高 健 邵志兵 葉文啟

中天建設(shè)集團有限公司 浙江 杭州 310008

隨著建筑工業(yè)化在中國的推進，各類裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，其中裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅體系中得到廣泛應(yīng)用。

目前，裝配式剪力墻通常采用的連接方式包括：灌漿套筒連接[1]、漿錨連接[2]以及機械連接[3]。其連接節(jié)點是否可靠主要依賴工人操作的合規(guī)性。而疊合剪力墻則通過后澆混凝土和插筋將預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接成整體，且由于疊合剪力墻葉板之間存在空腔，故預(yù)制構(gòu)件的連接施工及吊裝都更為簡便。

雙面疊合剪力墻多采用桁架鋼筋連接內(nèi)外葉板及后澆混凝土，桁架筋的上、下弦也可作為葉板內(nèi)受力筋。近年，三一筑工自主研發(fā)的SPCS體系中，也包含雙面疊合剪力墻構(gòu)件。與常規(guī)雙面疊合剪力墻的不同點之一就在于SPCS疊合剪力墻內(nèi)外葉板采用由豎向鋼筋＋拉筋形成的整體鋼筋籠來拉結(jié)。

本文采用通用有限元軟件Abaqus，建立桁架筋和鋼筋籠連接的疊合剪力墻有限元模型，對比分析不同拉筋形式對疊合剪力墻受力的影響，形成結(jié)論。

1 有限元模型

1.1 模型介紹

模型中，混凝土強度等級選用C 3 0，鋼筋選用HRB400。選取某項目SPCS樣板樓的一片預(yù)制內(nèi)剪力墻作為模型SW1。墻板高度、寬度、厚度分別為2 750、2 000、200 mm，沿厚度方向依次為50 mm外葉板、100 mm空腔、50 mm內(nèi)葉板。剪力墻兩端均設(shè)400 mm×200 mm邊緣構(gòu)件，墻體受力縱筋及水平筋均按間距200 mm分布，邊緣構(gòu)件水平筋加密按100 mm間距布置。所有水平筋與縱筋相交處布置1道拉筋，配筋圖如圖1（a）所示。

采用桁架筋拉結(jié)的模型SW2，尺寸和模型SW1相同，邊緣構(gòu)件不變，2片葉板通過2道桁架鋼筋拉結(jié)，配筋圖如圖1（b）所示。

圖1 模型配筋

通過調(diào)整桁架筋上弦桿鋼筋截面，使2塊試件鋼筋量盡可能相近，關(guān)于拉筋部分的用鋼量統(tǒng)計如表1所示。SW1拉筋用鋼量比SW2多1%左右，可忽略。

表1 SW1及SW2拉筋用鋼量對比

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

選用彈性強化模型作為鋼筋本構(gòu)，屈服準(zhǔn)則為馮-米塞斯準(zhǔn)則，泊松比取0.31，鋼筋的彈性模量為2×105MPa，選用HRB400鋼筋，其屈服強度為360 MPa。應(yīng)力應(yīng)變曲線設(shè)定為兩段折線，屈服后折線的斜率為彈性模量的0.01[4]。混凝土本構(gòu)為Abaqus中內(nèi)置的塑性損傷模型，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]附錄C確定混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，初始線彈性模量取3×104MPa，泊松比取0.2，受壓塑性損傷因子與非彈性應(yīng)變的關(guān)系以及受拉塑性損傷因子與開裂應(yīng)變的關(guān)系可參考文獻[6-8]。

1.3 有限元模型建立

有限元模型主要包括鋼筋、預(yù)制混凝土葉板、空腔后澆混凝土和加載鋼梁，分別獨立建模。鋼筋使用桁架單元T3D2，混凝土和加載鋼梁使用實體單元C3D8R。忽略鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移，默認(rèn)二者嵌固牢固，使用Embedded region將鋼筋籠、桁架筋、環(huán)形插筋等鋼筋嵌入混凝土。默認(rèn)加載梁、地面與構(gòu)件連接可靠，新舊混凝土結(jié)合良好，建模時加載梁與構(gòu)件頂部，新舊混凝土結(jié)合面使用Tie綁定，默認(rèn)兩者共同工作?；炷辆W(wǎng)格大小為100 mm，鋼筋網(wǎng)格長度為20 mm，剪力墻有限元模型如圖2所示。

圖2 剪力墻有限元模型

1.4 邊界條件設(shè)定和加載方式

模型中，剪力墻底部所有自由度被約束，從而模擬構(gòu)件與地面剛接。通過加載梁頂面施加面荷載，將軸壓力傳遞至下部剪力墻；通過在加載梁一側(cè)端部設(shè)置水平位移模擬剪力墻在地震下的往復(fù)運動。整體模型施加重力荷載。分別在軸壓比0.2及軸壓比0.3時加載[9]。初始加載位移幅值為7.5 mm（約構(gòu)件高度的1/400），每級幅值增加5 mm。

構(gòu)件上部連接加載梁，加載梁為鋼梁，通過施加平面內(nèi)低周往復(fù)位移對鋼梁加載，模擬SW1和SW2的受力過程。構(gòu)件底部通過豎向環(huán)形鋼筋與地面連接。

2 結(jié)果對比、分析

2.1 不同連接形式拉筋受力狀態(tài)

選取加載梁側(cè)向位移為27.5 mm時鋼筋的軸向應(yīng)力云圖做對比。在軸壓比為0.2時（圖3）：SW1使用鋼筋籠連接，拉筋并未屈服，且主要受力的拉筋較為分散、均勻，更加充分地利用了材料的性能；SW2使用桁架筋拉結(jié)，主要由剪力墻底部區(qū)域的桁架起到拉結(jié)作用，且在豎向荷載及水平往復(fù)荷載的作用下，更多地由暗柱鋼筋起到了平面外的抗力作用。在往復(fù)位移荷載的作用下，部分混凝土應(yīng)變超過開裂應(yīng)變，混凝土單元在有限元計算過程中退出計算，且SW1和SW2在平面外產(chǎn)生少量位移和變形。在近似相等配筋率的情況下，鋼筋籠形式的拉筋分布相比桁架筋更均勻，能為剪力墻整體帶來更好的抗彎剛度。

圖3 軸壓比0.2時鋼筋應(yīng)力云圖

將軸壓比增至0.3（圖4）：SW1試件1/4～1/2墻高范圍內(nèi)的兩側(cè)葉板在軸壓作用下向平面外鼓起，拉筋和葉板內(nèi)水平筋共同參與受力，減輕了暗柱鋼筋的“負(fù)擔(dān)”；SW2中同樣存在剪力墻葉板向平面外鼓起的情況，但此時主要依靠葉板內(nèi)水平筋變形來承擔(dān)拉力，桁架筋起到的拉結(jié)作用有限，暗柱鋼筋也更多地“負(fù)擔(dān)”了軸壓帶來的平面外變形。相比軸壓比為0.2時，軸壓比為0.3時，延緩了混凝土的受拉開裂，SW1和SW2向平面外傾覆的趨勢減小，因此無論是鋼筋籠還是桁架筋，受力都更集中在構(gòu)件底部。

圖4 軸壓比0.3時鋼筋應(yīng)力云圖

2.2 不同連接形式拉筋作用下試件滯回曲線的對比分析

提取SW1及SW2頂點的位移-荷載曲線。從軸壓比為0.2時的滯回曲線結(jié)果（圖5）對比分析：

圖5 軸壓比0.2時位移-荷載曲線

1）SW1和SW2在反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件出現(xiàn)了剛度退化。在混凝土開裂前，位移-荷載曲線近似為線性增長的關(guān)系；而開裂后，試件剛度開始降低，在同等荷載的作用下，構(gòu)件頂點位移明顯增大。SW1和SW2相比，使用鋼筋籠連接形式的雙面疊合剪力墻，其剛度退化相較于使用桁架筋拉結(jié)更弱，這說明使用鋼筋籠連接時雙面疊合剪力墻的延性有一定提高。

2）SW1和SW2構(gòu)件頂點位移較小時，大部分混凝土仍處于彈性工作狀態(tài)，滯回曲線包裹的面積較小，隨著墻頂側(cè)移增大，試件滯回曲線包裹面積逐步增大。SW1與SW2相比，其滯回曲線更為飽滿，說明使用鋼筋籠連接時雙面疊合剪力墻的耗能性能好于使用桁架筋連接。

3）SW1極限承載力為353.2 kN，SW2極限承載力為327.0 kN，即在控制用鋼量相等時，SW1比SW2高8%。

從軸壓比為0.3時的滯回曲線結(jié)果（圖6）對比分析：

圖6 軸壓比0.3時位移-荷載曲線

1）SW1和SW2在反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件呈現(xiàn)出的剛度退化現(xiàn)象和軸壓比為0.2時類似，SW1在剛度退化上的趨勢仍弱于SW2，但是二者的差異在軸壓比增加時有所減小。捏攏現(xiàn)象更為明顯，說明提高軸壓比后，SW1和SW2的延性都有一定程度的下降，但SW1在延性上依舊優(yōu)于SW2。

2）SW1和SW2構(gòu)件受力初期，構(gòu)件基本保持彈性狀態(tài)工作。隨著位移增大，構(gòu)件開始進入彈塑性工作狀態(tài)，滯回環(huán)包裹面積也逐漸增大，SW1表現(xiàn)出來的耗能能力依舊好于SW2，但在提高軸壓比后，鋼筋籠對疊合剪力墻耗能能力提升的優(yōu)勢不如低軸壓比時明顯。

3）由于軸壓比的作用，SW1的極限承載力提高到423.8 kN，SW2的極限承載力提高到404.7 kN，但此時SW1與SW2相比，極限承載力僅提高4.7%。

3 結(jié)語

1）在用鋼量相等的前提下，鋼筋籠形式的拉筋分布較桁架筋更為分散，在疊合剪力墻承受軸壓和側(cè)向力時，受力更均勻，更充分地利用了材料性能。

2）鋼筋籠形式的拉筋，相比桁架筋剛度退化更弱，滯回環(huán)更為飽滿，因此使用鋼筋籠對葉板拉結(jié)的雙面疊合剪力墻構(gòu)件，其延性和耗能能力更優(yōu)。

3）使用鋼筋籠拉結(jié)的雙面疊合剪力墻構(gòu)件，極限承載力比使用桁架筋拉結(jié)的構(gòu)件略高。

4）隨著軸壓比的提高，鋼筋籠形式的拉結(jié)方式相比桁架筋拉結(jié)仍有一定優(yōu)勢，但優(yōu)勢在逐漸減小，趨于一致。

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[2] 錢稼茹,彭媛媛,秦珩,等.豎向鋼筋留洞漿錨間接搭接的預(yù)制剪力墻抗震性能試驗[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(2):7-11.

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[4] 周劍,任寶雙,侯建群.預(yù)制混凝土空心模剪力墻受剪性能有限元模擬[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(增刊2):443-447.

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