水平鋼筋對(duì)疊合板承載力影響分析

朱寶勝,張 軒

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430223

水平鋼筋對(duì)疊合板承載力影響分析

朱寶勝1,張 軒2

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430223

試驗(yàn)運(yùn)用Ansys軟件對(duì)疊合剪力墻板進(jìn)行模擬加荷，分析了拼縫處荷載增長(zhǎng)及破壞情況，發(fā)現(xiàn)隨著軸壓比的增加，拼縫處設(shè)置暗柱和水平鋼筋對(duì)承載能力和剪力傳遞影響不大；并對(duì)拼縫處應(yīng)力傳遞特征進(jìn)行模擬，分析了拼縫處內(nèi)力的傳遞過(guò)程，認(rèn)為水平鋼筋長(zhǎng)度對(duì)拼縫剪力傳遞的影響不大，但鋼筋直徑的增加能明顯提高承載力。

疊合板;剪力墻;水平鋼筋

1 問(wèn)題的提出

目前，我國(guó)對(duì)鋼筋混凝土疊合剪力墻板的系統(tǒng)全面的試驗(yàn)研究與理論分析才剛剛起步。據(jù)文獻(xiàn)資料檢索，采用疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，國(guó)外在這方面的研究甚少，國(guó)內(nèi)的研究也只是在起步階段[1-2]。隨著建筑施工技術(shù)發(fā)展，疊合式剪力墻板在高層建筑中使用越來(lái)越廣泛。疊合式剪力墻板雖然施工便捷，但由于墻板的拼結(jié)處水平鋼筋中斷，不利于結(jié)構(gòu)剪力的傳遞，影響了墻板承載能力，需要在拼縫處設(shè)置水平鋼筋將兩片板連成整體。本文運(yùn)用Ansys軟件模擬拼縫處應(yīng)力傳遞情況，并引入了彈簧單元將拼縫兩側(cè)的單元聯(lián)結(jié)起來(lái)。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇彈簧勁度系數(shù)，真實(shí)模擬拼縫處變?nèi)跚闆r，并得出試驗(yàn)結(jié)果，希望為疊合式剪力墻板工程的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

2 建立模型

為便于建模，并盡量模擬實(shí)際環(huán)境，試件由兩片疊合式剪力墻板構(gòu)成，中間豎向拼縫處水平鋼筋中斷，澆注時(shí)隙處會(huì)滲入混凝土，在此位置引入的彈簧單元模擬間隙處的混凝土。彈簧的勁度系數(shù)取E=3×104MPa，在低周期加載情況下，阻尼效應(yīng)很小，取η=0.005，單元間隙設(shè)為0，不考慮滑移能力，在本模型中彈簧方向?yàn)閅方向。加載分兩級(jí)進(jìn)行，豎向加載至0.1個(gè)軸壓比值，然后加載水平荷載[7]。

具體建模步驟如下：(1)定義分離式鋼筋節(jié)點(diǎn)，生成線單元，建立水平鋼筋和錨固筋；(2)疊合板預(yù)制部分混凝土模型由體直接生成，按鋼筋單元的劃分情況相應(yīng)地劃分單元；(3)采用掃掠方式沿著鋼筋的縱向進(jìn)行掃掠，生成夾芯層混凝土單元；(4)在拼縫處生成彈簧單元；(5)對(duì)點(diǎn)、線、面進(jìn)行耦合，將多余的節(jié)點(diǎn)、線、面刪除，生成疊合式鋼筋混凝土模型。

3 水平鋼筋直徑對(duì)剪力傳遞的影響

試件的混凝土材料有兩種：預(yù)制部分為C40，現(xiàn)澆部分為C35；水平鋼筋用二級(jí)鋼(HRB335)，長(zhǎng)度400 mm，共4件。SW-4試件直徑為6 mm，SW-5試件直徑為8 mm，SW-6試件直徑為10 mm，SW-7試件直徑為12 mm[6]。模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同直徑下等效應(yīng)力云圖

試件破壞時(shí)，受壓區(qū)的錨固筋屈服，綁扎水平鋼筋的縱筋隨后屈服，最后受拉區(qū)錨固筋屈服，此時(shí)水平鋼筋上的應(yīng)力在186.1～260.5 MPa之間，未屈服。當(dāng)水平荷載達(dá)500 kN左右時(shí)，受壓錨固筋屈服(335 MPa)，受拉筋最大應(yīng)力大約在247 MPa左右。水平鋼筋直徑大，更有利于拼縫處的剪力傳遞，延緩受拉縱筋的屈服，對(duì)提高試件的承載能力有作用。

由圖2可看出，試件在開(kāi)裂時(shí)，墻肢邊緣的縱筋應(yīng)力突然增大，隨著水平荷載增大，混凝土傳遞剪力作用減弱。當(dāng)水平荷載達(dá)300 kN時(shí)，拼縫處的水平鋼筋上的應(yīng)力徒然上升，隨后應(yīng)力增加變緩，呈線性增大，在構(gòu)件破壞前有突然增加趨勢(shì)。水平鋼筋直徑越大，應(yīng)力變化越緩慢。

圖2 等效應(yīng)力云圖

4 水平鋼筋長(zhǎng)短對(duì)剪力傳遞的影響

試件的混凝土材料有兩種：預(yù)制部分為C40，現(xiàn)澆部分為C35；板內(nèi)配筋和錨固筋與上節(jié)相同水平鋼筋為二級(jí)鋼(HR335B)12，共4件。SW-8試件水平鋼筋長(zhǎng)度為200 mm，SW-9試件水平鋼筋長(zhǎng)度為400 mm，SW-10試件水平鋼筋長(zhǎng)度為600 mm，SW-11試件水平鋼筋長(zhǎng)度為800 mm。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 水平鋼筋應(yīng)力變化

由圖3可知，受壓區(qū)的錨固筋先屈服，綁扎水平鋼筋的縱筋隨后屈服，最后受拉區(qū)錨固筋屈服，此時(shí)水平鋼筋上的應(yīng)力隨長(zhǎng)度的增加而減小，未達(dá)到屈服。水平鋼筋的長(zhǎng)短，對(duì)延緩受壓區(qū)縱筋的屈服影響不大。當(dāng)水平荷載達(dá)500 kN左右時(shí)，受壓錨固筋屈服，受拉筋最大應(yīng)力隨水平鋼筋長(zhǎng)度增加而減小，在286～245 MPa之間。但是水平鋼筋長(zhǎng)度有利于延緩受拉縱筋的屈服，長(zhǎng)度超過(guò)L=400 mm后，對(duì)提高試件的承載能力影響不大。圖4繪出了水平鋼筋應(yīng)力變化，可以看出：試件在開(kāi)裂時(shí)，墻肢邊緣的縱筋應(yīng)力突然增大，隨著水平荷載的增大，混凝土傳遞剪力能力減弱。當(dāng)水平荷載達(dá)300 kN時(shí)，拼縫處的水平荷載徒然上升，隨后應(yīng)力增加變緩，呈線性增大，在構(gòu)件破壞前有突然增加趨勢(shì)。長(zhǎng)度超過(guò)400 mm的水平鋼筋，應(yīng)力隨水平荷載增加變化很小。

圖4 水平鋼筋應(yīng)力變化

5 拼縫處內(nèi)力傳遞過(guò)程分析

水平鋼筋的長(zhǎng)短和直徑大小對(duì)剪力的傳遞效果不同，反映在拼縫處的彈簧單元上的受力變化。水平鋼筋傳遞內(nèi)力的效果好，彈簧單元上所受的力就小。圖5中試件都已屈服，部分試件沒(méi)有達(dá)到極限荷載。

從圖5看出：(1)水平荷載在250 kN之前，拼縫間隙處混凝土處于受壓狀態(tài)。此時(shí)試件處于彈性變形階段，主要由混凝土承擔(dān)著外部荷載。隨著水平荷載的增大，構(gòu)件開(kāi)裂，變形增加，受拉區(qū)內(nèi)力開(kāi)始向縱筋轉(zhuǎn)移，水平鋼筋的抗剪作用也顯現(xiàn)，此時(shí)拼縫間隙處混凝土處受拉狀態(tài)，并隨荷載增加，內(nèi)力快速增加，直到構(gòu)件屈服后內(nèi)力增長(zhǎng)變緩或下降。隨著水平鋼筋粘接破壞，剪力傳遞途徑中斷，外部荷載大部分由拼縫處混凝土承擔(dān)。(2)構(gòu)件出現(xiàn)開(kāi)裂后，水平鋼筋直徑越大，拼縫處的混凝土承受的內(nèi)力就越??；反之，說(shuō)明直徑大的水平鋼筋傳遞剪力更有效。(3)構(gòu)件出現(xiàn)開(kāi)裂后，水平鋼筋長(zhǎng)超過(guò)400 mm后，拼縫處的混凝土承受內(nèi)力基本保持在同一個(gè)水平變化；反之，說(shuō)明水平鋼筋長(zhǎng)度超過(guò)400 mm后對(duì)剪力傳遞影響不大。

圖5 拼縫處內(nèi)力與水平鋼筋的關(guān)系圖

6 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用Ansys有限元程序模擬不同軸壓比下試件的應(yīng)力分布、破壞形態(tài)、承載能力，研究拼縫處的水平鋼筋對(duì)剪力傳遞和承載力的影響，得到以下結(jié)論：

(1)水平鋼筋長(zhǎng)度超過(guò)400 mm以后，對(duì)承載能力影響很小。這個(gè)長(zhǎng)度對(duì)拼縫處的剪力傳遞已非常有效，設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)既不經(jīng)濟(jì)，也不便施工。

(2)水平鋼筋的直徑越大，承載能力有所增強(qiáng)。從軸力圖及相關(guān)數(shù)據(jù)分析可看出，水平鋼筋直徑大，可延緩受拉區(qū)縱筋的屈服，從而提高了試件的承載能力。

(3)受壓區(qū)縱筋最先壓服，隨后綁扎水平鋼筋的縱筋屈服，最后受拉區(qū)錨固筋拉屈，混凝土隨之破壞，承載力散失。

[1]沈小璞．疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[D]．合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院土木工程系，2008:72-73

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[5]王天穩(wěn)．土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2003：16

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[7]張勝民．基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社．2003：122-124

[8]龔曙光，謝桂蘭．ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：42

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.07.031

2015-02-10

朱寶勝(1981-)，安徽肥西人，碩士，講師，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU375

A

1673-2006(2015)07-0114-03