帶倒坡設計的環筋扣合錨接剪力墻承載力有限元分析

郭凌凱 徐紅玉 劉豐軍

（河南科技大學，河南 洛陽 471000）

0 引言

為適應建筑產業升級的需要，裝配式建筑的應用越來越受到重視[1-2]。我國的裝配式建筑主要以剪力墻結構為主，其水平拼縫處的節點連接已成為工程研究的熱點[3-7]。其中錢稼茹等[8-9]通過擬靜力試驗研究了豎向鋼筋灌漿套筒連接的預制剪力墻的抗震性能，結果表明，套筒連接可有效傳遞應力，性能良好；焦安亮[10]等通過對環筋扣合錨接剪力墻試件進行了擬靜力加載試驗，研究表明：環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澆剪力墻基本一致。

雖然裝配式剪力墻的連接方式各具優勢，但也有相應的缺陷。例如：灌漿套筒連接造價高，對施工精度要求高；漿錨搭接在裝配時難度較大；環筋扣合錨接造價和施工難度都較低，但存在后澆區混凝土澆筑不密實等問題[11]。

為了提高環筋扣合錨接后澆區澆筑質量，避免澆筑不密實等問題，工程實踐中采用外墻板接縫處倒坡設計，使用自密實混凝土澆筑的方法，經現場試驗，達到了較好效果。

本文針對帶倒坡設計的環筋扣合錨接剪力墻，設計五組不同坡度的構件，通過有限元軟件分析其承載能力，以期對工程設計和施工提供指導和借鑒。

1 有限元模型

1.1 構件設計

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

圖1 剪力墻構件幾何信息（以15%坡度為例）及配筋示意圖

1.2 材料本構關系

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

1.3 有限元模型建立

在建模時，分別建立混凝土和鋼筋實體模型，通過將鋼筋嵌入（Embedded）混凝土單元內部，使兩者共同受力，共同變形，不發生相對位移。混凝土采用實體二次縮減積分單元C3D8R，鋼筋采用T3D2桁架單元模擬，對于預制剪力墻與后澆區混凝土接觸面的相互作用關系采用面-面接觸，其切向行為定義為摩擦模擬，摩擦系數μ=0.6；法向行為定義為“硬”接觸。

加載梁和基礎地梁與剪力墻采用“Tie”連接，通過對加載梁施加豎向位移進行加載。

1.4 有限元模型驗證

本文建立文獻[10]的裝配式環筋扣合剪力墻擬靜力試驗的構件（D16-HK-1，墻體縱向分布鋼筋直徑為Φ16，預制混凝土等級為C40，后澆混凝土等級為C45；）進行有限元模擬計算，并與試驗結果進行對比，發現兩者破壞形態、拉壓損傷、應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），驗證了有限元模型的建模方法、材料本構關系、邊界條件、相互作用、網格劃分技術及計算方法的可行性。

圖2 骨架曲線對比

圖3 剛度退化曲線對比

2 有限元結果分析

2.1 不同倒坡設計的剪力墻承載力分析

通過對不同倒坡設計的剪力墻進行加載分析，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的剪力墻承載力分析

以SW15構件為例，通過改變預制和后澆區混凝土接觸面摩擦系數來研究其對剪力墻承載力的影響，如圖5所示，隨著摩擦系數變大，SW15剪力墻構件承載力提高明顯，其中，當接觸面摩擦系數為0.2時，剪力墻構件的承載力與摩擦系數為0.6時一致。

圖5 不同摩擦系數剪力墻荷載位移曲線

2.3 后澆區不同混凝土強度的剪力墻承載力分析

以SW15為例，分別研究后澆區混凝土強度等級為C30、C35、C40和C45四種工況下剪力墻墻體的承載力，如圖6 所示。當后澆區混凝土強度等級提高至C35、C40、C45時，剪力墻墻體承載力基本保持不變。

圖6 不同混凝土強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，其承載力也相應增加，分別為6740kN、6915kN、7200kN、7522kN。與豎向鋼筋直徑為Φ8mm 的構件相比，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 結束語

在驗證有限元建模方法和本構關系可行的情況下，對帶不同倒坡設計剪力墻構件進行有限元分析，研究表明：

（1）當倒坡坡度達到15%后，隨著倒坡坡度的增加，剪力墻承載力逐步降低。建議工程實際中，控制倒坡坡度在15%以內；

（2）隨著接觸面摩擦系數的提高，不同倒坡坡度的剪力墻承載力隨之提高；當摩擦系數為0.2時，剪力墻承載力與接觸面摩擦系數為0.6時一致；

（3）提高后澆區混凝土強度等級，對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。