王文波

（廣東省建筑設(shè)計研究院廣州510010）

0 引言

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有較多優(yōu)點，如工期短、能耗低、現(xiàn)場環(huán)境好等［1-2］，但其抗震性能的不確定性也是制約裝配式結(jié)構(gòu)體系迅速發(fā)展的因素之一［3］。

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系有利于促進我國建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化，其中框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是裝配式結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用較為廣泛的一種，在此研究背景下，本文分別對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)中的墻梁連接節(jié)點進行有限元模擬計算，并分別對其震級下的抗震性能進行分析。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某保障性住房項目主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，工程平面、剖面如圖1所示。

1.2 模型選取

本項目首層構(gòu)件布置如圖2所示。

1.3 構(gòu)件拆分

圖1 工程布置圖Fig.1 Engineering Layo ut

取圖2 圈中標(biāo)記的墻梁連接節(jié)點，拆分后各構(gòu)件尺寸如圖 3 所示。其中，GHJ2、GHJ5為剪力墻Q1的構(gòu)造邊緣構(gòu)件，GHJ2、GHJ8為剪力墻Q2的構(gòu)造邊緣構(gòu)件，KL為框架梁。

裝配式結(jié)構(gòu)中，構(gòu)造邊緣構(gòu)件均為現(xiàn)澆，Q1、Q2及KL均為預(yù)制構(gòu)件。

圖2 節(jié)點位置Fig.2 Joint Location

圖3 節(jié)點平面及立面Fig.3 Joint Plan and Elevation

2 預(yù)制與現(xiàn)澆構(gòu)件的對比

2.1 配筋及材料信息

墻身混凝土為C40，框架梁混凝土為C30。

各項構(gòu)造邊緣構(gòu)件及框架結(jié)構(gòu)梁配筋如表1所示。

2.2 裝配式節(jié)點構(gòu)造信息

2.2.1 后澆帶

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造：15G310-2》，水平后澆帶為整體澆筑，寬度等同剪力墻墻身的厚度，高度不小于樓板厚度，本文取120 mm，縱向鋼筋配置為214。

2.2.2 墻梁連接處鋼筋搭接

節(jié)點搭接構(gòu)造依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造：15G310-2》，其中墻梁連接處鋼筋搭接如圖4 所示，墻內(nèi)水平分布筋與梁內(nèi)預(yù)制鋼筋搭接長度為1.2laE。

2.2.3 墻梁連接鍵槽

墻、梁連接節(jié)點依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造：15G310-2》，裝配式節(jié)點構(gòu)造尺寸如圖5 所示，框架梁中預(yù)留2根縱向鋼筋在墻體后澆段內(nèi)錨固。

3 荷載取值

3.1 裝配式結(jié)構(gòu)

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1-2014》8.1.1 條規(guī)定，裝配式結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的彎矩、剪力值均取1.1倍現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)（見表2）。

表1 結(jié)構(gòu)配筋信息Tab.1 Structural Reinforcement Information

圖4 節(jié)點構(gòu)造尺寸Fig.4 Joint Structure Size

圖5 節(jié)點尺寸詳圖Fig.5 Joint’s Size Detail

3.2 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)

從盈建科計算模型中提取各構(gòu)件的內(nèi)力（彎矩、剪力、軸力），如表2所示。

其中，由于本面墻體方向為Y向，所以對構(gòu)件施加EY方向地震作用力。

表2 各構(gòu)件荷載取值Tab.2 Load Value of Each Component

4 模型建立

4.1 材料本構(gòu)

4.1.1 鋼筋本構(gòu)

鋼筋的本構(gòu)關(guān)系由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015版）：GB 50010-2010》確定，采用有屈服點的三折線模型［4］，具體參數(shù)由附錄C中C.1.1～C.1.3條文計算采用。

4.1.2 混凝土本構(gòu)

混凝土本構(gòu)關(guān)系由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015版）：GB 50010-2010》確定，利用ABAQUS 中的“混凝土損傷塑性模型（CDP）”［5］定義，分別指定混凝土材料的軸心抗壓強度、軸心抗拉強度、塑性應(yīng)變值和損傷因子［6-7］。

4.2 加載模式

剪力墻分構(gòu)造邊緣構(gòu)件和墻身構(gòu)件兩部分，分別對其加載彎矩、剪力、軸力；框架梁荷載較小，按照位移加載，在跨中設(shè)置耦合點以施加豎向位移。本模型共設(shè)置3個分析步加載：

第一步，施加微小作用力，使模型各構(gòu)件之間平穩(wěn)接觸，便于后期數(shù)據(jù)迭代；

第二步，施加3.2節(jié)中的恒載作用；

第三步，上述恒載作用延續(xù)的同時，分別施加3項地震作用力。

4.3 接觸處理

裝配試件接觸處理中，對于梁墻交界處及后澆帶連接部分的接觸定義庫倫摩擦屬性，由于除節(jié)點區(qū)域外的其他接觸不是研究重點，使用tie（粘結(jié)）功能將現(xiàn)澆部分和預(yù)制部分貼合在一起，保證兩者之間不發(fā)生脫離［8-9］。

5 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與裝配式結(jié)構(gòu)不同震級下的受力分析

5.1 小震下疊加Y向地震力

根據(jù)圖6、圖7，小震荷載工況下，鋼筋及混凝土構(gòu)件應(yīng)力均在各自屈服強度以下，鋼筋最大應(yīng)力集中在邊緣構(gòu)件底部，混凝土最大應(yīng)力集中在墻梁連接節(jié)點處，其中裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)力及整體延性均略大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖6 小震下鋼筋骨架應(yīng)力分布Fig.6 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

圖7 小震下混凝土構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.7 Stress Distribution of Concrete Members

5.2 中震下疊加Y向地震力

根據(jù)圖8、圖9，中震荷載工況下，鋼筋已有部分達到屈服，最大應(yīng)力位于邊緣構(gòu)件底部；混凝土構(gòu)件的應(yīng)力仍未達到屈服強度，最大應(yīng)力分布在墻梁連接節(jié)點位置，裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)力略大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

5.3 大震下疊加Y向地震力

根據(jù)圖10、圖11，大震荷載工況下，裝配式結(jié)構(gòu)整體變形較大，構(gòu)造邊緣構(gòu)件GHJ2 底部混凝土局部壓碎，繼續(xù)加載后期其連梁上部混凝土將被壓碎；現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)損傷略小于裝配式結(jié)構(gòu)。

圖8 中震下鋼筋骨架應(yīng)力分布Fig.8 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

圖9 中震下混凝土構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.9 Stress Distribution of Concrete Members

圖10 大震下鋼筋骨架應(yīng)力分布Fig.10 Stress Distribution of Steel Reinforcement Skeleton

圖 11 大震下混凝土構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.11 Stress Distribution of Concrete Members

5.4 裝配式結(jié)構(gòu)不同震級下受力性能

5.4.1 連梁應(yīng)力比對

由圖12 可知，小中震下受力位于彈性階段；大震下受壓應(yīng)力為27.4 MPa，連梁將發(fā)生混凝土擠壓破壞。

5.4.2 后澆帶應(yīng)力比對

由圖13可知，大震下墻體后澆帶受拉強度為1.4 MPa，受壓強度為21 MPa，均在極限強度范圍內(nèi)，不會發(fā)生破壞。

圖12 連梁應(yīng)力分布Fig.12 Stress Distribution of Continuous Beam

圖13 后澆帶應(yīng)力分布Fig.13 Stress Distribution in Post-cast Zone

根據(jù)5.1～5.3 節(jié)，小震、中震荷載工況下裝配式結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)明顯破壞，梁墻連接節(jié)點區(qū)域的混凝土受壓應(yīng)力較大；大震下構(gòu)造邊緣構(gòu)件GHJ2 局部受壓應(yīng)力最大為31 MPa，已超過C40 混凝土的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，導(dǎo)致局部受壓破壞，計算單元出現(xiàn)變形；梁墻交接處局部混凝土單元壓應(yīng)力達到27 MPa，將于剪力墻底部受壓損傷之后發(fā)生損傷。

6 數(shù)值模擬分析

為了研究墻梁節(jié)點承載能力、變形能力、層間剛度等性能，同時分析受力過程中混凝土和鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫的開展?fàn)顟B(tài)，對墻身施加水平位移荷載［10］，結(jié)果分析如下：

對兩類結(jié)構(gòu)的剪力墻均施加沿墻體方向（Y向）的側(cè)向水平位移荷載，剪力墻損傷如圖14所示。

對比上述兩類結(jié)構(gòu)的損傷過程，可知裂縫發(fā)展情況相似，均大致沿墻身的45o方向；不同之處在于裝配式結(jié)構(gòu)整體剛度略低于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)整體延性較好，裂縫開展相較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)滯后，相同的層間位移荷載下，裂縫開展寬度也比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)略小。

采集模型中的層間剪力、側(cè)移數(shù)據(jù)，繪制現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)及裝配式結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線如圖15所示。

圖 14 剪力墻損傷對比Fig.14 Shear Wall Damage Comparison

圖15 荷載位移曲線Fig.15 Load Displacement Curve

部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

綜上可知，兩類結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線整體趨勢相似，其中現(xiàn)澆節(jié)點的剛度、承載力均略大于裝配式節(jié)點。

對于剪力墻結(jié)構(gòu)，規(guī)范允許的最大位移角為1/1 000，本模型層高為3 000 mm，故對應(yīng)的層間位移為3 mm，由曲線可以看出此時節(jié)點尚處于彈性階段，結(jié)構(gòu)承載能力仍有持續(xù)上升的空間，結(jié)構(gòu)布置安全。

表3 兩組墻梁結(jié)構(gòu)信息對比Tab.3 Comparison of Two Groups of Wall-beam Structure Information

7 結(jié)論

由兩組節(jié)點的模擬結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

⑴ 兩類結(jié)構(gòu)節(jié)點在小、中、大三級地震下的受力性能略有不同，但整體相似；

⑵ 在施加相同的層間位移荷載后，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)應(yīng)力略大于裝配式結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)延性略大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)；

⑶ 裝配式結(jié)構(gòu)可在墻梁連接處采取一定的構(gòu)造措施，以保證連接面的貼合能力，如增設(shè)抗剪鍵槽，延長鋼筋錨固長度等；

⑷ 基于有限元分析結(jié)果，通過現(xiàn)在的設(shè)計、構(gòu)造方法及技術(shù)，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)基本可以實現(xiàn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同的抗震能力。