李 妍，王 芮，孫楠楠

（1：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春130118；2：長春凈月規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司，吉林 長春130118）

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)具有整體性好、側(cè)向剛度大等優(yōu)點，在高層建筑中的應(yīng)用比例逐漸攀升，成為多高層建筑中非常具有應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)形式。然而，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)由于需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行模板支護(hù)、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，因此存在一系列缺點，如：噪聲污染、粉塵污染；材料耗費(fèi)量大；施工周期長，施工質(zhì)量沒有保障等。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻施工的不足及推動中國建筑工業(yè)化進(jìn)程，近年來，國家大力發(fā)展預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。

預(yù)制裝配式剪力墻是將預(yù)制剪力墻通過豎向和水平接縫連接在一起成為一個整體。要保證墻體的穩(wěn)固可靠性、抗震性，預(yù)制剪力墻節(jié)點的連接是非常關(guān)鍵的。本文選取鮑磊等[1]提出的一種新型剪力墻螺栓連接方式：在水平接縫外包雙鋼板高強(qiáng)螺栓連接；通過對使用該連接方式連接的剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻進(jìn)行有限元分析，比較2種剪力墻的受力性能，為今后裝配式剪力墻螺栓連接的實際應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試件設(shè)計

試件墻體高3 m，寬1.2 m，為了考察螺栓鋼板接縫節(jié)點的受力性能，設(shè)計了2面剪力墻。SW-1為現(xiàn)澆剪力墻，SW-2包括上、下兩部分預(yù)制混凝土剪力墻半結(jié)構(gòu)，距墻體接縫60 mm處水平方向預(yù)留直徑為20 mm、間距為120 mm的螺栓孔洞，通過螺栓鋼板將上、下兩部分墻體連接，從形成整體結(jié)構(gòu)?；炷敛牧暇鶠镃30，水平和豎直鋼筋均為HRB400,水平接縫用10.9級的M20高強(qiáng)螺栓對穿，厚度為4 mm的Q235級鋼板，用扳手?jǐn)Q緊高強(qiáng)螺栓，統(tǒng)一施加預(yù)緊力，試件設(shè)計詳見圖1。

圖1 試件設(shè)計（mm）

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

運(yùn)用有限元模擬軟件ABAQUS建立剪力墻模型，先用“part模塊”建立個實體單元，然后通過“assembly模塊”按照試驗方案進(jìn)行裝配。為了實現(xiàn)模擬和試驗的最大化相似，墻體下表面采用固定約束（ENCASTRE）來創(chuàng)造邊界條件，各分部件的鋼筋通過Embedded嵌入墻體中。節(jié)點處上、下部分墻體間設(shè)置摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)為0.6，墻體與鋼板間設(shè)置摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)為0.4。模型中的混凝土、鋼板、螺栓均設(shè)置為實體單元C3D8R，鋼筋設(shè)為三維線性桁架T3D2單元，見圖2。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

為防止剪力墻在低周往復(fù)荷載的作用下由于墻體受力不均而發(fā)生偏壓，所以先施加一個豎向荷載，模擬時建立一個參考點，通過參考點與墻體上表面“耦合”作用將豎向荷載轉(zhuǎn)化為均勻分布的均布荷載。利用“Amplitudes”命令建立加載制度，對剪力墻施加水平往復(fù)力，將水平力施加在參考點上，避免出現(xiàn)負(fù)的特征值或者不收斂[2]。

2.2 本構(gòu)關(guān)系

材料的本構(gòu)關(guān)系反映了在循環(huán)荷載作用下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，是進(jìn)行有限元分析時必不可少的材料力學(xué)依據(jù)。材料的選取對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性在某種程度上有著一定的影響。所以，在進(jìn)行模型有限元分析研究時，要選取合理的材料本構(gòu)關(guān)系。

2.2.1 鋼材本構(gòu)關(guān)系

墻中鋼板采用Q235鋼材。螺栓采用10.9級M20螺栓，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3，螺栓應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4[3]。

圖3 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

圖4 螺栓、鋼板本構(gòu)關(guān)系

2.2.2 混凝土本構(gòu)關(guān)系

本試驗選取混凝土的強(qiáng)度等級為C30，綜合參考國內(nèi)外學(xué)者對混凝土本構(gòu)的關(guān)系模型的研究[4-6]，選用來自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50020—2010[7]附錄C給出的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖5。

圖5 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 有限元模擬對比結(jié)果分析

3.1 剪力墻破壞形態(tài)

對于預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)來說，墻體接縫的可靠連接是保證結(jié)構(gòu)整體性、安全性和抗震性能的關(guān)鍵。當(dāng)接縫連接性能較強(qiáng)時，預(yù)制構(gòu)件具有和現(xiàn)澆混凝土一樣較好的整體性，當(dāng)接縫連接性能較弱時，就會發(fā)生墻體提前破壞，對構(gòu)件影響極大，屬于非正常破壞，在設(shè)計中應(yīng)避免出現(xiàn)。

由圖6～圖8可以看出，本文中試件的裂縫主要分布在剪力墻下半部分墻體，X軸往復(fù)交替自墻角45°斜向墻中心發(fā)展，下側(cè)墻角混凝土壓碎。且SW-2最大應(yīng)力高于SW-1，說明裝配式螺栓鋼板連接剪力墻的承載能力高于現(xiàn)澆剪力墻。由圖8鋼板應(yīng)力云圖可以看出鋼板角部應(yīng)力增大，螺栓與鋼板接觸小范圍內(nèi)鋼板達(dá)到屈服強(qiáng)度，鋼板達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求。充分發(fā)揮了鋼板及螺栓的強(qiáng)度優(yōu)勢。

圖6 SW-1應(yīng)力云圖

圖7 SW-2應(yīng)力云圖

圖8 鋼板應(yīng)力云圖

3.2 滯回曲線對比

滯回曲線又稱恢復(fù)力曲線，是結(jié)構(gòu)在循環(huán)往復(fù)荷載作用下得到的荷載-變形曲線。曲線可以反映地震作用下的抗震性能。本文采用位移控制加載方法，對剪力墻進(jìn)行低周往復(fù)加載，加載過程中可以清晰的看到構(gòu)件是否變形、損傷。

SW-1和SW-2的滯回曲線分別如圖9～圖10所示。通過對比能夠看出，2個模型的滯回曲線都呈梭形，形狀飽滿，說明兩面剪力墻的塑性變形能力都很好。

圖9 SW-1滯回曲線

圖10 SW-2滯回曲線

3.3 抗震性能對比

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，增大結(jié)構(gòu)的額延性系數(shù)可以保障結(jié)構(gòu)在地震時“壞而不倒”，減小地震對結(jié)構(gòu)的作用，通常要求延性系數(shù)＞3[8]。裝配式結(jié)構(gòu)在連接節(jié)點處的連接沒有現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)堅固，整體性較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)弱一些，延性性能沒有現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)好，但SW-1與SW-2同樣擁有較大的延性系數(shù)，滿足抗震性能要求。本文采用位移延性系數(shù)來描述試件的的延性性能，通過“ABAQUS”模擬試驗得到的結(jié)果見表1。

表1 位移延性系數(shù)

4 結(jié)論

隨著裝配式結(jié)構(gòu)體系成為我國建筑行業(yè)的必然趨勢，裝配式剪力墻的連接方式對結(jié)構(gòu)各方面性能尤為重要。本文通過有限元軟件“ABAQUS”,分析了螺栓-鋼板接縫連接的裝配式混凝土剪力墻在低周往復(fù)荷載下的受力性能。得到以下結(jié)論。

1）螺栓-鋼板連接裝配式剪力墻相比于現(xiàn)澆剪力墻延性較小，整體性較弱。但依舊處于規(guī)定范圍之內(nèi)，延性性能較為良好；而在承載能力和耗能能力方面都比后者有優(yōu)勢。

2）螺栓-鋼板連接裝配式剪力墻的連接方式能夠有效提高剪力墻水平接縫處的強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計使用要求。

3）采用螺栓、鋼板連接預(yù)制剪力墻上、下墻體，可以有效發(fā)揮鋼板的承載能力和耗能能力。

4）螺栓-鋼板連接裝配式剪力墻在抗震性能方面較現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)，但在現(xiàn)場施工和操作中更加方便快捷。能夠很大程度上加快工程進(jìn)度。