王中強(qiáng)，謝 廉

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)是將預(yù)制墻板或部分預(yù)制墻板通過(guò)安全穩(wěn)定的連接方式組裝而成的混凝土結(jié)構(gòu)［1］。預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)具有抵抗水平荷載能力好、容易滿足承載力要求、建筑平面布局靈活等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)預(yù)制混凝土高層住宅最常用的結(jié)構(gòu)型式之一［2］。

預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)易在水平和豎向連接部位形成薄弱面，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能。因此眾多研究者對(duì)預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位的連接受力方式進(jìn)行了大量的深入研究。錢(qián)稼茹等人［3?5］分別利用套筒注漿連接、漿錨搭設(shè)連接方式的裝配式剪力墻進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)和研究，結(jié)果均顯示，套筒注漿連接、漿錨搭設(shè)連接均能夠合理有效的傳導(dǎo)鋼筋應(yīng)力，預(yù)制剪力墻和現(xiàn)澆剪力墻的破壞形式、承載力、耗能性能和抗側(cè)剛度基本相同，具有可靠的抗震性能，但是在實(shí)際施工安裝過(guò)程中存在對(duì)安裝施工精度要求高、灌漿料驗(yàn)收困難以及施工成本過(guò)高等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，余志武等人［6?9］對(duì)裝配式剪力墻采用環(huán)筋扣合錨接和齒槽連接形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果均顯示，采用環(huán)筋扣合錨接和齒槽連接的鋼筋能夠可靠有效的傳導(dǎo)鋼筋應(yīng)力，預(yù)制墻體和現(xiàn)澆墻體的破壞形式均為壓彎破壞，預(yù)制墻體的抵抗變形能力略低于現(xiàn)澆墻體的抵抗變形能力，因?yàn)楹鬂不炷岭y以密實(shí)，導(dǎo)致整體性能較差。墻體裂縫主要出現(xiàn)在預(yù)制墻體和后澆邊緣構(gòu)件形成的新舊混凝土交界區(qū)域，且該交界區(qū)域易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

利用有限元軟件ABAQUS 分別建立了9 個(gè)有限元模型，進(jìn)行單向推覆荷載下的數(shù)值模擬分析，分析改變軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率和環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻的抗震性能的影響。

1 試件設(shè)計(jì)

復(fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻是由預(yù)制墻體、加載梁和地梁組成，其中預(yù)制墻體預(yù)留復(fù)合齒槽，兩側(cè)約束邊緣暗柱與復(fù)合齒槽區(qū)域現(xiàn)澆。本文設(shè)計(jì)了9 個(gè)模型，每個(gè)模型的尺寸均相同。預(yù)制墻體高

圖1 試件YZ1幾何尺寸及配筋Fig.1 Geometric Dimension and Reinforcement of Specimen YZ1 （mm）

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

⑴混凝土材料采用有限元軟件ABAQUS 中的塑性損傷CDP 模型，混凝土受拉損傷因子和受壓損傷因子可根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010》［10］給出的混凝土材料本構(gòu)關(guān)系建議公式進(jìn)行確定，混凝土塑性損傷CDP模型相關(guān)系數(shù)取值如下：彈性模量ES=33 600 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=43.1 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=3.0 MPa，密度ρ=2 400 kg/m3，偏心率為0.1，泊松比為0.3，膨脹角為0.667，粘滯系數(shù)為0.05。

2.2 有限元模型的建立

⑴網(wǎng)格劃分及單元選取。混凝土單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分C3D8R單元，鋼筋則采用三維桁架單元T3D2 模型，地梁和加載梁劃分為剛體，網(wǎng)格按全局尺寸為50 mm×50 mm×50 mm 對(duì)墻體和鋼筋單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化劃分，為了加快模型運(yùn)行效率，將加載梁和基礎(chǔ)梁的網(wǎng)格放大到200 mm×200 mm×200 mm。

⑵相互作用及約束。鋼筋通過(guò)Embedded 方式將所有鋼筋組成的鋼筋骨架嵌入整個(gè)模型中，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移。新舊混凝土結(jié)合面采用接觸關(guān)系進(jìn)行模擬，切向接觸采用“基于界面的粘結(jié)行為”與“庫(kù)侖摩擦準(zhǔn)則”的組合進(jìn)行模擬，其中摩擦系數(shù)取0.5，法向受壓采用“硬接觸”進(jìn)行模擬。

⑶加載形式和邊界條件。有限元模型的邊界條件選取地梁底面施加完全固定約束，邊界條件持續(xù)至分析結(jié)束。在加載梁頂部設(shè)置參考點(diǎn)RP1 并與頂面耦合形成耦合點(diǎn)，第一步在耦合點(diǎn)施加豎向集中荷載，第二步在耦合點(diǎn)施加單向推覆水平位移。最終建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 試件有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Specimen

3 有限元分析

3.1 混凝土損傷及應(yīng)力應(yīng)變分布

以YZ1 試件為基準(zhǔn)模型，其混凝土應(yīng)力云圖、混凝土壓縮損傷云圖及混凝土拉伸損傷云圖如圖3 所示?？梢缘弥瑥?fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻受壓損傷主要集中在預(yù)制墻體的中下部和邊緣構(gòu)件的下部，復(fù)合齒槽、約束邊緣暗柱與預(yù)制墻體有明顯的分界面，這說(shuō)明發(fā)生破壞主要是在預(yù)制墻體處。預(yù)制混凝土受拉損傷因子在約束邊緣暗柱區(qū)域近似水平發(fā)展，在預(yù)制墻體中按照一定的角度斜向發(fā)展，裂縫從墻體根部隨著位移的增大至極限位移逐漸向上延伸最終導(dǎo)致墻體破壞。

圖3 混凝土云圖Fig.3 Cloud Images of Concrete

3.2 有限元參數(shù)分析

本文主要研究軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率和環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻的受力性能的影響。有限元模型具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter Settings of Finite Element Model

3.2.1 軸壓比

在不同軸壓比下預(yù)制剪力墻的荷載?位移曲線如圖4 所示?？梢缘弥?dāng)水平位移增加至2.62 mm，為彈性階段，初始剛度相差不大值，水平位移增加至峰值位移時(shí)，軸壓比為0.08，0.12，0.16 和0.24 峰值荷載分別為339.884 kN，417.470 kN，475.242 kN，587.653 kN，極 限 承 載 力 分 別 提 升 了22.82%，13.82%，23.60%，達(dá)到峰值荷載后，軸壓比從0.08 增大至0.24，墻體抵抗變形能力越差，延性降低。

圖4 不同軸壓比下墻體的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement Curves of Walls under Different Axial Compression Ratios

3.2.2 約束邊緣暗柱配筋率

不同約束邊緣暗柱配筋率預(yù)制剪力墻荷載?位移曲線如圖5所示。可以得知，在彈性階段，改變約束邊緣暗柱配筋率下，對(duì)初始剛度的影響可以忽略不計(jì)，隨著位移增大至峰值位移時(shí)，約束邊緣暗柱配筋率增加，剛度和極限承載力也隨之明顯提高。但是在峰值位移后，在約束邊緣暗柱直徑為14 mm 的墻體，其剛度退化得最慢，在約束邊緣暗柱直徑為18 mm 的墻體，其剛度退化得最快，承載力下降得最快，結(jié)果表明，提高約束邊緣暗柱配筋率，墻體的極限承載力增大，但是，耗能能力先提高再降低。

圖5 不同約束邊緣暗柱配筋率墻體的荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement Curves of Walls with Different Reinforcement Ratios of Concealed Columns with Different Constraint Edges

3.2.3 環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度

不同環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度裝配式剪力墻荷載?位移曲線如圖6 所示?？梢缘弥?，在只改變環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度，其他因素不變的情況下，增加環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度能略微地提高墻體的極限承載力和延性。因此，復(fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻的抗震性能受環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度影響不大。

圖6 不同環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度墻體的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement Curve of Wall with Different Ring-stiffened Bolted Length

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改變軸壓比、約束邊緣暗柱配筋率以及環(huán)筋扣合錨接三個(gè)參數(shù)研究復(fù)合齒槽環(huán)筋扣合錨接預(yù)制剪力墻的受力性能，得出以下結(jié)論：

⑴從軸壓比0.08 提升至0.24，墻體的峰值荷載也隨之提高，且提升幅度較明顯，但是在墻體剛度退化階段，軸壓比越大，剛度退化速率越快，延性降低。

⑵隨著約束邊緣暗柱配筋率的增加，墻體的極限承載力逐漸提高，但是墻體的延性隨著約束邊緣暗柱配筋率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

⑶隨著環(huán)筋扣合錨接長(zhǎng)度的增加，墻體的極限承載力和延性略微有所提高，但是影響較小。

⑷墻體破壞主要發(fā)生在預(yù)制墻體的中下部，且裂縫在約束邊緣暗柱區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)水平發(fā)展，在預(yù)制墻體中按照一定角度呈斜向發(fā)展。