装配式混凝土结构是建筑工业化的一种重要方式, 起源于20世纪二三十年代, 兴起于第二次世界大战后, 当时欧洲面临的“住房紧缺”和“劳动力缺乏”两大困难促成了预制装配式结构的快速发展。到20世纪60年代, 预制装配式结构技术基本解决了欧洲各国的“房荒”问题。经过几十年的发展, 目前欧洲各国和美国、日本、新西兰等国都已建立了较为成熟的预制装配式混凝土结构体系^[1]。

20世纪50年代初我国提出了建筑工业化的发展方向, 在全国推行工厂化、装配化、标准化的建造方式。随后, 我国从原苏联引进大批装配式大板结构^[2], 建造了许多预制装配式工业厂房。但是在唐山大地震时, 这些装配式结构节点连接破坏较严重, 因此, 在较长一段时间内, 工程技术人员对采用装配式结构体系持审慎态度。

随着经济的发展, 我国对可持续发展和节能环保的要求不断提高。因此, 近十多年来发展建筑工业化又开始得到政府和学者的重视, 其应用逐渐升温。研究结果显示, 2000—2013年, “装配式建筑”的文献数量从16篇逐渐增加到327篇, 专利数量从3件增加到151件^[3]。

近些年, 苏幼坡等对装配式钢-混凝土组合剪力墙结构进行了大量研究。2013年, 陈建伟等^[4]较早提出了把带型钢边框的组合剪力墙引入装配式结构的理念。

2014年, 陈建伟等^[5]完成了3个2层单跨缩尺比为1∶3的带水平缝钢-混凝土剪力墙拟静力试验。试验结果表明:钢管混凝土暗柱边框与剪力墙竖向接合面连接可靠, 破坏时底层钢管出现局部屈曲, 组合剪力墙滞回曲线饱满, 无明显捏拢现象。

2015年, 陈建伟等^[6]对带墙体竖向拼缝的装配式钢-混凝土组合剪力墙进行了抗震性能试验研究, 通过对试件进行低周反复加载试验得出:竖向拼缝的存在对组合剪力墙整体抗震性能没有明显影响。

目前, 对装配式结构的研究还处于起步阶段, 而对装配式钢-混凝土组合剪力墙结构的数值模拟研究还很少。现在对钢管混凝土剪力墙的模拟研究大多集中在现浇结构上, 如杨亚彬等^[7]利用通用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土组合剪力墙进行了弹塑性模拟分析, 结果表明, 该有限元模型可较好地模拟其应力和变形。

2012年, 周博文等^[8]采用有限元软件Open SEES对钢筋混凝土剪力墙结构进行了非线性分析。分别采用力的纤维单元、位移的纤维单元和力的塑性铰单元对2片叠合板式剪力墙和现浇钢筋混凝土剪力墙进行了数值模拟, 通过与试验结果对比发现:基于力和位移的纤维模型模拟结果与试验结果吻合较好, 其中基于力的纤维模型模拟剪力墙峰值荷载、极限荷载、曲线捏拢和刚度的退化更准确。由此说明有限元分析软件Open SEES在验证剪力墙试验方面的可靠性较好。

2014年, 童师敏等^[9]采用Open SEES建立了双钢板组合剪力墙的纤维模型, 模拟结果与试验结果对比发现两者吻合较好, 表明Open SEES的纤维模型可以进行此类剪力墙的滞回性能分析。

综上所述, Open SEES软件具有的强大功能, 使其非常适合进行剪力墙结构的模拟研究。为更加深入地研究装配施工缝对装配式钢-混凝土组合剪力墙结构抗震性能的影响, 本文拟采用Open SEES软件建立更加精细的模型, 对此类结构的抗震性能进行有限元模拟研究。

首先, 应用Open SEES软件对齐芳^[10]完成的装配式钢-混凝土组合剪力墙往复荷载试验中的试件WSL-1进行有限元建模分析, 以校核有限元的参数设定。试件WSL-1如图1所示。

该试件剪跨比为2.85, 应变率在静态范围内。墙身尺寸为150mm (厚) ×1 200mm (宽) ×2 700mm (高) , 上面设加载梁, 其尺寸为200mm (宽) ×300mm (高) ×1 400mm (长) 。试验墙体两端钢管选取φ102×5, 地梁套筒选取φ146×8。墙体配筋如图2所示。钢材性能和混凝土抗压强度如表1和表2所示。

为考虑装配式钢-混凝土剪力墙结构的装配施工缝的影响, 建模时需考虑接缝及钢筋黏结滑移、剪切效应等因素。为实现此目的, 提出了分段纤维模型的概念。模型如图3所示, 图3a是将剪力墙完全按照现浇方式来考虑, 图3b为考虑接缝的影响在上、下2部分截面连接处设置了纤维截面, 图3c为考虑接缝处黏结滑移的影响将上、下2部分的连接截面设置为零长度单元, 图3d采用减小核心区混凝土面积来考虑钢筋套筒连接情况。

1) 节点、单元以及截面设置

应用Open SEES软件对装配式钢-混凝土组合剪力墙试件进行纤维模型的划分。沿剪力墙墙高方向划分为10个节点, 每个节点间距300mm。节点划分如图4所示。纤维截面划分如图5所示。

2) 材料本构模型

钢筋滞回本构模型steel02是基于GuiffreMenegotto-Pinto的钢筋本构模型^[11], 其骨架曲线为双折线 (见图6) 。由试验可知, 中间约束区钢筋的屈服强度为314MPa, 弹性模量为2.1×10⁵MPa;边缘区钢筋的屈服强度则为396.8MPa, 弹性模量为2.0×10⁵MPa。本构模型由弹性过渡到塑性的参数采用Open SEES软件的默认值, 即R₀=18.5, R₁=0.925, R₂=0.15, 其中R₀, R₁, R₂均为本构曲线从弹性到塑性控制参数, 应变硬化率按建议取0.01。

混凝土的本构模型采用不考虑受拉作用的concrete01。concrete01包含的参数:峰值应力f_pc、峰值压应变epsc0、极限应力f_pcu、极限压应变eps U。concrete01材料的单轴应力-应变本构模型如图7所示。该模型由于不考虑混凝土的受拉作用, 在计算时选择修正的Kent-Park混凝土模型。对于受约束的核心区混凝土可直接按上述方法计算, 而对于不受约束的保护层混凝土仅需将体积配箍率取为0, 也按该本构关系计算。

钢管本构参考文献[12,13,14]选取, 钢管内混凝土采用软件中的concrete02模型。钢管约束混凝土的参数采用Mander模型。Mander模型中包含的公式为:

式中:K_c为混凝土峰值应力增大系数;f_cc和e_p分别为约束混凝土峰值应力和应变;f_c和epsc0分别为未约束混凝土峰值应力和应变;f_pcu为极限应力;x为极限压应变与峰值压应变的比值;r为约束混凝土参数;E_ct为混凝土初始弹性模量;E_cc为约束混凝土的弹性模量。

3) 模型计算设置

模型积分类型定义选用Displacement Control, 迭代计算方法采用Krylov-Newton法, 自由度数目控制选项设为Plain, 收敛准则选用能量准则。

基于改进的纤维模型, 对装配式钢-混凝土组合剪力墙试验进行数值模拟分析, 模拟结果与试验结果对比如图8所示。

从图8可以看出, 有限元模拟分析结果与试验结果相比误差不大, 最大地方也在10%左右。因此, 说明该纤维模型在参数取值方面较合理。

1) 考虑钢筋黏结滑移的影响

在纤维模型中考虑后浇带区域钢筋黏结滑移的影响可采用加入零长度单元的方法 (见图9) , 用Bond_SP01模块考虑黏结滑移。与不考虑黏结滑移纤维模型的区别在于:考虑黏结滑移时用Bond_SP01钢筋本构代替前面的steel02钢筋本构, 其他参数不变。计算出的各参数取值如表3所示。2种工况的数值分析结果如图10所示。从图10中可以看出2种工况的模拟结果差别很小, 几乎完全重合。因此, 得出对此类剪力墙结构进行数值分析时可以忽略钢筋黏结滑移的影响。

2) 考虑剪切效应

为考虑接缝处钢筋的剪切效应, 对剪力墙添加剪切弹簧, 采用section aggregator命令将纤维截面与剪切弹簧叠合为新的截面。滞回材料参数取值如表4所示。数值分析结果如图11所示, 从图11中可以看出, 2条滞回曲线几乎完全重合, 差别很小。因此, 得出对此类组合剪力墙结构在进行数值分析时可以忽略钢筋剪切效应的影响。

3) 考虑约束混凝土面积的减小

将加入套筒后减小的混凝土面积平均分布在上下两侧, 计算出套筒截面积S₁=πd₁²/4, 钢筋的截面积S₂=πd₂²/4, 减小的混凝土面积ΔS=n (S₁-S₂) , 其中n为钢筋总根数, 下移高度Δh=ΔS/ (2L₁) 。已知钢筋数量n=10, 得出下移高度Δh=4mm, 如图12所示。

纤维模型中考虑约束混凝土面积减小的模型与不考虑此参数的模型相比只是纤维截面划分的不同, 其余参数均相同。对模型进行滞回性能的数值分析, 滞回曲线如图13所示。从图13中可以看出, 在装配式钢-混凝土组合剪力墙的滞回性能数值分析中, 考虑约束区混凝土面积减小的数值模拟结果与不考虑此参数的模拟结果相比几乎没有区别。因此, 得出:对此类组合剪力墙结构进行滞回性能数值分析时, 可以忽略约束混凝土面积减小的影响。

应用有限元软件Open SEES建立了能够考虑装配式施工中施工缝影响的分段纤维模型, 通过数值分析与试验结果对比, 得出:模拟结果同试验结果吻合较好, 误差在10%左右。这说明所选用的纤维模型在节点、单元、截面划分和材料本构的选取及参数设定等方面均比较合理。

进一步采用此分段纤维模型研究了钢筋黏结滑移、剪切效应以及约束混凝土面积减小等参数对装配式钢-混凝土组合剪力墙滞回性能的影响, 通过对比考虑这些参数与不考虑这些参数的数值分析结果发现, 这些参数的影响较小, 可以忽略不计。