郭凌凱 徐紅玉 劉豐軍

（河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471000）

0 引言

為適應(yīng)建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需要，裝配式建筑的應(yīng)用越來越受到重視[1-2]。我國(guó)的裝配式建筑主要以剪力墻結(jié)構(gòu)為主，其水平拼縫處的節(jié)點(diǎn)連接已成為工程研究的熱點(diǎn)[3-7]。其中錢稼茹等[8-9]通過擬靜力試驗(yàn)研究了豎向鋼筋灌漿套筒連接的預(yù)制剪力墻的抗震性能，結(jié)果表明，套筒連接可有效傳遞應(yīng)力，性能良好；焦安亮[10]等通過對(duì)環(huán)筋扣合錨接剪力墻試件進(jìn)行了擬靜力加載試驗(yàn)，研究表明：環(huán)筋扣合錨接的剪力墻承載力、耗能、剛度退化和變形能力均與現(xiàn)澆剪力墻基本一致。

雖然裝配式剪力墻的連接方式各具優(yōu)勢(shì)，但也有相應(yīng)的缺陷。例如：灌漿套筒連接造價(jià)高，對(duì)施工精度要求高；漿錨搭接在裝配時(shí)難度較大；環(huán)筋扣合錨接造價(jià)和施工難度都較低，但存在后澆區(qū)混凝土澆筑不密實(shí)等問題[11]。

為了提高環(huán)筋扣合錨接后澆區(qū)澆筑質(zhì)量，避免澆筑不密實(shí)等問題，工程實(shí)踐中采用外墻板接縫處倒坡設(shè)計(jì)，使用自密實(shí)混凝土澆筑的方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了較好效果。

本文針對(duì)帶倒坡設(shè)計(jì)的環(huán)筋扣合錨接剪力墻，設(shè)計(jì)五組不同坡度的構(gòu)件，通過有限元軟件分析其承載能力，以期對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)和借鑒。

1 有限元模型

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

選取以壓彎構(gòu)件為主的剪力墻作為研究對(duì)象，截面形式為“一字型”，其尺寸及配筋構(gòu)造見圖1所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均采用C30，鋼筋均采用HRB400。后澆區(qū)高度為150mm，倒坡坡度分別為5%、10%、15%、20%、25%，構(gòu)件名稱分別為SW-5、SW-10、SW-15、SW-20、SW-25，以坡度為0作為參考構(gòu)件SW0。

圖1 剪力墻構(gòu)件幾何信息（以15%坡度為例）及配筋示意圖

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，其中混凝土采用塑性損傷模型（Concrete Damage Plasticity），鋼筋的本構(gòu)模型采用規(guī)范推薦的雙折線模型。

1.3 有限元模型建立

在建模時(shí)，分別建立混凝土和鋼筋實(shí)體模型，通過將鋼筋嵌入（Embedded）混凝土單元內(nèi)部，使兩者共同受力，共同變形，不發(fā)生相對(duì)位移?；炷敛捎脤?shí)體二次縮減積分單元C3D8R，鋼筋采用T3D2桁架單元模擬，對(duì)于預(yù)制剪力墻與后澆區(qū)混凝土接觸面的相互作用關(guān)系采用面-面接觸，其切向行為定義為摩擦模擬，摩擦系數(shù)μ=0.6；法向行為定義為“硬”接觸。

加載梁和基礎(chǔ)地梁與剪力墻采用“Tie”連接，通過對(duì)加載梁施加豎向位移進(jìn)行加載。

1.4 有限元模型驗(yàn)證

本文建立文獻(xiàn)[10]的裝配式環(huán)筋扣合剪力墻擬靜力試驗(yàn)的構(gòu)件（D16-HK-1，墻體縱向分布鋼筋直徑為Φ16，預(yù)制混凝土等級(jí)為C40，后澆混凝土等級(jí)為C45；）進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者破壞形態(tài)、拉壓損傷、應(yīng)力分布狀況及骨架曲線和剛度退化曲線基本一致（見圖2、圖3所示），驗(yàn)證了有限元模型的建模方法、材料本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、相互作用、網(wǎng)格劃分技術(shù)及計(jì)算方法的可行性。

圖2 骨架曲線對(duì)比

圖3 剛度退化曲線對(duì)比

2 有限元結(jié)果分析

2.1 不同倒坡設(shè)計(jì)的剪力墻承載力分析

通過對(duì)不同倒坡設(shè)計(jì)的剪力墻進(jìn)行加載分析，考察其承載能力。通過荷載位移曲線（見圖4所示）可以看出，SW5、SW10 承載力和極限承載力與SW0 一致，約為7200kN；隨著倒坡坡度的增大，SW15、SW20、SW25承載力逐步降低，分別為6740kN、5680kN、5190kN，降低比例分別為6.39%、21.11%、27.92%。

圖4 不同倒坡坡度剪力墻荷載位移曲線

2.2 不同接觸面摩擦系數(shù)的剪力墻承載力分析

以SW15構(gòu)件為例，通過改變預(yù)制和后澆區(qū)混凝土接觸面摩擦系數(shù)來研究其對(duì)剪力墻承載力的影響，如圖5所示，隨著摩擦系數(shù)變大，SW15剪力墻構(gòu)件承載力提高明顯，其中，當(dāng)接觸面摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，剪力墻構(gòu)件的承載力與摩擦系數(shù)為0.6時(shí)一致。

圖5 不同摩擦系數(shù)剪力墻荷載位移曲線

2.3 后澆區(qū)不同混凝土強(qiáng)度的剪力墻承載力分析

以SW15為例，分別研究后澆區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35、C40和C45四種工況下剪力墻墻體的承載力，如圖6 所示。當(dāng)后澆區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高至C35、C40、C45時(shí)，剪力墻墻體承載力基本保持不變。

圖6 不同混凝土強(qiáng)度剪力墻荷載位移曲線

2.4 不同豎向鋼筋直徑剪力墻承載力分析

通過改變剪力墻豎向鋼筋直徑，研究鋼筋直徑為Φ8mm、Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm四種工況下剪力墻的承載力，如圖7所示，隨著豎向鋼筋直徑的增加，其承載力也相應(yīng)增加，分別為6740kN、6915kN、7200kN、7522kN。與豎向鋼筋直徑為Φ8mm 的構(gòu)件相比，豎向鋼筋直徑為Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm 的承載力增加比例分別為2.6%、6.82%、11.6%，影響不明顯。

圖7 不同豎向鋼筋直徑剪力墻荷載位移曲線

3 結(jié)束語

在驗(yàn)證有限元建模方法和本構(gòu)關(guān)系可行的情況下，對(duì)帶不同倒坡設(shè)計(jì)剪力墻構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，研究表明：

（1）當(dāng)?shù)蛊缕露冗_(dá)到15%后，隨著倒坡坡度的增加，剪力墻承載力逐步降低。建議工程實(shí)際中，控制倒坡坡度在15%以內(nèi)；

（2）隨著接觸面摩擦系數(shù)的提高，不同倒坡坡度的剪力墻承載力隨之提高；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，剪力墻承載力與接觸面摩擦系數(shù)為0.6時(shí)一致；

（3）提高后澆區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)剪力墻承載力無影響；

（4）隨著剪力墻豎向鋼筋直徑的增加，剪力墻承載力提高不明顯。