件破壞形態(tài)基本相同，都是疊合樓蓋與剪力墻連接處混凝土脫落。

圖2 各試件裂縫分布圖

2.2 滯回曲線、骨架曲線及承載力

各試件的荷載-位移曲線及骨架曲線如圖3所示，各試件滯回環(huán)形狀相似、數(shù)量相同、滯回環(huán)無捏攏效應(yīng)且較飽和；相較與試件DHD1和DHD2，試件DHD3滯回環(huán)最后一環(huán)飽和度有所下降，原因可能是因?yàn)椋B合樓蓋兩側(cè)存在高差導(dǎo)致耗能能力降低。與現(xiàn)澆試件相比，疊合試件的承載力有所降低，原因在于預(yù)制墻板內(nèi)外葉預(yù)制墻板不參與受力剪力墻厚度減小，承載力降低。試件破壞以后，疊合試件的承載力較現(xiàn)澆試件有所提高，原因可能是因?yàn)椋旒茕摻畹倪B接加強(qiáng)了墻體的整體強(qiáng)度。峰值荷載后，現(xiàn)澆試件承載力下降速度明顯比疊合試件快，說明桁架鋼筋及豎向連接鋼筋對試件的承載力存在一定影響。

圖3 滯回曲線及骨架曲線

表3為試件特征荷載及位移，其中P為各試件不同狀態(tài)下的水平荷載，△為各階段水平荷載所對應(yīng)的位移值。由表3可知。

表3 各試件特征荷載及位移

2.2.1 疊合試件與現(xiàn)澆試件峰值承載力有較大差異，相較與現(xiàn)澆試件疊合試件峰值承載力平均值分別下降13.28%、9.98%、11.29%，峰值承載力降低的原因在于預(yù)制墻板內(nèi)外葉預(yù)制墻板不參與受力剪力墻厚度減小，承載力降低。相較與試件DHD2，試件DHD1、DHD3的峰值承載力分別降低3.66%、1.5%，說明增設(shè)附加鋼筋和樓蓋水平高差對試件峰值承載力有一定影響。

2.2.2 4個試件的py及△y分別接近，與其現(xiàn)澆試件平均值的最大相對偏差分別為11.52%、8.94%、13.76%；10.16%、11.11、16.19%。屈服荷載降低的原因在于疊合試件整體性較現(xiàn)澆試件差。

我問個中緣由，二叔便蹲在路邊和我細(xì)細(xì)談了起來。“今年我家的葡萄得了重病。”我一聽便想，肯定是二叔家小氣，舍不得用好藥防治。

2.2.3 3個疊合試件延性的平均值為7.12，較現(xiàn)澆試件提高39.75%，疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)出良好的變形能力。

2.3 剛度

試件的割線剛度表達(dá)式如下：

式中：Fj為第j次循環(huán)最大的水平荷載；△j為第j次循環(huán)峰值荷載對應(yīng)的位移。

由圖4可知，疊合試件的初始剛度及剛度退化率均大于現(xiàn)澆試件。原因在于桁架鋼筋增加了疊合試件的初始剛度，而預(yù)制板與現(xiàn)澆板接觸面設(shè)置接觸，整體性較現(xiàn)澆試件差。墻頂位移至20mm后，現(xiàn)澆試件與疊合試件的剛度退化曲線逐漸分離，原因在于，位移至20mm后，疊合樓蓋上下葉開始剝離，試件的整體摩擦力減小，剛度曲線分離。

圖4 剛度退化曲線

2.4 耗能能力

對于疊合板剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)試件其耗能能力主要依靠混凝土與鋼材之間的相對滑移、混凝土及鋼材的塑性變形。圖5為各試件耗能累計(jì)曲線，其中每一級累計(jì)耗能取加載一個循環(huán)所得正負(fù)荷載-位移曲線所包絡(luò)面積之和，各試件的累計(jì)耗能隨著水平位移增大而增強(qiáng)，

圖5 各試件累計(jì)耗能曲線圖

疊合試件的滯回耗能曲線基本位移現(xiàn)澆試件上方[7]。當(dāng)水平位移至30mm時，各試件累計(jì)耗能分別為23.20×103kN·mm、23.61×103kN·mm、26.82×103kN·mm、26.90×103kN·mm試件DHD2的累計(jì)耗能較試件XJD提高13.51%，試件DHD3的累計(jì)耗能較試件XJD提高13.75%，疊合試件累計(jì)耗能提高的原因在于疊合試件節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域增設(shè)附加鋼筋提高了試件整體耗能能力。

圖6 附加阻尼比求解示意圖

各環(huán)附加有效阻尼比見表4。

比較表4可以發(fā)現(xiàn)，試件DHD1的每一環(huán)的耗能均略低于XJD，試件DHD2、DHD3的平均有效阻尼比較試件XJD提高0.71%、5.12%，耗能能力的提高原因在于墻板節(jié)點(diǎn)增設(shè)附加鋼筋提高了試件的耗能能力。

表4 附加有效阻尼比

3 結(jié)束語

在0.1軸壓比下，疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)試件破壞形態(tài)基本相同，均發(fā)生彎剪破壞。

疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)承載力平均值比現(xiàn)澆剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)平均值分別低13.28%、9.98%、11.29%；屈服承載力平均值分別低11.52%、8.94%、13.76%；疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)初始剛度比現(xiàn)澆墻板節(jié)點(diǎn)大，但退化速率比現(xiàn)澆墻板節(jié)點(diǎn)試件快。

疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)均大于6，實(shí)際工程中，疊合板式剪力墻墻板節(jié)點(diǎn)區(qū)域建議采用增設(shè)附加鋼筋塔接連接。