疊合板式剪力墻樓層節點平面外受力性能數值模擬分析

汪耀宇，盤洪玉 （長江精工鋼結構（集團）股份有限公司，安徽 六安 237161）

0 引言

疊合板式剪力墻結構是從德國引進適合建筑工業化的建筑結構體系，該結構體系由位于外側通過桁架鋼筋相連的兩片預制鋼筋混凝土板以及位于內部的現澆混凝土組成，墻體通過在后澆空腔中插入豎向鋼筋實現水平縫搭接連接[1]。與現澆剪力墻相比，疊合板式剪力墻使用模板少、集約化、裝配化程度高、施工速度快，與全預制剪力墻相比，其防水效果好、安裝精度高、結構整體性強。

近年來，國內外學者對疊合板式剪力墻抗震性能進行一系列研究，沈小璞[2]利用ABAQUS 有限元軟件對疊合板式剪力墻預制墻體與現澆墻體之間的摩擦滑移進行了有限元分析。結果表明，設置摩擦接觸與試驗結果更加符合，增大接觸可提高疊合剪力墻抗震性能。吳曦[3]展開了U 型鋼筋、螺旋箍筋、連接鋼板三種新型連接形式的預制疊合剪力墻和現澆剪力墻對比試件的低周反復荷載試驗并通過有限元分析，結果表明三種新型連接形式的預制疊合剪力墻的破壞形態與現澆剪力墻相同，但極限承載力略低。汪夢甫[4]完成了帶水平、豎向U型筋疊合剪力墻擬靜力試驗，結果表明，U型筋疊合剪力墻便于安裝、施工，但承載力略有下降，水平U 型筋可以提高墻體承載力。趙作周[5]對疊合剪力墻底部拼縫集中變形進行了研究，研究發現，建議結構設計時增加25%以上的插筋塔接，可以有效防止拼縫集中變形；結構實測承載力高出理論計算的1．04～1．09 倍。汪夢甫[6]對暗支撐自密實剪力墻和暗支撐疊合剪力墻進行了研究，研究表明，塑性鉸區設置暗支撐使得疊合剪力墻具有較好的抗震性能，間斷的格構鋼筋對墻體整體性沒有影響。

1 模型標定

1.1 試件介紹

本文選取文獻[7]的試驗試件。試件由加載梁、疊合樓板和疊合板式剪力墻3 個部分組成，墻低至樓板下邊緣高度為1290mm，樓板上邊緣至加載梁底部高度為1400mm，水平接縫距樓板上表面高50mm，試件布置圖及試件混凝土強度如圖1、表1-表2所示。

圖1 剪力墻樓層節點設計圖（單位：mm）

表1 試件尺寸

表2 混凝土強度

1.2 模型介紹

模型采用有限元軟件ABAQUS 進行模擬，鋼筋采用雙折線模型，泊松比取0．3，混凝土采用混凝土塑性損傷型，材料強度均取文獻[7]中實測值。

鋼筋采用T3D2 桁架單元模擬，混凝土采用C3D8R 實體單元模擬，不考慮鋼筋與混凝土的滑移將鋼筋嵌入至混凝土中[8]。為更好的模擬試驗，未考慮試驗過程中內、外葉新老混凝土面相對滑移，模擬時將預制墻板、現澆墻板、疊合樓板和現澆樓板通過“Tie”約束綁定成整體，為模擬試驗時的加載條件，頂梁頂面設置參考點施加耦合約束，實現軸壓比為0．1 的豎向軸力和水平單調擬靜力。剪力墻底部及樓板底部限制平動釋放轉動實現鉸接約束。單元劃分如圖2 所示。

圖2 單元劃分圖

1.3 模型結果

試驗裂縫分布、有限元破壞模式如圖3 所示，圖中可以看出墻體裂縫主要分布在樓板與剪力墻連接節點核心區域，與試驗裂縫發展走勢相同。

圖3 試驗裂縫分布與有限元破壞結果對比

試驗骨架曲線、有限元模擬得到荷載-位移曲線如圖4 所示，峰值承載力對比結果如表3 所示。試驗測得峰值承載力與有限元模擬峰值承載力誤差在6%，有限元模擬曲線與試驗曲線較為吻合。對比試驗和有限元結果可以得出，兩者荷載-位移曲線總體變化趨勢基本一致，破壞模式相同，承載力差值較小，有限元模擬的墻板節點受力性能較準確，可以進行后續參數分析[9]。

表3 試驗峰值荷載與有限元模擬峰值對比

圖4 試驗墻樓層節點荷載-位移曲線與有限元曲線對比

2 參數分析

由1．3 節試件尺寸、配筋及參數考慮混凝土強度、邊緣構造及軸壓比對疊合板式剪力墻樓層節點平面外受力性能的影響進行有限元分析。

2.1 軸壓比

以疊合板式剪力墻樓層節點模型DHB 各參數為不變量，設計軸壓比分別為0、0．2、0．3，研究疊合板式剪力墻樓層節點在不同軸壓比下受平面外荷載時的受力性能。圖5給出了軸壓比0～0．3時，疊合板試件的荷載-位移曲線。

圖5 不同軸壓比下試件的荷載-位移曲線

由圖5 可以看出，水平位移在20mm 以內時曲線為直線，試件均處于彈性，說明軸壓比對疊合試件的初始抗側剛度影響不大。隨著軸壓比增大且位移越接近峰值位移，疊合試件的抗側剛度越大，但峰值位移差異不大；承載力下降速度明顯加快，節點試件脆性變強，變形能力變差。軸壓比由0 增加到0．1，試件峰值承載力提高1．86%；軸壓比由0．1增加到0．2，試件峰值承載力提高6．74%；軸壓比由0．2 增加到0．3，試件峰值承載力提高5．08%。

2.2 邊緣構造

文獻[7]為研究疊合板式剪力墻結構剪力墻中間部分墻板節點，故在試件設計時未設計墻板節點邊緣構造《裝配式混凝土建筑技術標準》（GB/T51231-2016）[10]規范中建議邊緣構件應采用邊緣構件。因此本節以DHB 為模型，混凝土強度為不變量，選取軸壓比為0．1 和0．3 兩種工況，建立了DHB1 和DHB2 兩種模型，研究邊緣構造對疊合板式剪力墻墻板節點受力性能的影響。

圖6 可以看出，試件DHB1 與試件DHB2 峰值荷載前曲線基本重合。試件DHB2 的峰值荷載較試件DHB1 有所提高，而峰值荷載后，兩試件的曲線開始分離試件DHB2 均處于試件DHB1 的下方；加載結束后，試件的抗側剛度較小。分析認為，邊緣構造的箍筋約束混凝土提高了疊合試件整體承載力；模型試件寬度僅有1000mm，增加邊緣構造后三角桁架鋼筋減少一道，試件整體性減弱，延性變差；豎向力增大，節點試件整體趨于脆性，剛度較弱。

圖6 邊緣構件荷載-位移曲線

2.3 混凝土強度

文獻[7]中疊合板式剪力墻樓層節點試件中墻板外葉均為C45 混凝土，墻板內葉均為C40 混凝土，選取疊合板式剪力墻樓層節點為參照，分別改變墻體內、外葉混凝土強度，模擬實際工程中疊合板式剪力墻樓層節點在平外荷載作用下混凝土強度對受力性能的影響。考慮設計軸壓比為0．1，設置6 組墻體內、葉不同混凝土強度組合，分別為墻體外葉C45、C40混凝土，墻體內葉分別為C30、C35、C45。僅改變墻體內、外葉混凝土強度，保持其他參數相同。

圖7 中45+40 為墻體外葉為C45 混凝土，墻體內葉為C40 混凝土所對應的荷載-位移曲線，該曲線作為不同混凝土層分析的參考曲線，試件各曲線對應的峰值荷載如表3 所示。墻體外葉為C45 混凝土，墻體內葉為C35 混凝土時，對應圖7 中曲線45+35，試件峰值承載力較45+40 近似；墻體外葉為C45 混凝土，墻體外葉為C30 時，對應圖中曲線45+30，試件峰值承載力較45+40 下降約為6．22%；當墻體外葉混凝土強度低于參照強度一個等級為C40，墻體內葉為C40時，對應曲線為40+40，試件峰值承載力與45+40 近似，當墻體內葉混凝土強度下降至C35、C30 時，試件承載力下降約為8．58%、12．81%。

圖7 不同混凝土強度荷載-位移曲線

表4 不同混凝土強度下試件峰值承載力

3 結語

本文考慮疊合板式剪力墻樓層節點內、外葉混凝土強度不同，結合實際工程對疊合板剪力墻樓層節點進行有限元數值模擬分析，得到如下結論：

①軸壓比的增大，疊合板式剪力墻墻板節點峰值承載力顯著增大，對峰值位移影響較小，但峰值承載力下降速度顯著加快，降低試件變形能力，因此在實際工程中需合理控制疊合板式剪力墻結構最大軸壓比，以保證墻板節點具有良好延性及變形能力；

②邊緣構件約束混凝土，提高了疊合式剪力墻墻板節點承載力變形能力及結構整體的預制率，實際工程中疊合板式剪力墻結構應設置邊緣構造；

③墻體節點試件的抗彎性能隨著混凝土強度的降低而降低，對比設計軸壓比0．1 時，節點抗彎性能軸壓比0．3 時受混凝土強度降低影響更顯著。