装配整体式混凝土双肢剪力墙受力性能非线性有限元分析
0 引言
剪力墙结构的侧向刚度大, 内部空间规整, 是我国高层住宅中最常见的结构形式
2片墙肢通过连梁连接形成双肢墙, 连梁与墙肢的连接构造对墙体的侧向刚度、耗能能力有着巨大影响。2010年, B.D.Weldon等
总体而言, 在既有装配式混凝土双肢剪力墙研究中存在以下问题: (1) 既有试验研究主要针对后张预应力连接的双肢剪力墙, 但后张预应力连接构造技术要求高, 应用于实际工程尚不成熟; (2) 现有研究工作主要针对轴压比为0.1~0.25的双肢剪力墙, 这与实际工程中剪力墙轴压比一般达到0.4~0.6的实际情况存在一定差别, 高轴压比下的研究工作亟待开展。
鉴于此, 课题组针对一种装配式混凝土双肢剪力墙开展了相关研究。该种双肢墙构造如图1所示, 叠合连梁的预制部分和2片墙肢分别在工厂标准化生产, 在施工现场拼装并浇筑叠合连梁和连梁墙肢连接区域, 上、下层剪力墙则通过单排套筒连接。本文在考虑材料非线性、预制混凝土结构拼缝面的基础上, 采用ABAQUS软件建立了上述双肢墙结构的有限元模型, 并基于1个双肢墙试件的低周反复试验对有限元模型进行了验证。在此基础上, 开展了有限元参数分析, 主要参数包括轴压比、连梁跨高比等。
1 有限元建模
1.1 材料本构与单元选择
在ABAQUS/Standard模块中, 提供了2种混凝土的本构关系, 分别是弥散裂缝模型与损伤塑性模型。弥散裂缝模型主要适用于单调荷载下的钢筋混凝土结构或构件的受力性能分析;而损伤塑性模型则既可以用于分析单调加载的混凝土结构, 也可用于分析反复荷载下以及动力荷载下的混凝土结构。本文采用损伤塑性模型, 所使用的混凝土本构关系根据试验中材性试验结果, 按GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 中的建议曲线计算确定。
常用的普通钢筋本构模型有以下几种形式:理想弹塑性模型、双折线弹塑性模型、硬化弹塑性模型、理想塑性-硬化塑性模型。由于在材性试验中所用的钢筋具有明显的屈服平台, 且试件破坏时部分受拉纵筋被拉断, 因此在有限元模拟中, 普通钢筋采用了更符合实际情况的三折线理想塑性-硬化塑性模型, 考虑强化段的影响, 且强化段弹性模量近似取为0.01倍的初始弹性模量。屈服强度同样根据材性试验结果取值。
1.2 预制拼缝处理
拼缝界面的模拟为装配式结构有限元模拟的难点之一。文献
1.3 套筒连接模拟
一般情况下, 套筒连接发生的破坏为钢筋拉断破坏。套筒的模拟重点为如何考虑钢筋与灌浆料、灌浆料与套筒之间的黏结滑移, 在文献
2 试验验证
2.1 试验概况
课题组前期开展了连梁单独预制的装配式双肢剪力墙抗震性能研究
2.2 主要计算结果与试验结果对比
由于ABAQUS有限元分析计算时对试件采用单调位移加载, 因此计算出的荷载-位移曲线在正反2个方向完全一致。而试验中反向加载时混凝土保留了试件正向加载时的损伤, 因此实测骨架曲线中正向承载力总是大于反向。本文仅比较正向加载时的荷载-位移曲线有限元计算结果及试验结果, 试验破坏形态如图3所示, 结构整体、上层、下层的荷载-位移曲线对比如图4所示。
从图3, 4及混凝土应变和钢筋应力云图可以得出以下结论。
1) 在到达峰值荷载前, 有限元模拟结果与试验结果吻合较好, 有限元模拟承载力 (550k N) 与试验承载力 (565k N) 较为接近, 误差仅为2.7%;在达到峰值荷载后, 结构承载力下降, 有限元模拟下降段较为平缓, 而试验中承载力下降较快。
2) 试件破坏形态与试验结果一致, 均为梁墙铰的混合铰破坏机制, 具体表现为上、下层连梁钢筋首先受拉屈服, 梁端形成塑性铰, 随着水平位移的增加, 下层墙肢钢筋受拉屈服, 形成墙肢塑性铰。
3 参数分析
采用上述有限元模型, 设计了10片双肢剪力墙对双肢墙的轴压比 (0.1~0.6) 、连梁跨高比 (2, 2.5, 3) 等影响因素开展了参数分析。试件参数信息及主要有限元结果如表1所示。
3.1 轴压比
不同轴压比下试件的荷载-位移曲线如图5所示, 由图5及轴压比为0.1和0.6的试件在极限状态下的钢筋应力云图可以得出:
1) 轴压比在0.1~0.6范围增加时, 初始刚度仅增加5%左右, 这表明轴压力的提高对试件刚度有提升, 但不是很明显;高轴压比下的双肢剪力墙试件屈服位移大于低轴压比下试件的屈服位移, 原因在于高轴压力作用下, 试件刚度退化相对较慢;随着轴压比的增大, 加载后期曲线的下降趋势明显增加, 这是由于随着轴压力的提高, 在加载后期侧向位移较大时, 二阶效应更加明显, 加速了试件破坏。
2) 从轴压比为0.1和0.6的试件在极限状态下的钢筋应力云图可以得出, 不同轴压比试件的破坏机制均为梁墙铰的破坏机制, 先在上、下层连梁端部形成塑性铰, 之后在墙肢形成塑性铰。低轴压比下由于轴压力较小, 墙肢受拉侧钢筋的塑性范围更大, 而高轴压比下墙肢受拉侧钢筋塑性范围更小。
3) 在承载力方面, 随着轴压比的增大, 试件的承载力增大, 以对比试件PW2, PW5为例, 高轴压比 (0.5) 下试件承载力比低轴压比 (0.2) 下试件承载力高24%。
3.2 连梁跨高比
不同连梁跨高比试件的荷载-位移曲线如图6所示, 由图6及连梁纵筋屈服时下层墙体插筋的应力云图可得:
1) 在侧向荷载作用下, 连梁跨高比较小试件具有更大连梁刚度;以0.2轴压比下试件为例, 与连梁跨高比为3的试件相比, 跨高比为2, 2.5的试件初始刚度分别提高19.2%, 41.2%, 屈服时刚度分别提高20.8%, 54.3%, 这表明连梁刚度的增加可提升整体结构的初始侧向刚度与屈服时侧向刚度。
2) 在承载力方面, 小连梁跨高比试件的承载力更大, 相比于跨高比为3的试件, 跨高比为2, 2.5的试件承载力提高7.5%, 19.4%, 这表明连梁刚度的增加可提升双肢墙整体结构的承载力。

图6 不同连梁跨高比试件的荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves with different span-depth ratios of coupling beam
3) 从连梁纵筋屈服时下层墙体插筋的应力云图可以得出, 对于3个不同剪跨比的双肢墙试件而言, 钢筋屈服点都是首先出现在连梁端部。对比三者的钢筋应力云图可以得出, 连梁跨高比为2, 2.5, 3的试件连梁屈服时下层墙体插筋的应力分别为308, 309, 286MPa, 随着连梁跨高比的降低, 截面高度增加, 连梁刚度增大, 墙肢底部的钢筋应力也增加, 如果连梁刚度过大, 则有可能造成塑性铰先出现在墙肢底部。
4 结语
1) 在考虑材料非线性、混凝土结构拼缝面等特性的基础上, 本文所用有限元能够较好地模拟试验结果, 在荷载峰值之前的荷载-位移曲线拟合较好, 但曲线下降段较试验结果更为平缓。
2) 随着轴压比增大, 双肢墙承载力增加;由于二阶效应, 达到荷载峰值之后的结构破坏更为严重。
3) 连梁跨高比的减小能够提升装配整体式混凝土双肢剪力墙的刚度和承载力, 但连梁刚度过大可能会造成塑性铰首先出现在墙肢底部。
参考文献
[1]贝斐君.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用[J].中国战略新兴产业, 2018 (4) :222-223.
[2]薛伟辰, 王东方.预制混凝土板、墙体系发展现状[J].工业建筑, 2002, 32 (12) :57-60.
[4]孙巍巍, 孟少平.后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2007, 37 (2) :190-194.
[5]朱张峰, 郭正兴.装配式短肢剪力墙平面模型抗震性能试验[J].哈尔滨工业大学学报, 2012, 44 (4) :94-99.
[7]杨联萍, 余少乐, 张其林, 等.双面叠合试件界面抗剪性能试验[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2017, 45 (5) :664-672.
[8]陈洪, 张竹芳.钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析[J].佳木斯大学学报 (自然科学版) , 2014 (3) :341-344, 349.