疊合板式混凝土剪力墻平面內(nèi)豎向拼縫構(gòu)造措施研究

周宏庚

(安徽水利科學(xué)研究院合肥分院,安徽合肥 230022)

疊合板式混凝土剪力墻平面內(nèi)豎向拼縫構(gòu)造措施研究

周宏庚

(安徽水利科學(xué)研究院合肥分院,安徽合肥 230022)

疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系在德國等國家已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,但大多數(shù)都沒有考慮抗震設(shè)防的問題。運用ANSYS軟件從裂縫發(fā)展形態(tài)、應(yīng)力分布、承載力等方面對疊合板式混凝土墻板試件進(jìn)行了單調(diào)荷載作用下的材料非線性靜力有限元分析,有限元分析的結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合;從經(jīng)濟適用性考慮,得出適合我國國情的構(gòu)造措施。

疊合板式混凝土剪力墻;單調(diào)荷載;非線性;有限元;構(gòu)造措施

疊合板式混凝土剪力墻是由作為其外層墻模板的兩層不小于50 mm厚的大面積預(yù)制鋼筋混凝土板組成,通過在墻模板的內(nèi)部固定格構(gòu)鋼筋來確保墻模板的連接和間隔尺寸,待運至現(xiàn)場吊裝支模完成后,在墻模板間的中空區(qū)域澆注混凝土,使預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分形成整體即為疊合板式混凝土剪力墻。該種結(jié)構(gòu)體系在德國等國家已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1-5],具有施工方便快捷、有利于環(huán)保、工業(yè)化生產(chǎn)、構(gòu)件質(zhì)量容易控制等優(yōu)點,但基本上都沒有考慮抗震設(shè)防的問題。在合肥國家住宅產(chǎn)業(yè)化基地引進(jìn)德國先進(jìn)的混凝土墻板、樓板等預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝技術(shù)與生產(chǎn)線的工程背景下,疊合混凝土墻板豎向拼縫連接抗震性能試驗[6]順利完成,試驗中設(shè)計了兩塊疊合式墻板W-1和W-2,并在其豎向拼縫處采取了不同的構(gòu)造措施,分別為暗柱配筋和水平連接筋配筋,詳見圖1和圖2。

圖1 試件W-1配筋圖(暗柱)

圖2 試件W-2配筋圖(水平筋)

本文在試驗的基礎(chǔ)上運用ANSYS[7]軟件從裂縫發(fā)展形態(tài)、應(yīng)力分布及承載力等方面對疊合板式剪力墻試件(見圖3),進(jìn)行了單調(diào)荷載[8-10]作用下的材料非線性靜力有限元分析,與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比研究,并從經(jīng)濟節(jié)省方面對兩種不同的構(gòu)造措施進(jìn)行了比較分析。

圖3 疊合板式剪力墻試件圖

1 有限元分析模型的建立

建模時將疊合部分和現(xiàn)澆部分分開來處理[11]:疊合部分采用帶筋SOLID65單元;現(xiàn)澆部分為素混凝土單元,即SOLID65單元的實常數(shù)均設(shè)為0;而暗柱構(gòu)造和水平筋連接構(gòu)造中的鋼筋采用Link8單元進(jìn)行分離式建模,并且不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移;不考慮疊合板中的格構(gòu)鋼筋,通過網(wǎng)格劃分后將疊合部分節(jié)點同現(xiàn)澆部分節(jié)點合并加以近似,即不考慮疊合面處的相對滑移;疊合板接觸的節(jié)點不予合并,不考慮實際試驗時拼縫間的接觸行為。

本文所采用的材料的參數(shù)均按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)[12]選取;混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[12]規(guī)定的曲線關(guān)系按多線性等向強化模型(MISO)輸入,且為更好收斂,不考慮曲線下降段;鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型,按雙線性等向強化模型(BISO)輸入。根據(jù)本文試件形狀比較規(guī)則的特點,對試件采用映射網(wǎng)格劃分,把剪力墻墻體劃分為100 mm×100 mm×50 mm的單元。

本文的有限元分析是在試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行,邊界條件的確定盡量采用與試驗過程相同的控制,即對基礎(chǔ)采用固定端處理,墻頂梁為自由端;試驗中墻板與基礎(chǔ)和墻頂梁之間均通過插筋連接,有限元分析時采用將基礎(chǔ)和墻頂梁的節(jié)點與墻板頂部節(jié)點合并的方法加以考慮。荷載施加同樣參照試驗過程,分兩個荷載步:第一荷載步在墻頂梁施加恒定豎向荷載(按試驗時軸壓比0.1控制);第二荷載步在墻頂梁端部施加單調(diào)水平荷載,將荷載平均分配到梁端一系列節(jié)點上,模擬試驗中加載端剛性墊塊,避免加載點處的應(yīng)力奇異。為了計算更好的收斂,將每一荷載步分為若干子步進(jìn)行緩慢加載;本文采用的收斂準(zhǔn)則是力控制的L2范數(shù),收斂容差為5%,以計算不收斂或構(gòu)件局部破壞嚴(yán)重作為構(gòu)件的極限狀態(tài)。

2 有限元計算結(jié)果分析與構(gòu)造措施經(jīng)濟適用性比較

2.1 墻板裂縫發(fā)展過程的比較分析

各試件在單調(diào)荷載作用下的裂縫發(fā)展過程見圖4、圖5,圖中荷載值分別對應(yīng)于每個試件的開裂荷載、屈服荷載和破壞荷載。

ANSYS中裂縫的表示方法[13]:破裂將在裂紋面上顯示一個圓圈的輪廓。每個積分點上的第一次裂化將顯示一個紅色的圓圈,第二次裂化將顯示一個綠色的圓圈,第三次裂化將顯示一個藍(lán)色的圓圈。

圖4 試件W-1單調(diào)荷載作用下裂縫發(fā)展過程

圖5 試件W-2單調(diào)荷載作用下裂縫發(fā)展過程圖

由模擬的試件裂縫發(fā)展過程圖可看出:試件在單調(diào)加載情況下,受拉側(cè)底部首先出現(xiàn)水平裂縫,隨著荷載不斷增加,裂縫逐漸向墻板中上部發(fā)展并出現(xiàn)斜裂縫;試件破壞時,裂縫幾乎遍及整個墻板,并在墻板受壓區(qū)底部出現(xiàn)平面裂縫,受壓區(qū)邊緣混凝土達(dá)到極限抗壓強度,近于壓碎,邊緣鋼筋受壓屈服。從裂縫整個發(fā)展過程看,試件破壞均呈彎剪型破壞。

通過與試驗過程中墻板裂縫發(fā)展過程對比,發(fā)現(xiàn)ANSYS分析得到的裂縫圖與試驗實測的裂縫圖較為接近,但仍存在一定差別,這是由于ANSYS模擬未能完全接近試驗:模擬中未考慮插筋的近似處理、未考慮格構(gòu)鋼筋的近似處理以及試驗加載方式與模擬加載方式的區(qū)別以及試驗在安裝疊合板過程中疊合板接觸面難免存在縫隙,模擬時未加以考慮等;同時ANSYS中采用的是彌散型裂縫模型,即假定裂縫是均勻分布的,而試驗時裂縫并不可能完全均勻分布,并且在往復(fù)荷載作用下不斷地閉合和開裂。另外,ANSYS模擬的試件裂縫數(shù)量明顯多于試驗的裂縫數(shù)量,這是因為試驗過程中主要借助于肉眼和放大鏡來觀察裂縫的出現(xiàn),只有當(dāng)裂縫發(fā)展到混凝土表面并有相當(dāng)尺寸時才能被發(fā)現(xiàn);而在ANSYS分析中,一旦SOLID65單元內(nèi)部的高斯積分點計算得到的應(yīng)力大于混凝土單軸極限抗拉強度時就表明出現(xiàn)裂縫。

2.2 墻板應(yīng)力云圖分析

各試件在單調(diào)荷載作用下的應(yīng)力云圖見圖6～圖9。

圖6 試件W-1的Von Mises應(yīng)力云圖

從各試件最后一個荷載步混凝土的Von Mises應(yīng)力云圖中發(fā)現(xiàn),試件預(yù)制和現(xiàn)澆部分的混凝土都充分發(fā)揮了作用,與試驗過程中墻板受壓區(qū)混凝土壓碎破壞相似。

從試件W-1和試件W-2的鋼筋軸應(yīng)力圖可看出,暗柱處及水平筋連接處縱向鋼筋受力已達(dá)到屈服,與試驗過程中拼縫處縱筋達(dá)到極限應(yīng)變的實測結(jié)果吻合。

2.3 單調(diào)加載下墻板荷載特征值及延性比較分析

試件W-1、W-2的荷載特征值結(jié)果對比見表1。

圖7 試件W-2的Von Mises應(yīng)力云圖

圖8 試件W-1暗柱處鋼筋軸應(yīng)力圖

圖9 試件W-2水平筋連接處鋼筋軸應(yīng)力圖

表1 試件W-1、W-2荷載特征值對比

由表1看出,本文模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果大部分較為接近,尤其是屈服荷載與峰值荷載的誤差在15%附近,結(jié)果可以接受;由于ANSYS模擬和實際試驗對開裂有著不同的處理,導(dǎo)致試件W-1、W-2的開裂荷載誤差較大。

總體看來,ANSYS模擬的計算結(jié)果較試驗結(jié)果偏小,經(jīng)分析可能由于本文模擬時所選取的鋼筋屈服強度、混凝土極限抗拉強度、混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線等參數(shù)不是做試驗時所用材料的實測參數(shù),而是選用文獻(xiàn)[12]中規(guī)定的值進(jìn)行有限元分析,結(jié)果可能偏于保守,可通過采用試驗時材料的實測參數(shù)進(jìn)行模擬加以改善。

本文建模時未考慮材料本構(gòu)關(guān)系曲線的下降段,沒能得到試件的極限荷載,故采用假定位移延性系數(shù)(取為試件峰值荷載對應(yīng)位移與屈服荷載對應(yīng)位移的比值)以表征試件的延性性能,各試件的延性性能詳見表2。

表2 各試件延性性能模擬結(jié)果

從表2可以看出,疊合板式墻板豎向拼縫處采取這兩種不同構(gòu)造措施的試件均可以獲得良好的延性性能。

2.4 構(gòu)造措施經(jīng)濟適用性比較

從試驗結(jié)果及本文有限元模擬的結(jié)果可以看出,無論是在疊合板式墻板豎向拼縫處采取暗柱連接還是水平筋連接方式,該種新型結(jié)構(gòu)均可以獲得較好的承載能力、延性及整體性?，F(xiàn)就這兩種構(gòu)造措施中鋼筋用量及承載力提高程度列于表3。

表3 試件構(gòu)造措施鋼筋用量及承載力提高程度

由表3可以看出,疊合板式墻板豎向拼縫處暗柱連接較水平筋連接的承載力有一定程度的提高,試驗值和有限元值分別提高4.66%和10.32%,但暗柱連接部分的6鋼筋用量較水平筋連接提高了550%,12鋼筋用量較水平筋連接提高了44.83%。我國是一個發(fā)展中的大國,故從經(jīng)濟適用性方面考慮,W-2試件在疊合板式墻板豎向拼縫處采用水平筋連接的方式更符合我國現(xiàn)在的國情。

3 結(jié) 語

本文運用ANSYS有限元分析程序?qū)υ谄矫鎯?nèi)豎向拼縫處采取不同構(gòu)造措施的疊合板式混凝土剪力墻試件進(jìn)行了材料非線性分析,并通過不同構(gòu)造措施鋼筋用量與試件承載力提高程度的對比,得出適合我國國情的構(gòu)造措施——在平面內(nèi)豎向拼縫處采用水平筋連接方式。采用本文的疊合板式混凝土剪力墻的建模方法,計算得到的結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近,說明本文在ANSYS有限元分析中采用的有限元模型、材料本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則基本是正確的,同時也為在疊合板式混凝土剪力墻平面內(nèi)豎向拼縫采取其它的構(gòu)造措施的研究及應(yīng)用提供了一定的理論支持。

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Study on Structural Measures of Vertical Seams in Superimposed Concrete Wall Panels

ZHOU Hong-geng
(Hefei Branch of Anhui Hydraulic Research Institute,Hefei,Anhui230022,China)

The structural system of superimposed concrete wall panel has been widely used in Germany and other countries,but they mostly don't consider seismic problem.Here,the nonlinear finite element static analyses are carried out from the crack developing modality,stress distributing,bearing capacity and so on of the superimposed concrete wall panel under unidirectional load by using ANSYS software.The analysis results are well closed to experiment ones.According to the situation of China and economic applicability,the structural measures are obtained at last.

superimposed concrete shear wall;unidirectional load;nonlinear;finite element;structural measure

TU375

A

1672—1144(2012)01—0095—05

2011-10-17

2011-11-29

周宏庚(1985—),男(漢族),安徽天長人,工學(xué)碩士,助理工程師,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震及結(jié)構(gòu)檢測方面的工作。