疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)有限元分析①

汪耀宇

(安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院，安徽 合肥 230061)

0 引 言

裝配式樓蓋在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)及現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中均有較多應(yīng)用，裝配式樓蓋可分為疊合樓蓋和全裝配式樓蓋,疊合樓蓋設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于預(yù)制構(gòu)件之間、預(yù)制構(gòu)件與后澆混凝土之間的連接[1]。疊合樓蓋的預(yù)制樓板上部和剪力墻的中間部分設(shè)置后澆段，疊合樓板的預(yù)制部分端部伸出的縱向鋼筋在后澆段剪力墻中錨固。

近年來(lái)，趙作周設(shè)計(jì)了一系列墻板實(shí)驗(yàn)來(lái)研究整體預(yù)制墻板節(jié)點(diǎn)[2]和現(xiàn)澆空心墻板節(jié)點(diǎn)[3]的抗震性能，結(jié)果表明整體預(yù)制墻板節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆空心墻板節(jié)點(diǎn)都有良好的整體性，證明了規(guī)范的準(zhǔn)確性。朱張峰[4]對(duì)2個(gè)現(xiàn)澆和2個(gè)預(yù)制墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力實(shí)驗(yàn)并采用有限元軟件進(jìn)行分析，研究表明預(yù)制裝配式墻板節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，可以作為第一道抗震防線。吳東平[5]對(duì)2個(gè)外加強(qiáng)環(huán)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力實(shí)驗(yàn)并采用有限元軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明試驗(yàn)過(guò)程中外加強(qiáng)環(huán)塑性破壞可以忽略，外加強(qiáng)環(huán)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)性能有顯著影響。設(shè)計(jì)了3個(gè)疊合板式混凝土墻板節(jié)點(diǎn)，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)3個(gè)疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，通過(guò)比較低周反復(fù)荷載下節(jié)點(diǎn)的承載力，破壞形態(tài)等，來(lái)分析節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

1 有限元模擬

1.1 模型概況

根據(jù)“強(qiáng)墻肢弱樓板”的原則，設(shè)計(jì)了3個(gè)疊合板式混凝土墻板中節(jié)點(diǎn)，模擬實(shí)際工程中樓板與中間墻連接。試件的幾何尺寸及構(gòu)造見(jiàn)圖1，剪力墻的尺寸為3000mm×800mm×200mm，疊合板的尺寸為1000mm×800mm×120mm。其中，預(yù)制墻、板的厚度均為50mm，現(xiàn)澆剪力墻厚100mm，現(xiàn)澆板厚70mm。3個(gè)試件墻板核心區(qū)水平連接鋼筋采取不同的錨固方式分別示與圖1(b)(c)(d)。試件SSJ1預(yù)制樓板下部受拉鋼筋伸入剪力墻150mm，向上彎折90°至剪力墻中。試件SSJ2在墻板連接核心區(qū)現(xiàn)澆板低部設(shè)置附加鋼筋，附加鋼筋伸入板內(nèi)400mm。試件SSJ3預(yù)制樓板下部受拉鋼筋向上彎起135°至現(xiàn)澆樓板中伸入剪力墻150mm并過(guò)墻中線。

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

有限元軟件ABAQUS中主要有彌散裂縫和塑性損傷兩種混凝土本構(gòu)模型，疊合板式混凝土剪力墻混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，其受壓受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的單軸受壓受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線[6]

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造

(a)SSJ1裂縫開(kāi)展形態(tài) (b)SSJ2裂縫開(kāi)展形態(tài) (c)SSJ3裂縫開(kāi)展形態(tài)

(a)SSJ1受壓破壞形態(tài) (b)SSJ2受壓破壞形態(tài) (c)SSJ3受壓破壞形態(tài)

1.3 模型的邊界約束條件

為了在數(shù)值模擬中更好的符合實(shí)際情況，在節(jié)點(diǎn)的疊合墻、板處設(shè)置接觸摩擦，使得節(jié)點(diǎn)剪力墻預(yù)制墻，樓板下側(cè)預(yù)制板與現(xiàn)澆墻、板較好的協(xié)同工作，疊合墻板面與現(xiàn)澆面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.6[7]。模型底座鉸接固定，疊合樓板懸臂端施加低周反復(fù)荷載，沿剪力墻頂端施加恒定的壓強(qiáng)(軸壓比為0.13)。

表1 相關(guān)特征點(diǎn)荷載、位移及延性參數(shù)

圖4 骨架曲線

圖5 剛度退化曲線

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 裂縫開(kāi)展及破壞形態(tài)

有限元模型分析結(jié)果見(jiàn)圖2，3，裂縫主要出現(xiàn)在樓板及墻板連接區(qū)域，剪力墻基本未見(jiàn)裂縫。豎向荷載加載到約5～6kN時(shí)，3個(gè)試件的預(yù)制剪力墻與疊合樓板后澆段結(jié)合面出現(xiàn)第一條裂縫。隨著豎向荷載繼續(xù)增大，樓板開(kāi)裂區(qū)域由固端向懸臂端擴(kuò)展，并從樓板頂面向低面開(kāi)展。試件SSJ1與試件SSJ2在墻板連接區(qū)域剪力墻部分出現(xiàn)少量裂縫，試件SSJ3在墻板連接區(qū)域剪力墻部分出現(xiàn)少量裂縫并延伸到下部剪力墻。加載結(jié)束時(shí)，疊合板的根部混凝土被壓酥破壞，為樓板受彎破壞。

2.2 骨架曲線、承載力及變形能力

在工程結(jié)構(gòu)的抗震中，滯回曲線是結(jié)構(gòu)抗震能力強(qiáng)弱與否的綜合體現(xiàn)，延性系數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)[8]。試件的骨架曲線見(jiàn)圖4，表1列出試件不同狀態(tài)時(shí)豎向荷載P及對(duì)應(yīng)的位移△。由圖4和表1可知：

(1)三條曲線整體走向基本一致。在未達(dá)到屈服之前，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，曲線基本為直線，初始剛度較大；進(jìn)入塑性階段后，剛度開(kāi)始減小，骨架曲線逐漸向位移軸彎曲，到達(dá)峰值后骨架曲線開(kāi)始下降。

(2)到達(dá)峰值荷載之前，三條曲線走勢(shì)基本相同，SSJ1的峰值荷載較早出現(xiàn)，峰值荷載后SSJ1的承載力下降速度比SSJ2和SSJ3快。

(3)3個(gè)試件的Py，Pmax，Pu分別接近，其平均值的最大相對(duì)偏差為7.43%，0.77%，12.26%。

(4)3個(gè)試件的Pmax與Pu的平均比值為1.18大于1.15[2]，疊合樓板固端受彎承載力有較好的安全儲(chǔ)備。

(5)3個(gè)試件延性系數(shù)約為2.63，疊合樓板變形能力強(qiáng)。

2.3 剛 度

樓板不同狀態(tài)下的剛度曲線可以用平均割線剛度來(lái)表示[9]，表達(dá)式為：

(1)

式中：Fj為第j次峰值位移點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向荷載；△j為第j次峰值位移。

從圖5可知，三個(gè)試件剛度退化曲線走勢(shì)基本相同，曲線衰減比較均勻，沒(méi)有明顯的突出，表明三種墻板連接鋼筋錨固方式可以使節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)出良好的協(xié)同性和抗震性。加載初期，剛度退化曲線斜率比較大，表明試件始剛退化比較劇烈，試件屈服后，曲線較為平緩，剛度開(kāi)始衰減，到達(dá)峰值荷載后，剛度衰減較為緩慢。試件不同狀態(tài)的剛度見(jiàn)表2所示，試件SSJ2和試件SSJ3的峰值荷載剛度基本一致，試件SSJ1屈服點(diǎn)，峰值點(diǎn)，極限點(diǎn)的剛度均比試件SSJ2和試件SSJ3大。

表2 試件不同狀態(tài)的剛度

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)三個(gè)疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論：

(1)三個(gè)試件都是疊合樓板根部出現(xiàn)裂縫，樓板受彎破壞。峰值荷載與極限荷載的平均為1.18，疊合樓板錨固受彎承載力有較好的安全儲(chǔ)備。

(2)三個(gè)試件峰值荷載前的骨架曲線基本相同，疊合樓板的承載力、剛度退化、變形能力差別不大。

(3)連接鋼筋90°彎起錨固的試件承載力比其他兩種錨固方式的試件承載力分別提高0.77%和0.35%，連接鋼筋90°彎起錨固能較好的滿足節(jié)點(diǎn)承載力要求，可以有效的節(jié)約鋼筋。