疊合板式剪力墻結構墻板節點有限元分析

李先猛 李廣地

1.通州建總集團有限公司徐州分公司 江蘇 徐州 221600；

2.長江精工鋼結構（集團）股份有限公司 安徽 六安 237000

引言

疊合樓蓋是一種半裝配式樓蓋，由位于下葉預制鋼筋混凝土板及位于上葉后澆混凝土板通過桁架構造鋼筋相連組成，墻板通過在上葉后澆空腔中設置附加鋼筋或插入水平鋼筋實現塔接連接。由于下葉預制墻板可以作為上葉后澆混凝土的模板，疊合樓蓋較普通現澆樓蓋減少模板工程量及現場混凝土澆筑量[1]。與全裝式樓蓋相比，防水性能好、安裝精度低。

近年來，王平山[2]設計了一系列的疊合剪力墻試驗研究疊合剪力墻結構力學性能，發現桁架鋼筋間距不影響結構的破壞形態，對結構平面外受力有一定影響；桁架鋼架的連接作用加強了豎向連接鋼筋抗拔黏結強度。張文瑩[3]對疊合剪力墻水平連接節點進行了循環剪切試驗，研究發現疊合試件和現澆試件截面黏結力變化規律基本相同；基于剪切摩擦理論提出節點抗剪承載力公式。谷倩[4]開展了L形疊合剪力墻足尺試件的抗震性能試驗，研究表明，L形構件邊緣按構造配筋其塑性變形過于集中，設計時建議邊緣構件提高配筋率；邊緣構件新設鋼筋塔接連接可以起到良好的傳力。馬巍[5]對帶保溫的單面疊合剪力墻進行了抗震試驗研究，結果表明，預制外葉板僅起保護作用不參與受力；單面帶保溫疊合剪力墻力學性能上與現澆剪力墻基本一致。為此，通過在疊合板式剪力墻與疊合樓蓋節點連接區域以不同形式的塔接連接，設計不同水平塔接形式的墻板節點，通過有限元軟件Abaqus分析該類墻板節點在低周往復荷載下的抗震性能。

1 有限元模擬

1.1 模型概況

根據“強墻肢弱樓板”的原則，設計了1個現澆墻板節點試件XJD和3個疊合墻板節點試件DHD1、DHD2及DHD3，尺寸及構造見表1，2所示。疊合試件墻板節點核心區水平連接鋼筋塔接連接見圖1，其中試件DHD1疊合樓蓋縱筋通常布置，試件DHD2上葉現澆樓板縱筋通常布置，下葉預制樓板上部設置附加鋼筋，水平鋼筋通常布置縱向鋼筋錨入預制樓板400mm。試件DHD3兩側疊合樓蓋板定有20mm高差，上葉一側縱筋錨入剪力墻向下彎折90°。

表1 混凝土強度

表2 試件尺寸

圖1 各試件配筋圖

1.2 材料本構關系

混凝土采用塑性損傷模型表達式如下：

式中：t，c分別為拉伸和壓縮；β為塑性應變與非彈性應變的比例系數，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓下的非彈性階段應變[6]。

1.3 邊界約束條件

豎向沿剪力墻定頂端施加0.1的軸壓比，預制墻板、樓板與現澆墻板、樓板接觸面設置面與面接觸，摩擦系數為0.6，模型底部及疊合樓蓋懸臂端限制平動釋放轉動。

2 計算結果及分析

2.1 裂縫開展及破壞形態

各試件的裂縫開展及破壞形態如圖2所示，由于剪力墻底部及疊合樓蓋懸臂端未限制轉動，疊合樓蓋上葉現澆樓板與現澆剪力墻連接處開始破壞，裂縫沿著樓蓋縱向開始延伸。水平荷載約5～6kN時，裂縫延伸至疊合樓蓋下葉預制板，同時，裂縫沿剪力墻縱向向剪力墻上、下端開始延伸。水平荷載約20kN時，疊合樓蓋上、下葉預制板與現澆板開始剝離。與現澆試件相比，裂縫未延伸至疊合試件內、外葉預制墻板，原因可能是因為，預制墻板的混凝土強度高于現澆混凝土。由圖可知，各試件破壞形態基本相同，都是疊合樓蓋與剪力墻連接處混凝土脫落。

圖2 各試件裂縫分布圖

2.2 滯回曲線、骨架曲線及承載力

各試件的荷載-位移曲線及骨架曲線如圖3所示，各試件滯回環形狀相似、數量相同、滯回環無捏攏效應且較飽和；相較與試件DHD1和DHD2，試件DHD3滯回環最后一環飽和度有所下降，原因可能是因為，疊合樓蓋兩側存在高差導致耗能能力降低。與現澆試件相比，疊合試件的承載力有所降低，原因在于預制墻板內外葉預制墻板不參與受力剪力墻厚度減小，承載力降低。試件破壞以后，疊合試件的承載力較現澆試件有所提高，原因可能是因為，桁架鋼筋的連接加強了墻體的整體強度。峰值荷載后，現澆試件承載力下降速度明顯比疊合試件快，說明桁架鋼筋及豎向連接鋼筋對試件的承載力存在一定影響。

圖3 滯回曲線及骨架曲線

表3為試件特征荷載及位移，其中P為各試件不同狀態下的水平荷載，△為各階段水平荷載所對應的位移值。由表3可知。

表3 各試件特征荷載及位移

2.2.1 疊合試件與現澆試件峰值承載力有較大差異，相較與現澆試件疊合試件峰值承載力平均值分別下降13.28%、9.98%、11.29%，峰值承載力降低的原因在于預制墻板內外葉預制墻板不參與受力剪力墻厚度減小，承載力降低。相較與試件DHD2，試件DHD1、DHD3的峰值承載力分別降低3.66%、1.5%，說明增設附加鋼筋和樓蓋水平高差對試件峰值承載力有一定影響。

2.2.2 4個試件的py及△y分別接近，與其現澆試件平均值的最大相對偏差分別為11.52%、8.94%、13.76%；10.16%、11.11、16.19%。屈服荷載降低的原因在于疊合試件整體性較現澆試件差。

我問個中緣由，二叔便蹲在路邊和我細細談了起來?！敖衲晡壹业钠咸训昧酥夭??！蔽乙宦牨阆耄隙ㄊ嵌寮倚?，舍不得用好藥防治。

2.2.3 3個疊合試件延性的平均值為7.12，較現澆試件提高39.75%，疊合板式剪力墻墻板節點展現出良好的變形能力。

2.3 剛度

試件的割線剛度表達式如下：

式中：Fj為第j次循環最大的水平荷載；△j為第j次循環峰值荷載對應的位移。

由圖4可知，疊合試件的初始剛度及剛度退化率均大于現澆試件。原因在于桁架鋼筋增加了疊合試件的初始剛度，而預制板與現澆板接觸面設置接觸，整體性較現澆試件差。墻頂位移至20mm后，現澆試件與疊合試件的剛度退化曲線逐漸分離，原因在于，位移至20mm后，疊合樓蓋上下葉開始剝離，試件的整體摩擦力減小，剛度曲線分離。

圖4 剛度退化曲線

2.4 耗能能力

對于疊合板剪力墻墻板節點試件其耗能能力主要依靠混凝土與鋼材之間的相對滑移、混凝土及鋼材的塑性變形。圖5為各試件耗能累計曲線，其中每一級累計耗能取加載一個循環所得正負荷載-位移曲線所包絡面積之和，各試件的累計耗能隨著水平位移增大而增強，

圖5 各試件累計耗能曲線圖

疊合試件的滯回耗能曲線基本位移現澆試件上方[7]。當水平位移至30mm時，各試件累計耗能分別為23.20×103kN·mm、23.61×103kN·mm、26.82×103kN·mm、26.90×103kN·mm試件DHD2的累計耗能較試件XJD提高13.51%，試件DHD3的累計耗能較試件XJD提高13.75%，疊合試件累計耗能提高的原因在于疊合試件節點連接區域增設附加鋼筋提高了試件整體耗能能力。

圖6 附加阻尼比求解示意圖

各環附加有效阻尼比見表4。

比較表4可以發現，試件DHD1的每一環的耗能均略低于XJD，試件DHD2、DHD3的平均有效阻尼比較試件XJD提高0.71%、5.12%，耗能能力的提高原因在于墻板節點增設附加鋼筋提高了試件的耗能能力。

表4 附加有效阻尼比

3 結束語

在0.1軸壓比下，疊合板式剪力墻墻板節點與現澆剪力墻墻板節點試件破壞形態基本相同，均發生彎剪破壞。

疊合板式剪力墻墻板節點承載力平均值比現澆剪力墻墻板節點平均值分別低13.28%、9.98%、11.29%；屈服承載力平均值分別低11.52%、8.94%、13.76%；疊合板式剪力墻墻板節點初始剛度比現澆墻板節點大，但退化速率比現澆墻板節點試件快。

疊合板式剪力墻墻板節點延性系數均大于6，實際工程中，疊合板式剪力墻墻板節點區域建議采用增設附加鋼筋塔接連接。