張澤暉ZHANG Ze-hui

（河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000）

0 引言

目前建筑工地的施工方式以現(xiàn)澆混凝土為主，造成環(huán)境污染、施工時間長、資源浪費(fèi)等問題，當(dāng)今建筑行業(yè)的發(fā)展模式已不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。裝配式結(jié)構(gòu)有著環(huán)保低碳、施工方便、有效節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)，且受環(huán)境制約較小。因此有必要對裝配式建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。

研究表明，在地震災(zāi)害中裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)房屋的墻體部分破壞較少，主要的破壞集中在節(jié)點(diǎn)連接部分。因此，預(yù)制混凝土墻連接節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震性能是研究的重點(diǎn)。迄今為止的研究主要集中在預(yù)制混凝土墻的水平接縫（構(gòu)件數(shù)相連接），很少有研究關(guān)注墻的垂直接縫（構(gòu)件水平連接）。

在國內(nèi)，黃遠(yuǎn)設(shè)計了5個試件，對其進(jìn)行水平加載試驗，得出拼縫抗剪承載力主要是由界面抗剪摩擦力和軟索的消栓力組合而成，提出拼縫抗剪能力的三折線受力模型，推導(dǎo)出界面極限抗剪承載力計算公式為PU=0.27μfyAs+計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，為拼縫抗剪計算提供重要的依據(jù)。杜洪凱設(shè)計了四種墻體：一字型、L型和兩種工字型墻體，分別進(jìn)行了有或無垂直荷載的擬靜力試驗。測試表明，一字型和L形墻體的破壞形式相似。在工字形墻的情況下，墻的破壞先于節(jié)點(diǎn)，在破壞階段均有軟索被拔出的現(xiàn)象。相比之下，工字形墻體的屈服荷載和極限位移明顯提高，而翼墻能更有效的提高墻體的承載能力。在垂直荷載作用下，墻體的剛度降低得更慢，從而減慢了裂縫的發(fā)展速度。

Tran A研究發(fā)現(xiàn)軟索的間距和節(jié)點(diǎn)中砂漿的強(qiáng)度對軟索的界面抗剪承載力影響較大。M.Artemeva研究了不同型號軟索的界面抗剪性能，研究結(jié)果表明軟索界面抗剪承載力與混凝土和砂漿的強(qiáng)度成正比，與軟索間距成反比。Arike R研究發(fā)現(xiàn)，軟索盒產(chǎn)生的抗剪鍵可以提高節(jié)點(diǎn)的抗剪能力。Surekha A使用Etabs計算了地震和風(fēng)荷載下的某11層結(jié)構(gòu)，并驗算了其可靠性。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對軟索連接這一節(jié)點(diǎn)的有限元分析較少，本文通過ABAQUS結(jié)合已有的試驗研究對軟索連接節(jié)點(diǎn)的L形剪力墻進(jìn)行力學(xué)性能分析，為此類研究提供參考。

1 有限元計算模型

1.1 試驗數(shù)據(jù)

ABAQUS擁有非常強(qiáng)大的有限元分析能力，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)。對非線性模擬的處理有獨(dú)特的優(yōu)勢。本文將通過有限元模擬結(jié)果和試驗結(jié)果相對比來驗證有限元模擬分析的有效性。北京建筑大學(xué)共設(shè)計了8個預(yù)制剪力墻構(gòu)件，分別是一字型、L型、工字Ⅰ型和工字Ⅱ型，每種構(gòu)件分為有軸壓和無軸壓兩組。主墻和翼墻用軟索連接，將一根直徑18mm鋼筋插入到搭接好的軟索環(huán)內(nèi)，墻體厚度均為150mm，空心剪力墻空洞直徑65mm，主墻肢長2680mm，高2830mm，混凝土為C30，鋼筋采用HRB400。對其擬靜力試驗中2B構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬。以下是試驗試件及加載制度介紹。在試驗當(dāng)中采用先荷載后位移的方式，豎向荷載為恒載由液壓千斤頂提供，并由頂梁上方的鋼梁均勻分布到墻體上，其大小由軸壓比確定。水平方向采用逐級施加荷載方法，先由荷載控制加載直至墻體屈服，然后采用位移加載，每級增加1△y，構(gòu)件到達(dá)極限荷載后作動器收到的反力開始下降，當(dāng)作用反力下降到極限荷載的85%時認(rèn)為構(gòu)件破壞。

1.2 混凝土本構(gòu)

鋼筋和混凝土的本構(gòu)模型是否準(zhǔn)確尤為重要，關(guān)系到最后計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在ABAQUS有限元模擬中存在多種混凝土本構(gòu)模型，其中應(yīng)用最為廣泛的是混凝土彌散裂紋模型、混凝土裂紋模型和混凝土塑性損傷模型。本文中混凝土材料采用混凝土損傷塑性模型，彈性階段泊松比取0.2，取膨脹角為30°，取偏心率默認(rèn)為0.1，取粘性參數(shù)為0.0015，K取2/3。本構(gòu)計算采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）中規(guī)定的公式計算，表達(dá)式如下：

受壓狀態(tài)：

式中：αc—混凝土單軸壓縮狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線降低區(qū)段對應(yīng)的參數(shù)；fc，r—單軸抗壓強(qiáng)度代表值，可取ft、ftk或ftm；εc，r—單軸抗壓強(qiáng)度代表值fc，r的峰值壓應(yīng)變；dc—單軸壓縮損傷的演化參數(shù)。

受拉狀態(tài)：

式中：αt—混凝土單軸抗拉狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線降低區(qū)段對應(yīng)的參數(shù)；ft，r—單軸抗拉強(qiáng)度代表值，可取ft、ftk或dtm；εt，r—單軸抗拉強(qiáng)度代表值ft，r的峰值拉應(yīng)變；dt—單軸拉伸損傷的演化參數(shù)。

1.3 鋼筋本構(gòu)

試驗所用的軟索為直徑6mm，其中鋼絲繩為6股，每股19絲，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1770MPa，實(shí)測抗拉承載力47kN。在結(jié)構(gòu)分析的過程中鋼筋本構(gòu)通常分為雙折線、三折線以及理想模型這三種模型，本文中鋼筋本構(gòu)模型采用雙折線模型，其計算公式如下：

式中：εu—鋼筋屈服應(yīng)變；εy—鋼筋極限應(yīng)變；σu—鋼筋的極限拉應(yīng)力；σy—鋼筋的屈服應(yīng)力；E—鋼筋的彈性模量。

2 有限元模型建立及驗證

2.1 有限元模型的建立

混凝土部分單元的網(wǎng)格類型設(shè)置為縮減積分類型C3D8R，相較于全積分類型可以有效縮短計算周期，并能更好地細(xì)化網(wǎng)格，擁有更精確的位移變形。鋼筋單元設(shè)置為桁架單元，三維二維節(jié)點(diǎn)型T3D2，其節(jié)點(diǎn)均為鉸節(jié)點(diǎn)，僅傳遞軸向力。軟索設(shè)置為梁單元，定義截面為50.24 mm2。

2.2 相互作用和邊界條件

底梁頂面與墻體底面的相互作用設(shè)置為“Tie”，部件之間完全剛性連接，接觸表面共用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)，自由度一致。鋼筋籠部分將其內(nèi)置到混凝土墻體當(dāng)中，將軟索部分錨固端內(nèi)置到翼墻中，索環(huán)部分內(nèi)置到主墻中。在底梁底面設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，在墻體設(shè)頂面置參考點(diǎn)RP-2，然后分別將參考點(diǎn)RP-1和RP-2與其所在的面進(jìn)行耦合，并將RP-1設(shè)置完全固定約束底梁底面設(shè)置完全固定約束模式，在參考點(diǎn)RP-2上施加軸壓比0.2的豎向荷載及往復(fù)位移荷載。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸的大小將直接影響計算的準(zhǔn)確性及效率，網(wǎng)格尺寸越小計算結(jié)果越精確，但計算時間較長，網(wǎng)格尺寸越大計算速度越快，但其準(zhǔn)確性及收斂性就越差。因為底梁剛度要遠(yuǎn)高于剪力墻部分并且非主要研究部分，故網(wǎng)格劃分密度相對大一些，設(shè)置為150mm，剪力墻網(wǎng)格設(shè)置為100mm，鋼筋骨架部分設(shè)置為30mm。

2.4 骨架曲線對比

有限元模擬雖然能夠彌補(bǔ)試驗構(gòu)件生產(chǎn)周期長、成本高等問題，但計算結(jié)果不可避免的會出現(xiàn)些許誤差。主要是因為在有限元模擬中存在一些理想化的條件設(shè)置，實(shí)際構(gòu)件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷、設(shè)備導(dǎo)致的加載不均勻、人工操作產(chǎn)生的誤差等等。

通過有限元模擬計算得到試件2B的載荷-位移曲線，同時和試驗所得曲線相對比，如圖1所示。由圖1可以看出本次模擬骨架曲線與試驗較為吻合，荷載特征值，屈服荷載、極限荷載和極限位移均接近試驗值誤差較小如表1。

表1 荷載特征值對比

3 剛度退化和耗能研究

3.1 剛度退化

通過上述結(jié)論可知此模擬研究較為合理，可進(jìn)行下一步模擬分析，在此基礎(chǔ)之上建立一體剪力墻模型，保持其他參數(shù)不變，僅把軟索節(jié)點(diǎn)換成現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，并在相同的加載制度下進(jìn)行加載。得到現(xiàn)澆剪力墻的剛度退化曲線見圖2，軟索剪力墻和一體墻的剛度退化系數(shù)對比如圖3、圖4。

由圖3、圖4可知，兩個方向的剛度退化系數(shù)情況表現(xiàn)基本一致，在相同情況下現(xiàn)澆剪力墻的初始剛度和加載初期剛度退化系數(shù)均大于軟索剪力墻。在加載至±12.5mm之后，軟索剪力墻剛度退化系數(shù)略大于現(xiàn)澆剪力墻，兩種墻體剛度退化系數(shù)下降趨勢大致相同。

3.2 耗能研究

耗能能力是結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的一個重要參數(shù)，試驗中通常用滯回曲線的面積來計算構(gòu)件的能量耗散系數(shù)。

通過能量耗散系數(shù)可得，隨著位移的增加，耗能能力系數(shù)隨之增加，說明構(gòu)件的耗能能力逐步增強(qiáng)。通過能量耗散系數(shù)計算得出兩種墻體的能量耗散曲線，由耗能系數(shù)曲線（圖5）對比可以看出一體墻的耗能能力要高于軟索剪力墻，并在加載位移達(dá)到15mm之后逐漸趨近。

4 結(jié)論

綜上，有限元計算結(jié)果得到的各項荷載特征值與實(shí)驗結(jié)果大體一致。說明模型建立過程以及分析過程較為合理。在相同條件下，一體墻的初始剛度要大于軟索節(jié)點(diǎn)的剪力墻，在加載初期，一體墻的剛度退化系數(shù)較大，剛度退化快。加載至±12.5mm之后軟索剪力墻的剛度退化系數(shù)略大于現(xiàn)澆剪力墻，兩種墻體剛度退化系數(shù)下降趨勢大致相同。一體墻的耗能能力高于軟索剪力墻，隨著荷載增加兩種墻體耗能能力相互趨近。