鋼板-約束拉桿加固剪力墻節點區域的軸壓性能有限元分析

方膨膨

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350108）

0 引言

在實際的工程應用中，因施工不規范、混凝土攪拌不均勻或材料問題等，會導致剪力墻節點區域出現混凝土強度達不到設計要求的情況，造成構件的剛度和強度被削弱，降低其承載能力，增大了結構變形概率。因此，對存在上述問題的剪力墻結構要采取合理可靠的加固措施。

目前，對剪力墻混凝土進行加固技術有增大截面加固法和置換混凝土法［1-2］。有學者采用置換混凝土加固法和增大截面加固法對剪力墻結構整體性能的影響進行研究，研究結果表明，置換混凝土加固法和增大截面加固法均能提高剪力墻的剛度。相比之下，增大截面加固法的加固效果更好［3］。目前，對剪力墻節點區域混凝土強度不足而采用鋼板-約束拉桿進行加固的研究相對較少。因此，對鋼板-約束拉桿加固剪力墻節點區域的剪力墻軸壓性能的研究能有效解決現有剪力墻加固方法存在的缺陷，擴大鋼板-約束拉桿加固法的應用場景。

1 有限元模型

本研究建立13個不同參數的鋼板-約束拉桿加固剪力墻節點區域模型，并進行對比分析，有限元模型的建立包括定義材料的本構模型、部件組裝、設置分析步長、施加荷載和邊界條件等。

1.1 單元類型和網格劃分

鋼板-約束拉桿加固剪力墻節點區域的模型示意圖見圖1。約束拉桿采用雙節點梁單元（B31）進行模擬，鋼板采用四節點殼單元（S4R）進行模擬，混凝土采用八節點實體單元（C3D8R）進行模擬。根據網格的收斂性來分析結果，鋼板的單元尺寸取邊長為t/5的正方形，剪力墻和樓板的單位尺寸取邊長為t/5的立方體，t為剪力墻厚度［4］。

圖1 鋼板-約束拉桿加固剪力墻節點區域

1.2 材料本構模型

本研究采用Q235B鋼的鋼板，約束拉桿的屈服強度為400 MPa。鋼材的本構模型采用Zhong等［5］提出的單軸應力-應變模型（見圖2）。

圖2鋼材應力-應變關系

圖2 中，εy、fy分別為屈服拉應變和屈服強度；εu、fu分別為極限拉應變和抗拉強度；εp為應變強化起點處的應變。彈性模量Es和泊松比νs分別取為206 GPa和0.3。混凝土采用Yu等［6-7］提出的塑性損傷模型進行分析，本構模型采用Razvi等［8］提出的應力-應變模型（見圖3）。圖3中，fc0、εc0分別為混凝土的抗壓強度和對應的應變；fcr、εcr分別為混凝土的抗拉強度和對應的應變。混凝土的彈性階段泊松比νc為0.2，上下層剪力墻的混凝土的抗壓強度fc0取40 MPa，節點區域的抗壓強度fc0取25 MPa。

圖3 混凝土應力-應變關系

1.3 邊界條件及荷載

在模型的上方及下方分別設置兩個參考點，分別與剪力墻的上下表面進行耦合，在上參考點上施加豎向位移，在下參考點上施加約束以約束剪力墻下表面所有的平動和轉動自由度。鋼板與剪力墻之間以及上下層剪力墻與節點區域之間均采用綁定連接的方式，約束拉桿嵌入到剪力墻的節點區域，并與鋼板采用綁定連接的方式。

2 參數分析

2.1 模型參數

本研究建立的模型中剪力墻的長度和厚度分別為1 000 mm和250 mm、節點區域高度為500 mm、鋼板厚度為5 mm。考慮到樓板與剪力墻的相互作用，在模型中加入樓板，其外伸長度為625 mm。變化的參數包括約束拉桿的直徑d（10～25 mm）和水平間距s（100～200 mm）。所有模型的軸壓峰值應力fm詳見表1。在模型序號“SWd-s”中，d為約束拉桿的直徑，s為約束拉桿的水平間距。其中，序號“SW-N”為未采取鋼板-約束拉桿加固的純剪力墻模型。

表1 模型參數

2.2 約束拉桿直徑的影響

本研究對10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的約束拉桿直徑對剪力墻軸壓性能的影響進行研究。不同約束拉桿直徑取值下的剪力墻軸壓應力-應變曲線見圖4，σ為應力、ε為應變。由圖4可知，當約束拉桿的水平間距一致時，增大約束拉桿的直徑能提高剪力墻的軸壓性能。當s=200 mm時，d=10 mm對剪力墻的軸壓性能基本沒有影響，當d增加到15 mm后，剪力墻的軸壓性能得到顯著提升，且d分別為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大。當s為100 mm和150 mm時，約束拉桿直徑對剪力墻軸壓性能的影響規律類似，以s=150 mm的模型為例，d=10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的剪力墻承載力分別提升了9.02%、24.46%、28.92%和30.66%。由此可以看出，d為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大。在實際工程中取約束拉桿直徑為15 mm較為合理。

選 取SW15-100、SW15-150和SW15-200模型，來分析約束拉桿的應力狀態（見圖5）。對不同約束拉桿間距的模型，當模型破壞時，約束拉桿均達到屈服強度，說明約束拉桿能較好地發揮對剪力墻的約束作用。

圖5 模型破壞時的應力云圖

2.3 約束拉桿水平間距的影響

本研究分析的約束拉桿的水平間距為100 mm、150 mm和200 mm。不同約束拉桿水平間距的剪力墻軸壓應力-應變曲線見圖4。由圖4可知，隨著約束拉桿水平間距的減小，剪力墻的受力性能顯著提高。若約束拉桿的水平間距一定，約束拉桿的直徑越大，減小同等約束拉桿水平間距大小對剪力墻的約束效果也越好。因此，當約束拉桿直徑較小時，減小約束拉桿水平間距對剪力墻受力性能的提升效果較小；當約束拉桿直徑較大時，減小約束拉桿水平間距后，剪力墻的受力性能得到明顯提升。與純剪力墻模型相比，當d=10 mm、s=200 mm時，新增鋼板和約束拉桿對剪力墻的受力性能的影響可以忽略不計，當s=150 mm和100 mm時，剪力墻承載力提升了9.02%和21.37%；當d=15 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了16.97%、24.46%和35.86%；當d=20 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了22.52%、28.92%和41.86%；當d=25 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了24.97%、30.66%和44.73%。

圖4 約束拉桿直徑對剪力墻應力-應變曲線的影響

3 結論

本研究對使用鋼板-約束拉桿加固的剪力墻節點區域的剪力墻軸壓性能進行有限元分析，得到了以下結論。①剪力墻的承載力和延性隨著約束拉桿直徑的增大而提高。由于d為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大，綜合考慮經濟效益和加固效果，在實際工程中取約束拉桿直徑為15 mm較為合理。②所有帶約束拉桿有限元模型的約束拉桿均達到屈服強度，這說明約束拉桿能較好地發揮對剪力墻的約束作用。③剪力墻的承載力和延性隨著約束拉桿的水平間距減小而提高，且當約束拉桿直徑較小時，減小約束拉桿的水平間距對剪力墻受力性能的提升效果較小；當約束拉桿直徑較大時，減小約束拉桿水平間距后，剪力墻的受力性能的提升效果較為明顯。

圖6 約束拉桿水平間距對剪力墻軸壓應力-應變曲線的影響