裝配式環(huán)形鋼筋搭接混凝土剪力墻的抗震性能研究

許冠超, 謝琰, 孟卓倫, 趙繼偉

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司,河南 鄭州 450006)

隨著我國建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛,目前，國內(nèi)已經(jīng)形成了多種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)[1-5]。其中，套筒連接雖然連接可靠,但其配套要求高,材料性能控制難,且安裝效率較低;約束漿錨連接的搭接長度較短,雖然成本較低,但其適用范圍受到限制,施工效率較低且成孔難度較大;波紋管連接的強(qiáng)度高,安裝速度快,但對存放和運(yùn)輸?shù)囊筝^高,成本也相應(yīng)被提高。

針對目前裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系存在的問題,本文提出了一種新型裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系——環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),在接縫位置處采用環(huán)筋扣合錨接方式連接,并對該種連接方式的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)與有限元模擬的對比研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

擬對3組15個(gè)剪力墻試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。剪力墻試件由試驗(yàn)墻體和墻底的地梁組成。試驗(yàn)墻體均為矩形截面,外形尺寸相同:墻體高3 100 mm、寬1 500 mm、厚200 mm;地梁長3 500 mm、寬500 mm、高600 mm,如圖1所示。

圖1 試件尺寸圖(單位:mm)

試件之間的主要區(qū)別在于鋼筋連接方式、縱向分布筋直徑和混凝土的強(qiáng)度等級。根據(jù)分布鋼筋直徑不同把所有試件分為3組。對每組試件進(jìn)行編號,編號格式:鋼筋直徑-連接方式-分組,如D16-DJ代表試件鋼筋直徑16 mm,采用鋼筋搭接方式進(jìn)行連接;D16-HK(JM)代表試件鋼筋直徑16 mm,采用環(huán)筋扣合錨接的方式連接,并在連接處進(jìn)行箍筋加密。本文僅取箍筋加密的環(huán)筋扣合D16-HK(JM)試件進(jìn)行試驗(yàn)與有限元模擬對比。環(huán)筋扣合的配筋方式如圖2所示。

圖2 環(huán)筋扣合試件的配筋圖(單位:mm)

1.2 加載制度與量測內(nèi)容

試件的擬靜力試驗(yàn)依照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—96)中的規(guī)定進(jìn)行加載。試驗(yàn)加載裝置及位移計(jì)布置如圖3所示。

圖3 加載示意圖及位移計(jì)布置圖

采用2 500 kN液壓千斤頂施加軸壓力、2 000 kN水平作動器施加水平力。通過千斤頂及作動器頂端部的力傳感器量測施加力的大小。首先，根據(jù)軸壓比設(shè)計(jì)值施加軸向力,在試驗(yàn)過程中保持軸向力不變。然后施加往復(fù)水平力,先加推力,為正向加載；后加拉力,為反向加載。采用荷載控制加載,每級荷載控制一個(gè)循環(huán)。

各個(gè)試件的位移計(jì)布置相同,共6個(gè)位移計(jì),其中頂部加載梁處布置1個(gè),控制位移加載;墻身布置4個(gè),間隔500 mm;地梁處布置一個(gè)位移計(jì),用于量測地梁的平動。用應(yīng)變片量測豎向分布筋的應(yīng)變,每個(gè)試件均在距離地梁頂面位置處布置應(yīng)變片;對于環(huán)筋扣合連接的試件,鋼筋扣合位置處布置應(yīng)變片,采集鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù),分析鋼筋傳力性能。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

為分析環(huán)筋扣合連接的裝配式剪力墻的抗震性能,采用ABAQUS軟件建立其有限元模型[6],如圖4所示?；炷翂Σ捎肅3D8R單元,鋼筋采用T3D2單元,將鋼筋嵌入到混凝土內(nèi)。在地梁的下邊緣施加X、Y、Z軸方向的約束。根據(jù)試驗(yàn),在ABAQUS中設(shè)置3個(gè)分析步:①在模型的上表面施加8.33 N/mm2的豎向壓力;②保持軸向力不變,在模型右側(cè)施加100 N/mm2的水平推力;③在模型右側(cè)施加100 N/mm2的水平拉力。

圖4 裝配式剪力墻的有限元模型

2.2 邊界條件和算法

混凝土選取ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型,塑性流動法則為非關(guān)聯(lián)流動法則,混凝土塑性損傷模型的勢函數(shù)采用Drucker-Prager雙曲線函數(shù)。本模型中的混凝土采用文獻(xiàn)[7]給出的單軸受壓和單軸受拉混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,如圖5所示。圖5中:fc,r為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)分析的需要分別取fc、fck或fcm,本試驗(yàn)取fck;fck為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;ft,r為混凝土單軸抗拉強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)分析的需要分別取ft、ftk或ftm,本試驗(yàn)取ftk;ftk為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;εc,r為與單軸抗壓強(qiáng)度代表值fc,r相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變;εt,r為與單軸抗拉壓強(qiáng)度代表值ft,r相應(yīng)的混凝土峰值拉應(yīng)變;εcu為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段應(yīng)力等于0.5fc,r時(shí)的混凝土壓應(yīng)變;ψ為剪脹角;m為流動勢偏移值;αf為雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比;Kc為拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二應(yīng)力不變量之比;μ為黏滯系數(shù)。

圖5 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

混凝土的強(qiáng)度等級為C40,其主要材料參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1 混凝土材料參數(shù)取值

2.3 鋼筋的本構(gòu)模型

鋼材采用von Mises屈服準(zhǔn)則,本構(gòu)關(guān)系采用二折線形式的彈性-強(qiáng)化模型,屈服后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡化為平緩的斜直線,即鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖6所示。其中：fu為鋼筋的屈服極限;fy為鋼筋的強(qiáng)度極限;εy為鋼筋達(dá)到屈服極限的應(yīng)變值;εu為鋼筋達(dá)到強(qiáng)度極限的應(yīng)變值。

圖6 鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

縱筋和水平鋼筋選用HRB400,箍筋為HRB335,其材料參數(shù)見表2。

表2 鋼筋的材料參數(shù)

注:fyk表示鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過觀察預(yù)制環(huán)筋扣合錨接的預(yù)制剪力墻的破壞現(xiàn)象,結(jié)合滯回曲線與骨架曲線、試件承載力、變形與延性等特征,并與有限元模擬分析進(jìn)行對比,可揭示出環(huán)筋扣合錨接連接的可靠性能及預(yù)制剪力墻的破壞特性和抗震性能。

3.1 滯回曲線及骨架曲線

試件的頂點(diǎn)水平力F-位移Δ的滯回曲線如圖7所示(正水平力為正向加載,負(fù)水平力為反向加載)。從圖7(a)中可知,D16-HK(JM)試件的滯回曲線正向加載與反向加載并無明顯差別,雖有一些捏攏,但并不嚴(yán)重。由圖7(b)可知,有限元模擬與試驗(yàn)所得的滯回曲線的包絡(luò)線形狀基本一致,試驗(yàn)所得的曲線更趨飽滿。另外,試驗(yàn)和有限元模擬的滯回曲線包絡(luò)線在正向加載時(shí)較負(fù)向加載時(shí)飽滿,即表明該剪力墻正向加載性能略優(yōu)于負(fù)向加載性能。

圖7 試件的滯回曲線

骨架曲線是滯回曲線中每級加載水平力最大峰值所形成的軌跡,反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及其特性,也是表征結(jié)構(gòu)抗震性能的主要依據(jù)之一。環(huán)筋扣合試件的骨架曲線如圖8所示。

圖8 環(huán)筋扣合試件的骨架曲線

由圖8可見：在試驗(yàn)中,構(gòu)件正向加載與反向加載的骨架曲線基本一致,在達(dá)到峰值水平力之前基本呈正比例上升；而達(dá)到峰值水平力后,隨位移的增大,峰值水平力呈下降趨勢；并且反向加載較正向加載下降得更為明顯。有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的總體變化趨勢基本一致,但其水平力較試驗(yàn)結(jié)果偏小,且曲線波動較大。

3.2 試件承載力

通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及已經(jīng)得到的骨架曲線,得到試件的開裂水平力Fcr、屈服水平力Fy和峰值水平力Fp值，見表3。由表3可以看出,D16-HK(JM)試件試驗(yàn)時(shí)的峰值水平力為539 kN,而有限元模擬計(jì)算的峰值水平力僅為357 kN,二者相差較大。

表3 試件不同狀態(tài)的水平力 kN

3.3 鋼筋應(yīng)變

試驗(yàn)過程中,采集縱向鋼筋的實(shí)時(shí)應(yīng)變ε,并與有限元模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比,如圖9所示。由圖9可知,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。隨著位移Δ的增大,鋼筋的應(yīng)變ε均呈增大的趨勢,說明此種連接方式中的鋼筋能夠有效地傳遞應(yīng)力。

圖9 鋼筋應(yīng)變-位移曲線

3.4 剛度退化

剪力墻試件在進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)的過程中,隨著水平推力的不斷增大,水平位移也不斷增大,結(jié)構(gòu)剛度則不斷退化,尤其是結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段,剛度變化較快。因此,可以采用往復(fù)水平作用下每次循環(huán)峰點(diǎn)的水平力與位移的割線剛度來反映試件的剛度與頂點(diǎn)水平位移的關(guān)系。

試件割線剛度計(jì)算公式如下:

式中:|+Fi|、|-Fi|分別表示第i次循環(huán)加載過程中正向和負(fù)向的峰值承載力;|+Xi|、|-Xi|分別表示此次循環(huán)加載過程中峰值承載力對應(yīng)的正向和負(fù)向位移。

對每次循環(huán)加載分別記錄峰值承載力和位移值,繪制試件剛度退化曲線，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)與有限元計(jì)算的剛度退化曲線

由圖10可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬計(jì)算的結(jié)果均表明:當(dāng)水平力較小時(shí),水平位移較小,試件的剛度最大;隨著水平力的增大,位移逐漸增大,剛度逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果中的剛度下降趨勢更為明顯。而有限元計(jì)算結(jié)果中,剛開始加載時(shí),試件的剛度不穩(wěn)定,稍后才逐漸呈下降趨勢,且下降的趨勢較緩,剛度變化較小。

3.5 耗能能力

承受地震荷載的結(jié)構(gòu),其承載力與變形能力相結(jié)合,便是對應(yīng)的耗能能力。結(jié)構(gòu)受到地震作用后將產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動,一部分能量轉(zhuǎn)化為動能,另一部分則通過部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服來消耗。因此,耗能曲線表示試件的耗能能力。對每一次循環(huán)加載,試件的水平力-位移曲線都會圍成一個(gè)滯回環(huán),定義該滯回環(huán)的面積為此循環(huán)加載中試件的耗能。隨著位移的增加,試件的耗能能力也隨之變化。試件的耗能能力隨位移的變化曲線稱為耗能曲線。該試件的試驗(yàn)與有限元計(jì)算下的耗能曲線如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)與有限元計(jì)算的耗能曲線

由圖11可知,有限元模擬計(jì)算的耗能能力均小于試驗(yàn)結(jié)果,隨著位移的不斷增大,耗能能力均呈增大趨勢。這是由于在建模過程中采用了簡化方法,而試驗(yàn)中的鋼筋綁扎搭接增加了配筋率,耗能能力也會有相應(yīng)增加。

綜上所述,裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻中的環(huán)筋扣合加密試件D16-HK(JM)的滯回曲線、骨架曲線、承載力、鋼筋應(yīng)變、剛度退化與耗能曲線的試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本相似,只是環(huán)筋扣合加密試件D16-HK(JM)承載力的有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。其原因是，由于試驗(yàn)中鋼筋采用綁扎連接,提高了配筋率,而在有限元模擬中采用了簡化形式,造成了計(jì)算結(jié)果的偏差。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了3組15個(gè)剪力墻試件的擬靜力試驗(yàn),并對環(huán)筋扣合加密試件D16-HK(JM)進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的對比,得出的主要結(jié)論有:

1)有限元模擬與試驗(yàn)所得的滯回曲線的包絡(luò)線形狀基本一致,試驗(yàn)較模擬結(jié)果的曲線更趨飽滿,且二者的滯回曲線包絡(luò)線在正向加載時(shí)較負(fù)向加載時(shí)的飽滿,即該剪力墻正向加載性能略優(yōu)于負(fù)向加載性能。構(gòu)件的正向加載與反向加載的骨架曲線基本一致,在達(dá)到峰值水平力之前呈正比例上升,而達(dá)到峰值水平力后,隨位移的增大,峰值水平力呈下降趨勢,并且反向加載較正向加載時(shí)下降得更為明顯。

2)D16-HK(JM)試件試驗(yàn)時(shí)的峰值水平力為539 kN,而有限元模擬所得的峰值水平力僅為357 kN,二者相差較大。這是由于試驗(yàn)中鋼筋采用綁扎連接,提高了配筋率,而在有限元模擬中采用了簡化形式,造成了計(jì)算結(jié)果的偏差。

3)試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果均表明：隨著位移的增大,鋼筋的應(yīng)變均呈增大的趨勢,說明此種連接方式中的鋼筋能夠有效地傳遞應(yīng)力;當(dāng)水平力較小時(shí),水平位移均較小,試件的剛度最大;隨著水平力的增大,位移均逐漸增大,剛度均逐漸減小。但在有限元模擬結(jié)果中,剛開始加載時(shí),試件的剛度不穩(wěn)定,稍后才逐漸呈下降趨勢,且下降的趨勢較緩,剛度變化較小。

4)有限元模擬所得的耗能能力小于試驗(yàn)結(jié)果的,隨著位移的不斷增大,二者所得的耗能能力均呈增大趨勢。