裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的連接方式分析

福建省雄盛建筑工程有限公司，福建 莆田 351100

0 引言

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)滿足整體建筑安全性、使用性需求，結(jié)構(gòu)具備較好的適用性和耐久性［1］。但由于預(yù)制構(gòu)件在構(gòu)件制作和連接方式上缺乏系統(tǒng)化研究，抗震性能不足，使得預(yù)制構(gòu)件在一段時間內(nèi)并未獲得較大發(fā)展。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，通過施工工藝的改良，有效提高預(yù)制構(gòu)件滲水、保溫性和抗震性問題，實(shí)現(xiàn)預(yù)制混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用［2］。基于此，本文通過建立有限元模型來模擬預(yù)制構(gòu)件在不同連接方式下的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性特征，并對影響各連接工況的相關(guān)因素進(jìn)行分析來指導(dǎo)實(shí)際施工作業(yè)。

1 預(yù)制構(gòu)件模型構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)特征

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相似。模型試件主要由上部頂梁，下部基礎(chǔ)梁以及連接上下部的剪力墻主體部分構(gòu)成。頂梁與頂梁部分主要實(shí)現(xiàn)剪力墻的嵌固，當(dāng)外荷載作用于頂梁時，荷載通過頂梁傳遞給主剪力墻。底梁主要用于固定頂梁和剪力墻，作為一種剛性構(gòu)件，底梁同時提供構(gòu)件部分的整體約束力。

1.2 模型構(gòu)建

不同的連接構(gòu)建具有類似的結(jié)構(gòu)特征，主要區(qū)別在裝配接觸面以及連接方式上的差異。基于此，本文針對不同的接觸面和連接方式建立三種不同的連接試件，即現(xiàn)澆試件A、套筒灌漿連接件B 以及預(yù)應(yīng)力連接件C，并建立起三種連接件的數(shù)值模型。預(yù)制剪力墻現(xiàn)澆構(gòu)件模型墻片長×厚×高為1500×240×2800mm，頂梁幾何尺寸為1500×280×280mm；下梁尺寸為2800×550×550mm。試件混凝土為C30，灌漿混凝土為C80，鋼筋為HRB400，最小配筋率0.55%。套筒灌漿連接件幾何尺寸與標(biāo)準(zhǔn)件相同，其中豎向鋼筋連接構(gòu)件伸出底梁100mm，采用14Φ16HAB400 鋼筋連接。預(yù)應(yīng)力連接件采用20根直徑為7mm的消除應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在箍筋正中心處。

2 影響因素分析

圖1 不同連接方式系的骨架曲線圖

（1）連接方式。在參數(shù)相同的情況下，比較整體現(xiàn)澆與套筒灌漿連接以及預(yù)應(yīng)力筋連接3 種連接方式下骨架曲線如圖1所示。可以看出，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)骨架曲線有三個典型階段：彈性階段、屈服階段和下降階段，骨架曲線更為平順，并且承載力相對其他連接方式最高，在承載力方面具有明顯優(yōu)勢。套筒連接骨架相較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)較為接近，且二者的應(yīng)力應(yīng)變云圖也相似，但套筒連接荷載下降較快，所承受的屈服荷載和極限荷載相對于現(xiàn)澆連接較小。預(yù)應(yīng)力筋的連接方式屈服荷載最低，斜率變化速率最快，表明承載力隨位移的增加并未得到明顯提高，僅僅只是緩慢上升。因此，通過對比三種不同連接方式下的骨架曲線可以看出，在同等參數(shù)條件下采用套筒灌漿方式更有利于預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)連接的骨架穩(wěn)定性。

（2）配筋率。套筒灌漿連接與整體現(xiàn)澆最為接近。墻片豎向配筋采用直徑為16mm 的HRB400 型號的鋼筋，配筋率為0.78%。在保證墻身豎向鋼筋分布一定的情況下，比較分析不同鋼筋直徑對套筒灌漿連接件的承載力，如圖2 所示為三種不同鋼筋直徑下的模型承載力。通過對比分析采用套筒連接的裝配式剪力墻，為達(dá)到現(xiàn)澆墻片的承載力，可通過提高配筋率來實(shí)現(xiàn)，但配筋率的增加會增加建設(shè)成本。

圖2 不同配筋率下的套筒灌漿荷載曲線

同樣，采用直徑14Φ16HRB400 配筋，改變連接鋼筋的分布形式，在基底梁連接中重設(shè)連接鋼筋，按0.78%的初始配筋率進(jìn)行配筋，如圖4 所示進(jìn)行連接鋼筋的分布重設(shè)，連接鋼筋和配筋率分別為8Φ18，配筋率0.56%；8Φ22，配筋率0.84%；8Φ25，配筋率1.1%。獲得不同鋼筋分布下的骨架曲線。

（3）混凝土強(qiáng)度。預(yù)制構(gòu)件中的主要材料為鋼筋和混凝土，因此，混凝土性能對于剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度、承載能力都有較大影響。因此本節(jié)分析不同等級混凝土下不同預(yù)制構(gòu)件水平承載力變化。依次選擇C30、C40 和C50 三種混凝土分析不同預(yù)制構(gòu)件下的荷載—位移變化曲線。如圖3 所示，可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，三種試件模型屈服荷載緩慢增大，表明混凝土等級的提高能夠改善墻片承載力，而屈服位移呈一段水平變化曲線，并未發(fā)生較大改變，表明屈服位移受混凝土強(qiáng)度的影響相對較小。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級超過C40 后，極限位移突然下降，這是因?yàn)殡S著混凝土等級的提高，延性下降，脆斷性越大，混凝土的抗變形能力減弱。綜合分析可以看出，通過提高混凝土強(qiáng)度來改善構(gòu)件的承載能力作用有限，在實(shí)際生產(chǎn)中，建議優(yōu)先采取配筋率和鋼筋分布來提高連接構(gòu)件的承載力。

圖3 不同等級混凝土荷載及位移曲線

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)澆連接工況距離墻片底端20cm 處產(chǎn)生最大塑性變形，豎向鋼筋在塑性變形最大處的受力約380MPa，進(jìn)入材料的屈服階段；套筒連接工況下在墻片底部40～50cm間產(chǎn)生最大位移，底梁中部豎向連接鋼筋應(yīng)力最大；預(yù)應(yīng)力筋連接工況下墻片底部出現(xiàn)最大應(yīng)變，位移底梁預(yù)應(yīng)力筋承受最大應(yīng)力。

（2）現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)骨架曲線平順，承載力最高，套筒連接承受的屈服荷載和極限荷載相對較小，預(yù)應(yīng)力筋屈服荷載最低。隨著配筋率的提高，構(gòu)件的最高承載能力隨之增長，屈服荷載和極限荷載提高不大；隨著混凝土強(qiáng)度的提高，三種連接工況下的墻片承載力均得到提高，而屈服位移并未發(fā)生較大改變，表明屈服位移受混凝土強(qiáng)度的影響相對較小。

（3）相同參數(shù)下，采用套筒灌漿方式更有利于預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)連接的骨架穩(wěn)定性，并可通過提高結(jié)構(gòu)配筋率或采用高強(qiáng)度的混凝土才來提高墻片的承載力。