考虑施工因素的装配式钢-混凝土组合剪力墙抗震性能分析
0 引言
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
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
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
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
2014年, 陈建伟等
2015年, 陈建伟等
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
2012年, 周博文等
2014年, 童师敏等
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。
1 装配式钢-混凝土组合剪力墙试验概况
首先, 应用Open SEES软件对齐芳
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。
2 装配式钢-混凝土组合剪力墙有限元分析
2.1 分段纤维模型建立
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
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fpc、峰值压应变epsc0、极限应力fpcu、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。

式中:Kc为混凝土峰值应力增大系数;fcc和ep分别为约束混凝土峰值应力和应变;fc和epsc0分别为未约束混凝土峰值应力和应变;fpcu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;Ect为混凝土初始弹性模量;Ecc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。
2.2 有限元分析结果与试验结果对比
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。
2.3 考虑施工因素的有限元分析
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。

图1 0 考虑钢筋黏结滑移滞回曲线对比Fig.10 Comparison of hysteretic curves of bond slip considering reinforcement sliding
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。

图1 3 考虑约束区混凝土面积减小滞回曲线对比Fig.13 Comparison of hysteretic curves considering concrete area reduced in constraint zone
3 结语
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。
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