高剪跨比榫卯連接裝配整體式剪力墻受力性能數值分析

趙士瑞，孫志娟，劉繼良

(1.北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2.大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024)

1 引言

裝配式混凝土剪力墻結構是目前裝配式混凝土建筑中采用的主要形式之一[1]。榫卯連接裝配整體式剪力墻結構（簡稱“榫卯剪力墻”）是一種以“榫卯板”作為基本裝配單元的全預制裝配式混凝土剪力墻結構[2-4]，榫卯板側面不出筋的特殊構造能夠提高預制構件的標準化、模數化程度，提高生產效率，降低生產成本，使結構在生產應用的過程中具備突出優勢[5]。

如圖1 所示，榫卯板側邊間隔設置橫向凸起作為榫頭，榫頭內開設豎向貫通孔洞作為榫孔，二者相交形成榫卯構造。相互連接時需將榫卯板的榫卯構造相對布置，在榫頭間橫向凹槽內設置連接鋼筋，在榫孔內插入豎向鋼筋，綁扎形成鋼筋骨架，隨后澆筑混凝土實現連接。

裝配式混凝土剪力墻結構的剪跨比是決定剪力墻破壞形式的重要參數[6]。孫志娟[7]等通過對不同剪跨比的榫卯剪力墻進行擬靜力試驗，研究了剪跨比對墻體受力性能的影響，結果表明，低剪跨比（剪跨比1.0）的榫卯剪力墻沒有發生剪切破壞，隨著剪跨比的提高，墻體的承載力降低，但抗變形能力提升。曹春利[8]等利用ABAQUS 精細化數值分析模型研究了邊緣構件縱向鋼筋配筋率對低剪跨比榫卯剪力墻受力性能的影響，結果表明，隨著邊緣構件縱向鋼筋配筋率的提高，低剪跨比墻體承載力顯著提高，但增幅明顯放緩。初明進[9]、李祥賓[10]等通過擬靜力試驗研究了軸壓比和水平鋼筋配筋率對中高剪跨比（剪跨比1.5）榫卯剪力墻的受彎性能的影響，結果表明提高水平鋼筋配筋率和增大軸壓比，均會使中高剪跨比榫卯剪力墻承載力及剛度有所增大，根部混凝土壓潰區域面積減小。

綜上，剪跨比對榫卯剪力墻的受力性能和破壞形式均有所影響。但目前研究多以低剪跨比和中高剪跨比榫卯剪力墻為對象，針對高剪跨比（剪跨比2.0）榫卯剪力墻受力性能的研究較少，為進一步探究高剪跨比榫卯剪力墻的受力性能和破壞形式，本文采用ABAQUS 有限元分析軟件建立了高剪跨比榫卯剪力墻的精細化有限元分析模型，通過分析骨架曲線、破壞形態等，明晰了高剪跨比榫卯剪力墻的破壞過程，期望對榫卯剪力墻在工程中的生產設計提供參考依據。

2 試驗概況

本文對文獻[11]中榫卯剪力墻試件SCW-R2 進行精細化有限元建模，通過與試驗現象的對比來進行模型的合理性驗證。

試件SCW-R2 為軸壓比0.15，剪跨比2.0 的榫卯剪力墻試件，其截面尺寸及配筋情況如圖2 所示。墻體截面尺寸為1 500 mm×200 mm，由榫卯板和兩側現澆邊緣構件組成。試件頂部設置加載梁，截面尺寸為300 mm×300 mm，試件底部設置地梁，截面尺寸為600 mm×650 mm。

圖2 試件SCW-R2 截面尺寸及配筋情況

預制混凝土與后澆混凝土的強度等級均為C30，其中預制混凝土強度實測值為46.33 MPa，后澆混凝土強度實測值為33.30 MPa，鋼筋均采用HRB400 級，具體力學性能指標見表1。

表1 鋼筋力學性能指標

3 模型建立

3.1 模型建立及網格劃分

對試件SCW-R2 中的預制混凝土、后澆混凝土以及鋼筋骨架進行分離式模型建立，混凝土采用八節點線性減縮積分三維實體單元（C3D8R 單元），鋼筋采用取二節點三維桁架單元（T3D2 單元）。為突出分析重點，對墻體及鋼筋骨架模型以50 mm 進行網格劃分，對加載梁和地梁模型以100 mm 進行網格劃分，如圖3 所示。

圖3 試件SCW-R2 模型建立

3.2 材料本構

試件SCW-R2 的混凝土本構模型采用塑性損傷模型，其中混凝土泊松比取0.2，預制混凝土和后澆混凝土的初始彈性模量分別為33 905 N/mm2和30 845 N/mm2，混凝土受壓、受拉應力-應變關系曲線根據規范[12]進行定義，受壓、受拉損傷因子參考文獻[13]進行計算，塑性變形參數設置見表2，其中fb0/fc0為雙軸屈服強度和單軸初始屈服強度的比值，K 為拉壓子午面第二應力不變量。

表2 塑性變形參數設置

鋼筋應力-應變關系采用雙斜線模型，泊松比取0.3，屈服準則采用Von Mises 準則，鋼筋彈性模量在彈性段取Es=2×105N/mm2，在鋼筋屈服后的強化段取E's=0.01 Es。

3.3 新舊混凝土結合面相互作用

ABAQUS 中的庫倫-摩擦模型、內聚力模型以及內聚力-摩擦混合模型均可用于新舊混凝土結合面的模擬[14-15]，但計算結果有一定差異[16]。

本文結合試件SCW-R2 的試驗結果以及各接觸模型的特點，選擇庫侖-摩擦模型來對模型中新舊混凝土結合面進行模擬，其剪應力τ-相對滑移s 曲線如圖4 所示。設置時，切向行為中摩擦公式采用“罰”，摩擦系數μ 設為0.6[17]，法向行為采用“硬接觸”，并在確定主從面時，將剛度較大的表面作為主面。

圖4 庫倫-摩擦模型

3.4 約束及邊界條件

鋼筋與混凝土之間設置Embedded 約束，不考慮二者之間的滑移。墻體上表面與加載梁之間以及墻體下表面與地梁之間均設置Tie 約束，地梁底部及側面設置完全固定約束。

設置兩個分析步來實現對試件的單調加載，Step-1 中設置集中力來模擬實驗中恒定軸向荷載的施加，Step-2 中一方面存在Step-1 傳遞的集中力，另一方面設置邊界條件來模擬實驗中水平控制位移的施加。

4 有限元模擬結果

4.1 骨架曲線

試件SCW-R2 的試驗骨架曲線與有限元模擬骨架曲線的對比如圖5 所示，各特征點數值見表3，通過對比看出：試件SCW-R2 實際試驗與有限元模擬的骨架曲線基本吻合，屈服荷載和峰值荷載的誤差分別為9.69%和14.51%，屈服位移和峰值位移的誤差分別為2.40%和8.74%，誤差基本控制在10%左右。

表3 各特征點數值

圖5 試驗與有限元模擬加載點水平力-位移骨架曲線對比圖

4.2 破壞形態

最大主塑性應變云圖能夠直觀的呈現出試件在加載過程中混凝土的開裂情況，可以在有限元模擬中用來表征試件的破壞形態。試件SCW-R2 在峰值狀態、破壞狀態（荷載下降至峰值荷載的85%或試驗結束）時試驗與模擬中破壞形態的對比如圖6 和圖7 所示，通過對比可以看出：

圖6 峰值狀態下的破壞形態對比

1）峰值狀態時，墻體中部豎向貫通圓孔處交叉斜裂縫較少；東西兩側邊緣構件出現水平裂縫，部分穿過榫卯接縫延伸至榫卯板表面；榫卯接縫處裂縫沿榫卯接縫的形狀持續向上開展。

2）破壞狀態時，墻體裂縫增多，墻體未出現對角斜裂縫，中部豎向貫通圓孔處出現多條交叉斜裂縫，東西兩側邊緣構件水平裂縫持續沿墻高向上發展，墻體頂部出出現了與水平軸大概呈45°角的斜裂縫。

3）采用模擬結果中的最大主塑性應變云圖表征的墻體破壞形態與試驗中墻體的實際破壞形態基本一致。

5 結論

采用有限元軟件ABAQUS 建立了高剪跨比榫卯剪力墻的精細化數值分析模型，對比了高剪跨比榫卯剪力墻試驗與模擬的骨架曲線和破壞形態，主要結論如下。

1）結合試驗結果以及各接觸模型的特點，采用庫侖-摩擦模型能夠準確計算高剪跨比榫卯剪力墻中新舊混凝土結合面間的相互作用。

2）基于ABAQUS 軟件建立的精細化數值分析模型合理，有限元模擬骨架曲線與試驗結果吻合較好，模型破壞特征與試驗現象基本一致，可用于之后的參數分析研究。