預制預裝修模塊化箱體連接節點力學性能試驗研究及有限元分析

段良杰 ，張永震

(1.淄博市經濟開發投資有限公司，山東 淄博255022；2.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction)指預裝修模塊化箱體,是將一個可運輸尺度內的完整房間在預制工廠進行組裝加工、裝修、安裝固定設備,達到模塊內精裝修入住前的程度后再運到工地進行現場吊裝[1]。箱式模塊現場施工作業部分較少,只需進行現場安裝,對于環境保護十分有利。不同模塊箱體之間的連接主要靠墻體預埋件以及連接件[2],此拼裝剪力墻主要靠軟鎖拉環以及插筋和灌漿料,墻體厚度在9 cm左右,在其結合面處采用花紋鋼板做底模,以增加結合面的粗糙程度。不同模塊箱體在拼裝過程中產生大量拼縫,拼縫連接可靠性對結構的安全至關重要。國內外學者對裝配式墻體不同拼縫的連接進行了大量研究。李妍等[3]采用ABAQUS軟件對螺栓-鋼板拼縫連接的裝配式混凝土剪力墻進行有限元模擬并與試驗中的現澆剪力墻進行對比,研究結果表明螺栓-鋼板裝配式剪力墻與現澆剪力墻的抗震性能基本一致;曾華益[4]設計制作了3片螺栓連接的全裝配式混凝土框式墻體并對其進行了有限元分析,研究結果表明框內采用砌筑蒸壓加氣混凝土砌塊的結構形式對承載力的提升作用更為明顯,滯回曲線較為飽滿,有限元模擬結果與試驗結果基本一致;郭艷芳[5]采用ABAQUS軟件對帶水平及豎向拼縫裝配式剪力墻的抗震性能進行有限元分析,結果表明拼縫部位為裝配式墻體的薄弱部位,先于墻體進入破壞狀態;劉凱[6]設計制作了預制鋼筋混凝土墻板和現澆邊緣構件組成的預制裝配式墻體并對其進行低周往復加載試驗,試驗結果表明剪跨比為1.25時,墻體的滯回曲線飽滿,變形能力及延性較好;黃遠等[7]對采用3個墻與墻軟索連接以及3個樓板與樓板軟索連接的試件進行了靜力加載試驗,試驗結果表明拼縫抗剪承載力主要由軟索受拉產生的界面抗剪摩擦力和軟索自身的銷栓力組成; Belleri等[8]研究了預制墻體中采用灌漿套筒連接的抗震性能,研究結果表明采用灌漿套筒連接的墻體其抗震性能與傳統墻體基本一致。

目前PPVC還未在我國大力發展,其不同箱體模塊之間的連接節點是否能夠滿足安全性的要求還需要進一步驗證[9-10]。本文重點研究其破壞形態、荷載位移曲線和滑移位移等力學性能,同時在試驗的基礎上通過有限元軟件ABAQUS對采用軟索拉環連接形式的墻體進行有限元分析,并與試驗結果進行對比。

1 試驗概況

壓剪試驗試件由4塊墻體組成,尺寸及配筋如圖1所示。先對墻體下半部分進行拼裝,將墻體下半部分軟索拉環扣出,如圖2(a)所示;其次在對接位置處插入插筋,控制墻體間隙為20 mm,如圖2(b)所示,利用密封膠將墻體底部四周拼接縫位置處密封,對下半部分墻體進行灌漿;然后將插筋插入上半部分墻體拉環對接處,并采用槽鋼將其與下半部分墻體暫時固定,墻體上下拼縫之間預留20 mm空隙,在拼縫位置處進行密封處理并進行灌漿,如圖2(c)所示;試件的豎向荷載由試件頂部的液壓千斤頂施加,軸壓比為0.1,水平荷載由液壓伺服作動器施加,加載方向為由左向右,試驗現場裝置圖如圖2(d)所示。

(a)上半墻體側立面圖 (b)上半墻體正立面圖

(a)單片墻體 (b)下部墻體拼裝

2 試驗現象

當水平位移荷載加載到6 mm左右時,墻體無明顯裂縫。在水平位移加載到7 mm左右時,墻體左側水平縫位置處開始出現一條水平裂縫,并隨著位移的增加不斷延伸發展。當水平位移荷載加載至10 mm左右時,墻體左側與水平縫相交處上半部分墻體開始局部出現豎向裂縫,并伴隨著混凝土脫落,與此同時,墻體右側下半部分墻體局部出現混凝土鼓裂壓碎現象。水平位移荷載加載到13 mm左右時,墻體左側水平縫處開始出現一定的滑移,墻體左側上部分墻體向上翹曲,同時伴隨著混凝土大量脫落,墻體右側底部混凝土開始被壓碎。水平荷載加載到15 mm左右時,墻體承載力下降到極限承載力的85%,停止加載,此時試驗結束。壓剪試驗現象如圖3所示。

(a)正立面圖 (b)側立面圖 (c)底部混凝土壓碎圖3 壓剪試驗現象

3 試驗結果及承載力分析

由荷載位移曲線(圖4)可以看出,在加載階段初期曲線斜率基本呈線性分布,表明此階段墻體還處于彈性階段;隨著位移的增加,曲線斜率有所改變,墻體的最大水平抗剪承載力為203 kN。

圖4 壓剪試驗荷載位移曲線

下面對拼縫處節點力學性能進行分析。由墻體壓剪試驗可以看出,在水平位移荷載作用下,墻體上下連接部位出現水平裂縫并出現水平滑移,由于水平拼縫處的滑移,使得水平拼縫位置處的豎向插筋承受拉(壓)剪復雜內力,造成了此位置處的鋼筋過早屈服;墻體右側水平縫位置處混凝土也承受了較大的壓剪內力,過早發生了壓碎而提前退出工作,墻體的薄弱位置在水平拼縫處;拼縫位置處主要靠界面之間的粘結力、鋼筋的銷栓作用力、混凝土與灌漿料之間的界面摩擦力來抵抗水平剪力。墻體受力情況如圖5所示,由圖5可知,墻體水平縫位置處左側混凝土承受拉應力,右側承受壓應力,因此水平裂縫由左側向右側延伸且左側部分墻體向上翹曲。

圖5 墻體受力情況

4 壓剪試件有限元模型及參數分析

4.1 有限元模型

通過ABAQUS有限元軟件建立壓剪試驗有限元模型。混凝土采用 C3D8R 六面體線性縮減積分實體單元;預制墻體鋼筋均采用 T3D2 二節點三維桁架單元;考慮插筋因剪切和彎曲產生的剪切應力與正應力,插筋采用B31兩節點空間線性梁單元,以體現水平相對滑移對縱向鋼筋造成的銷鍵剪切作用。混凝土與灌漿料采用塑性損傷本構模型,鋼筋采用二折線性的彈性強化模型。從試驗現象可以看出,在試件的水平連接部位未發現明顯的豎向裂縫,故可以采用tie約束;對于試件的上下連接部位,其結合面位置處出現較為明顯的水平滑移,故采用面與面接觸,法向采用“硬接觸”,切向采用“罰摩擦接觸”,在達到其臨界應力之前,界面處于臨界摩擦狀態,當達到臨界應力之后,界面處于滑動摩擦狀態,摩擦系數取1;墻體、加載梁、地梁之間采用tie約束,約束地梁底端的位移。有限元模型如圖6所示。

(a)裝配體模型 (b)鋼筋骨架 (c)網格劃分圖6 有限元模型

4.2 荷載位移曲線對比

試驗與模擬的荷載位移曲線對比如圖7所示,由圖7可知:

圖7 荷載位移曲線對比

1)在初始加載階段,有限元模擬初始剛度大于試驗試件的剛度,分析其原因為:試件在制作過程中存在初始缺陷,如存在灌漿料灌漿不充分和運輸過程中出現損傷等;有限元模擬為有限自由度,試驗試件中為無限自由度,因此有限元計算剛度大于真實剛度。

2)兩者之間的變化趨勢存在差異。試驗試件在達到峰值荷載時,承載力下降迅速;有限元模擬達到峰值荷載時,承載力下降較為緩慢。

3)承載力方面,試驗中其抗剪承載力為203 kN,而有限元模擬的抗剪承載力為194 kN,試驗與有限元模擬在承載力方面相對誤差為4.4%。

4.3 破壞形態對比

墻體破壞圖如圖8所示。由圖8可知,墻體上下連接部位發生了水平滑移,同時在墻體左側產生了翹曲;墻體右側下半部分混凝土發生了大面積脫落壓碎現象。有限元破壞云圖如圖9所示。由圖9(a)、圖9(b)可知,在墻體左側水平縫連接部位及右側下半部分混凝土塑性應變較大;由圖9(c)可知,在水平縫連接部位處的鋼筋存在較大的剪切變形,水平縫位置處及右側墻趾部位鋼筋存在較大的應力;由圖9(d)可以看出,墻體的水平側移主要存在于上部墻體,下部墻體側移較小,試驗與有限元模型破壞形態相吻合。

(a)墻體整體破壞圖 (b)墻體側面破壞圖圖8 墻體破壞圖

(a)最大主塑性應變云圖及變形 (b)水平裂縫及變形

5 結論

通過對預制預裝修模塊化箱體節點進行壓剪試驗及有限元分析可得到如下結論:

1)從壓剪試驗結果可知,墻體在其水平縫位置處發生了較大的滑移,水平縫為墻體的薄弱部分,上半部分墻體位移較大,豎向鋼筋承擔較大的剪切應力,試驗的破壞形態與有限元模擬具有高度吻合性。

2)從荷載位移曲線對比中可以看出,有限元模擬的初始剛度較高,曲線在下降階段較為平緩。

3)通過有限元分析及試驗可知,影響墻體水平承載力的因素主要有混凝土與灌漿料界面之間的粘結力、摩擦力和鋼筋的銷栓作用力,因此可通過提高兩者之間的粘結力和摩擦力、增大鋼筋直徑及強度的方式提高墻體的水平承載力。