預制裝配式剪力墻結構及其連接技術分析

崔貴玲 （青島黃海學院，山東 青島 266427）

1 工程概況

該建筑項目總高21.0m，共9 層（地面7 層），該項目的主要目的是居住；該工程的安全性為2 級，采用剪力墻體，其結構的設計參考壽命為50 年；該房屋的抗震等級為C級，沈陽市的設防等級為7級，按設計的震級劃分為一組、II 級，基礎風壓為0.55 KN/m2。

本文研究了采用約束漿錨固連接的預拼式組合剪力墻結構，模型分別為SW-1、SW-2。2 片裝配式拼板剪力墻加載梁、剪力墻、地梁等構件的大小都是一樣的。其中SW-1 現澆混凝土剪力墻，SW-2采用約束漿錨桿進行組合。

2 有限元試驗模型建立

由于基礎梁是結構的一種固定結構，所以以結構的底板為靜止端點[1]，以3 個轉動限制和3 個平動限制條件對底板6 個自由度進行限制，也就是Encastre 限制方式。剪力墻板的上側與承荷梁相接，下側壁面由拉桿與底梁相接。每一部分的鋼筋均埋在墻體內（不計粘合滑動）。采用此方法，剛度位移只依賴于墻體的連結。由于受力不均，在受力不均衡的情況下，剪力墻應先在其上加垂直荷載。

利用ABAQUS 將垂直載荷轉化為均勻分布的載荷并對其進行了分析[2]。在此基礎上，通過軟件設置連接參考點，將橫向力作用于墻體上，以避免由于數值的不正常而引起的非收斂性。在分析破壞力時，通常會發現，網格密度愈大，其計算結果愈準確。對于一般的材料，也存在相似的觀點。

圖1 有限元模型

3 裝配式新型鋼筋連接剪力墻受力性能分析

3.1 破壞形態分析

對于預制剪力墻，其整體部位存在大量的接縫，且接頭對整個構造的失效形態具有顯著的作用[3]。如果接頭的強度好，則墻體將呈現出與傳統的現澆剪力墻相同的受壓破壞形式。當接頭性能不好時，就不能保證整個組合剪力墻的受力。另外，在工程實踐中，接頭部位的過早破壞是一種非常態破壞形式，因此，在工程實踐中應盡量避免。

3.1.1 SW-1破壞形態分析

從圖2 可以看出，在鋼筋混凝土結構中，混凝土結構的損傷最先出現在鋼筋混凝土柱的根部，并沿著鋼筋混凝土的底部向45°延伸；外加荷載對現澆混凝土剪力的影響，其破壞部分逐漸增加，并逐漸向加載后期發展；整體開裂的范圍會持續擴大，但不會向上，而剪力墻的破壞則集中在中部的1/2 墻高度[4]。現澆混凝土的粘結部位處于完全固結狀態，因此，在橫向荷載的反復加載下，盡管這一段的壓力會持續增大，但其最大的塑性變形并未在該處發生。

圖2 SW-1應力云圖

3.1.2 SW-2 破壞形態分析

從圖3 可以看出，采用約束漿錨固的新型組合剪力墻結構，在荷載初期并未出現明顯的改變，但隨著荷載的持續，整體破壞首先出現在梁-剪力墻的連接點，整體剪力墻與地梁的連接點和下側剪力墻的連接點都受到了拉傷[5]。而且隨著荷載的不斷增大，產生了一種貫穿縫，裂紋呈45°向上擴展，破壞的位置在剪力墻的下半部分。但由于連接構件的加固，整體上、下墻板板的裂紋在連接部位不會繼續延伸，在連接部位的兩側都存在破壞區，而在連接部位的上部則是應力最大的部位。在這種情況下，采用約束漿錨固結合的方法，實現了強度節點弱板的設計思路。

圖3 SW-2應力云圖

3.2 剪力墻骨架曲線

通過對骨架曲線的比較，結果表明，用數值模擬得到的骨架曲線與實驗結果基本一致。在墻體發生裂縫之前，根據數值仿真結果與實驗仿真結果進行了比較（圖4），結果表明前者明顯高于后者，且其彈性系數亦相同。這是由于在有限元計算時，將混凝土視為理想材料，但在實際應用中，由于混凝土整體材料分布是不規則的，所以在整個實驗中，都會出現一些不同的情況。通過對該方法的研究，發現在有限元計算和實驗分析中所得到的結論相差不大，因此，該模型是可行的，可以作為一種在地震中進行剪切應力計算的模型。

圖4 剪力墻骨架曲線模擬與試驗結果對比

在荷載初期，SW-1 和SW-2 的骨架曲線都是線性的，在這段時間內，各個構件都是彈性的，而隨著橫向位移的持續增加，它們的承載力也會增加；在荷載達到最大載荷后，其剛度逐步降低，進入彈塑性階段；在載荷最大的時候，由于混凝土破壞程度的增加，使得更多的混凝土不再能承載荷載而進入塑性期，此時試件的承載能力就會下降，骨架曲線開始向下移動。在有限元分析中，由于受鋼筋本構關系的限制[6]，不能較好地反映出混凝土在頸縮期乃至斷裂后的受力衰減過程，因而在后期出現了較為平穩的曲線，且不存在較大的下降。在此基礎上，可以看到，當水平變形增大后，剪力墻的混凝土結構將會迅速被破壞，隨后，受力作用于鋼筋，使得其承載力再次增大；后期主要是靠鋼筋來承受荷載，雖然具有很高的承載率，但仍然存在脆弱性，無法與鋼筋相結合；斷裂形態趨向于剪切斷裂。

通過對SW-1 和SW-2 的骨架曲線進行比較（圖5），可以看出組合剪力墻與現澆混凝土剪力墻的結構變化趨勢基本一致。采用約束漿錨固搭接的新型預應力混凝土組合剪力墻結構的骨架曲線趨勢可劃分為三個階段，第一階段處于彈性階段，整體趨勢較為平穩[7]，當荷載持續增大時，剪力墻進入彈塑性階段，剪力墻將會出現裂紋，當承載力達到最大值時，剪力墻的裂紋就會越來越多，使其不能正常工作且剛度緩慢下降，在最大負荷下，混凝土不再工作，然后進入塑性階段，鋼筋斷裂，骨架曲線將進入一個下降的階段。

圖5 骨架曲線對比圖

3.3 滯回曲線分析

滯回曲線以受力點為坐標，通過反復載荷作用，把受力和相應的變形結合起來，構成一條環狀的曲線。對于滯回曲線來說，它不僅可以根據地震來判定建筑物的抗剪強度，還可以做出相應的判別結果。根據位移的控制方法，采用了一種低周反復荷載的方法，使其在整體進入彈性狀態以后，可以對其進行相應的處理，最后得出滯回曲線。

在進行有限元數值仿真時，由于考慮到混凝土和鋼筋的相互作用導致了混凝土和鋼筋的相互滑動，兩者的接觸被視為堅固狀態。同時，由于對鋼筋的包興格作用的影響比較理想，所以不能準確反映受荷時的鋼筋破壞。因此，在滯后曲線中沒有發生“捏合”現象。

圖6 為滯回曲線對比圖。SW-1 和SW-2 的滯回曲線表明，SW-1 和SW-2 的滯回曲線均為平滑滯回曲線，且其正向和反向基本對稱。SW-1 和SW-2剪力墻在初始狀態下都是一條直線，但并沒有發生剛性衰減，當SW-1 和SW-2 剪力墻從彈性階段到屈服階段，滯回曲線不再是一條直線。在受力作用下，SW-1和SW-2兩層墻體出現了塑性變形，使整體的滯回線出現了撓曲變形，最終在卸荷過程中產生了一定的殘余應力，并使整體的滯回區逐漸增大。當位移持續增加時，兩個剪力墻所承受的水平力也會達到最大，而滯回環的面積會持續增大，直至發生斷裂，因此，結構的損傷增加，剛性下降。通過SW-1 和SW-2 兩種墻體的比較，表明SW-2 型墻體的承載量下降速率要比SW-2大得多。而且SW-2的滯回特性曲線整體覆蓋范圍大于SW-1，這表明采用約束泥漿錨固方式的組合剪力墻結構要優于現澆混凝土剪力墻。

圖6 滯回曲線對比圖

3.4 剛度分析

剛性反映了受壓后，結構由裂紋向極限方向發展的變化反映了結構的抗拉強度。在結構產生裂紋至臨界變形期間，由于損傷的積累，使得結構的變形性能下降，從而產生剛性衰減。

SW-1和SW-2剛性圖形的變化趨勢類似（圖7），均是在荷載位移持續增加時，剛性下降，斜率下降，因此剛性衰減的趨勢明顯減弱。結構初始為彈性階段，整體曲線接近于一條直線，整體剛度衰減不顯著且隨構件進入彈塑性階段；剛性衰減程度逐步變得明顯，整體曲線呈現出明顯的降低趨勢；在此基礎上，各構件最終進入塑性期，其剛度的劣化更為顯著。通過對SW-1 和SW-2 的剛度衰減曲線的對比，發現SW-1 和SW-2 的剛度衰減曲線呈現出明顯的降低趨勢，但SW-2 的衰減趨勢比SW-1 降低的幅度要小，表明SW-2 對剛性的衰減有明顯的抑制作用。通過對SW-2 和SW-1 進行對比，發現SW-2 的剛度衰減系數明顯高于SW-1。因此，采用約束漿錨桿進行垂直連接的預制剪力墻結構在約束承載力退化方面表現出更好的優越性。

圖7 骨架退化曲線對比圖

4 結論

采用約束漿錨固結合的預制剪力墻在承載力和耗能方面比現澆混凝土更好、剛性比現澆混凝土要差，而采用約束漿錨固的預制拼裝剪力墻的剛性在允許范圍內。分析現澆混凝土剪力墻與垂直連接采用約束漿錨固結合的組合剪力墻，結果表明，鋼筋混凝土組合剪力墻受力衰減的約束效果明顯優于鋼筋混凝土剪力墻。綜合考慮，采用約束漿錨桿的垂直連接組合剪力墻，其抗震儲備能力和性能與現澆混凝土剪力墻相當。