朱寶勝,張 軒

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430223

水平鋼筋對疊合板承載力影響分析

朱寶勝1,張 軒2

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430223

試驗運用Ansys軟件對疊合剪力墻板進(jìn)行模擬加荷，分析了拼縫處荷載增長及破壞情況，發(fā)現(xiàn)隨著軸壓比的增加，拼縫處設(shè)置暗柱和水平鋼筋對承載能力和剪力傳遞影響不大；并對拼縫處應(yīng)力傳遞特征進(jìn)行模擬，分析了拼縫處內(nèi)力的傳遞過程，認(rèn)為水平鋼筋長度對拼縫剪力傳遞的影響不大，但鋼筋直徑的增加能明顯提高承載力。

疊合板;剪力墻;水平鋼筋

1 問題的提出

目前，我國對鋼筋混凝土疊合剪力墻板的系統(tǒng)全面的試驗研究與理論分析才剛剛起步。據(jù)文獻(xiàn)資料檢索，采用疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，國外在這方面的研究甚少，國內(nèi)的研究也只是在起步階段[1-2]。隨著建筑施工技術(shù)發(fā)展，疊合式剪力墻板在高層建筑中使用越來越廣泛。疊合式剪力墻板雖然施工便捷，但由于墻板的拼結(jié)處水平鋼筋中斷，不利于結(jié)構(gòu)剪力的傳遞，影響了墻板承載能力，需要在拼縫處設(shè)置水平鋼筋將兩片板連成整體。本文運用Ansys軟件模擬拼縫處應(yīng)力傳遞情況，并引入了彈簧單元將拼縫兩側(cè)的單元聯(lián)結(jié)起來。通過適當(dāng)?shù)倪x擇彈簧勁度系數(shù)，真實模擬拼縫處變?nèi)跚闆r，并得出試驗結(jié)果，希望為疊合式剪力墻板工程的實際應(yīng)用提供一定的參考。

2 建立模型

為便于建模，并盡量模擬實際環(huán)境，試件由兩片疊合式剪力墻板構(gòu)成，中間豎向拼縫處水平鋼筋中斷，澆注時隙處會滲入混凝土，在此位置引入的彈簧單元模擬間隙處的混凝土。彈簧的勁度系數(shù)取E=3×104MPa，在低周期加載情況下，阻尼效應(yīng)很小，取η=0.005，單元間隙設(shè)為0，不考慮滑移能力，在本模型中彈簧方向為Y方向。加載分兩級進(jìn)行，豎向加載至0.1個軸壓比值，然后加載水平荷載[7]。

具體建模步驟如下：(1)定義分離式鋼筋節(jié)點，生成線單元，建立水平鋼筋和錨固筋；(2)疊合板預(yù)制部分混凝土模型由體直接生成，按鋼筋單元的劃分情況相應(yīng)地劃分單元；(3)采用掃掠方式沿著鋼筋的縱向進(jìn)行掃掠，生成夾芯層混凝土單元；(4)在拼縫處生成彈簧單元；(5)對點、線、面進(jìn)行耦合，將多余的節(jié)點、線、面刪除，生成疊合式鋼筋混凝土模型。

3 水平鋼筋直徑對剪力傳遞的影響

試件的混凝土材料有兩種：預(yù)制部分為C40，現(xiàn)澆部分為C35；水平鋼筋用二級鋼(HRB335)，長度400 mm，共4件。SW-4試件直徑為6 mm，SW-5試件直徑為8 mm，SW-6試件直徑為10 mm，SW-7試件直徑為12 mm[6]。模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同直徑下等效應(yīng)力云圖

試件破壞時，受壓區(qū)的錨固筋屈服，綁扎水平鋼筋的縱筋隨后屈服，最后受拉區(qū)錨固筋屈服，此時水平鋼筋上的應(yīng)力在186.1～260.5 MPa之間，未屈服。當(dāng)水平荷載達(dá)500 kN左右時，受壓錨固筋屈服(335 MPa)，受拉筋最大應(yīng)力大約在247 MPa左右。水平鋼筋直徑大，更有利于拼縫處的剪力傳遞，延緩受拉縱筋的屈服，對提高試件的承載能力有作用。

由圖2可看出，試件在開裂時，墻肢邊緣的縱筋應(yīng)力突然增大，隨著水平荷載增大，混凝土傳遞剪力作用減弱。當(dāng)水平荷載達(dá)300 kN時，拼縫處的水平鋼筋上的應(yīng)力徒然上升，隨后應(yīng)力增加變緩，呈線性增大，在構(gòu)件破壞前有突然增加趨勢。水平鋼筋直徑越大，應(yīng)力變化越緩慢。

圖2 等效應(yīng)力云圖

4 水平鋼筋長短對剪力傳遞的影響

試件的混凝土材料有兩種：預(yù)制部分為C40，現(xiàn)澆部分為C35；板內(nèi)配筋和錨固筋與上節(jié)相同水平鋼筋為二級鋼(HR335B)12，共4件。SW-8試件水平鋼筋長度為200 mm，SW-9試件水平鋼筋長度為400 mm，SW-10試件水平鋼筋長度為600 mm，SW-11試件水平鋼筋長度為800 mm。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 水平鋼筋應(yīng)力變化

由圖3可知，受壓區(qū)的錨固筋先屈服，綁扎水平鋼筋的縱筋隨后屈服，最后受拉區(qū)錨固筋屈服，此時水平鋼筋上的應(yīng)力隨長度的增加而減小，未達(dá)到屈服。水平鋼筋的長短，對延緩受壓區(qū)縱筋的屈服影響不大。當(dāng)水平荷載達(dá)500 kN左右時，受壓錨固筋屈服，受拉筋最大應(yīng)力隨水平鋼筋長度增加而減小，在286～245 MPa之間。但是水平鋼筋長度有利于延緩受拉縱筋的屈服，長度超過L=400 mm后，對提高試件的承載能力影響不大。圖4繪出了水平鋼筋應(yīng)力變化，可以看出：試件在開裂時，墻肢邊緣的縱筋應(yīng)力突然增大，隨著水平荷載的增大，混凝土傳遞剪力能力減弱。當(dāng)水平荷載達(dá)300 kN時，拼縫處的水平荷載徒然上升，隨后應(yīng)力增加變緩，呈線性增大，在構(gòu)件破壞前有突然增加趨勢。長度超過400 mm的水平鋼筋，應(yīng)力隨水平荷載增加變化很小。

圖4 水平鋼筋應(yīng)力變化

5 拼縫處內(nèi)力傳遞過程分析

水平鋼筋的長短和直徑大小對剪力的傳遞效果不同，反映在拼縫處的彈簧單元上的受力變化。水平鋼筋傳遞內(nèi)力的效果好，彈簧單元上所受的力就小。圖5中試件都已屈服，部分試件沒有達(dá)到極限荷載。

從圖5看出：(1)水平荷載在250 kN之前，拼縫間隙處混凝土處于受壓狀態(tài)。此時試件處于彈性變形階段，主要由混凝土承擔(dān)著外部荷載。隨著水平荷載的增大，構(gòu)件開裂，變形增加，受拉區(qū)內(nèi)力開始向縱筋轉(zhuǎn)移，水平鋼筋的抗剪作用也顯現(xiàn)，此時拼縫間隙處混凝土處受拉狀態(tài)，并隨荷載增加，內(nèi)力快速增加，直到構(gòu)件屈服后內(nèi)力增長變緩或下降。隨著水平鋼筋粘接破壞，剪力傳遞途徑中斷，外部荷載大部分由拼縫處混凝土承擔(dān)。(2)構(gòu)件出現(xiàn)開裂后，水平鋼筋直徑越大，拼縫處的混凝土承受的內(nèi)力就越?。环粗?，說明直徑大的水平鋼筋傳遞剪力更有效。(3)構(gòu)件出現(xiàn)開裂后，水平鋼筋長超過400 mm后，拼縫處的混凝土承受內(nèi)力基本保持在同一個水平變化；反之，說明水平鋼筋長度超過400 mm后對剪力傳遞影響不大。

圖5 拼縫處內(nèi)力與水平鋼筋的關(guān)系圖

6 結(jié)束語

運用Ansys有限元程序模擬不同軸壓比下試件的應(yīng)力分布、破壞形態(tài)、承載能力，研究拼縫處的水平鋼筋對剪力傳遞和承載力的影響，得到以下結(jié)論：

(1)水平鋼筋長度超過400 mm以后，對承載能力影響很小。這個長度對拼縫處的剪力傳遞已非常有效，設(shè)計過長既不經(jīng)濟(jì)，也不便施工。

(2)水平鋼筋的直徑越大，承載能力有所增強(qiáng)。從軸力圖及相關(guān)數(shù)據(jù)分析可看出，水平鋼筋直徑大，可延緩受拉區(qū)縱筋的屈服，從而提高了試件的承載能力。

(3)受壓區(qū)縱筋最先壓服，隨后綁扎水平鋼筋的縱筋屈服，最后受拉區(qū)錨固筋拉屈，混凝土隨之破壞，承載力散失。

[1]沈小璞．疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗研究[D]．合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木工程系，2008:72-73

[2]DB34810-2008.疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2008：68-69

[3]姚振綱，劉祖華．建筑結(jié)構(gòu)試驗[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996：76-77

[4]GB5O152-92.混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992：156

[5]王天穩(wěn)．土木工程結(jié)構(gòu)試驗[M].北京：科學(xué)出版社，2003：16

[6]沈小璞．建筑結(jié)構(gòu)動力時程響應(yīng)分析與計算的新方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006,36(7)：75

[7]張勝民．基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社．2003：122-124

[8]龔曙光，謝桂蘭．ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：42

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.07.031

2015-02-10

朱寶勝(1981-)，安徽肥西人，碩士，講師，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU375

A

1673-2006(2015)07-0114-03