兩類(lèi)模塊裝配式組合剪力墻抗震性能研究

毛吉化 汪大洋 吳福成 陳海森 聶竹林

(1 廣州廣檢建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 研究背景

裝配式建筑已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，2020 年伊始，全球抗擊新冠病毒背景下，中國(guó)武漢僅用10 天完成采用主體輕鋼結(jié)構(gòu)+標(biāo)準(zhǔn)打包箱式裝配化建設(shè)的雷神山和火神山醫(yī)院，無(wú)疑彰顯了裝配式建筑工業(yè)化的巨大優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景[1-2]。近百年來(lái)隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，超高層建筑數(shù)量也在逐年攀升，剪力墻作為不可或缺的承受水平抗側(cè)力體系，可以很好地提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和整體性能。

諸多研究學(xué)者通過(guò)擬靜力試驗(yàn)對(duì)裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能分析研究，研究結(jié)果肯定了裝配式剪力墻與現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻性能水平相類(lèi)似[3]，表明裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力和抗震性能[4-5]。但人工成本逐年攀升和生態(tài)低碳發(fā)展等諸多因素，現(xiàn)澆技術(shù)越發(fā)受限。此外，現(xiàn)有關(guān)于裝配式組合剪力墻的研究多針對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝，裝配式組合剪力墻的設(shè)計(jì)研究還非常鮮見(jiàn)，關(guān)于裝配式組合剪力墻新體系的研究亟待進(jìn)一步探索與研發(fā)。

2 兩類(lèi)模塊裝配式組合剪力墻的提出

2.1 模型參數(shù)設(shè)計(jì)

采用ABAQUS 軟件建立了兩種構(gòu)件預(yù)制裝配式組合剪力墻和兩種模塊預(yù)制裝配式組合剪力墻的精確有限元模型，研究其在往復(fù)位移荷載的作用下的受力性能，尋找一種既有利于結(jié)構(gòu)裝配式施工，又不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生不利影響的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

設(shè)計(jì)了4 種模塊裝配式組合剪力墻試件，第一、二種為構(gòu)件預(yù)制鋼板剪力墻；第三、四種為模塊預(yù)制鋼板剪力墻。所有試件中部薄鋼板厚度為4mm，外包薄鋼板厚度為2mm，混凝土板總厚度為100mm。連接件均為厚度為8mm、寬度為100mm 的厚鋼板，外伸板為厚度為10mm、寬度為50mm 的厚鋼板。外伸板連接件處螺栓只有一排，螺栓直徑為16mm， 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[6]中對(duì)螺栓的最大、最小容許距離的要求，螺栓中心間距取100mm，中心至構(gòu)件邊緣距離取50mm，共12 個(gè)螺栓。所用鋼材均為Q235b，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40。圖1 為構(gòu)件構(gòu)造三維效果圖，表1 為試件幾何尺寸說(shuō)明，表2 和表3 為有限元模型中各構(gòu)件的材料參數(shù)。

表1 試件尺寸信息

表2 混凝土材料參數(shù)

表3 構(gòu)件鋼材材料參數(shù)

圖1 構(gòu)件構(gòu)造三維效果圖

2.2 邊界及加載方式

為了模擬加載梁的運(yùn)動(dòng)情況，在有限元模型中限制加載梁除加載方向外其他方向的位移，并設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)，將加載梁上所有節(jié)點(diǎn)的所有自由度與參考點(diǎn)耦合，再通過(guò)參考點(diǎn)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行位移加載。參考點(diǎn)僅有沿加載梁梁長(zhǎng)方向的位移，其他方向的位移均為零。有限元邊界條件如圖2 所示。加載階段分為屈服前的荷載控制加載階段和屈服后的位移控制加載階段。在荷載控制加載階段，初始荷載為估算屈服值的50%，級(jí)差為50kN，每個(gè)加載級(jí)僅循環(huán)1 次，荷載加載速度為5kN/s，接近屈服點(diǎn)時(shí)開(kāi)始減小級(jí)差，試件頂點(diǎn)荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)時(shí)，即試件整體屈服，改為位移控制加載，采用層間位移角作為位移加載控制參數(shù)，其定義為θ=Δ/H(H為試件基底到水平位移加載點(diǎn)的高度)。初始位移角為屈服位移δy，每個(gè)加載級(jí)循環(huán)2 次。

圖3 試驗(yàn)加載制度

實(shí)際當(dāng)中的鋼板由于加工、運(yùn)輸或安裝等原因會(huì)存在或多或少的初始缺陷和變形，鋼板很難處于理想狀態(tài)。由于初始缺陷的存在，鋼板在受力變形后將以初始缺陷的形態(tài)展開(kāi)，為此，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要在鋼板上施加初始缺陷。為對(duì)鋼板施加初始缺陷，參考文獻(xiàn)中初始缺陷的做法，對(duì)四個(gè)有限元模型進(jìn)行特征值屈曲分析，找出四個(gè)模型中鋼板最容易發(fā)生的變形形態(tài)(通常為第一階屈曲模態(tài))，然后提取構(gòu)件的變形模態(tài)，并施加于鋼板上作為初始缺陷[7]。

3 抗震性能分析

采用相同的加載方式，對(duì)比分析四個(gè)試件在低周往復(fù)加載下的滯回性能、耗能能力、骨架曲線、剛度退化、承載力、初始剛性、位移延性、鋼板損傷以及混凝土損傷應(yīng)力變形等方面的表現(xiàn)。從圖4 中可以看出，模塊預(yù)制裝配式剪力墻的屈服荷載、初始剛度、極限抗剪承載力均高于構(gòu)件預(yù)制裝配式組合剪力墻，其中MPCSW-CI 最高，屈服荷載分別比MPCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO 提高66.14%、43.65%、5.89%；初始剛度提高59.40%、39.45%、19.58%；極限承載力提高50.67%、36.88%、7.06%。

圖4 骨架曲線

從圖5、圖6 和圖7 中可以看出，滯回曲線可以反映出結(jié)構(gòu)構(gòu)件在反復(fù)循環(huán)受力過(guò)程中的極限承載力、剛度退化程度以及能量消耗能力等抗震性能。構(gòu)件的耗能能力可反映其在地震荷載作用下吸收和消耗能量的能力。PCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO、MPCSW-CI 四種模塊裝配式組合剪力墻的最大等效黏滯阻尼系數(shù)分別為19.13%、22.61%、13.04%、13.70%。耗散的總能量依次為619.83kN·m、776.35kN·m、414.53kN·m、567.58kN·m。從中可以看出構(gòu)件預(yù)制模塊裝配式組合剪力墻耗能能力相比模塊預(yù)制模塊裝配式組合剪力墻最大可提高26.89%，內(nèi)藏鋼板型模塊裝配式組合剪力墻相對(duì)于外包鋼板型模塊裝配式組合剪力墻耗能能力最大可提高36.92%。其原因主要是構(gòu)件預(yù)制模塊化裝配式鋼板剪力采用的預(yù)制混凝土板只約束鋼板的面外位移，不提供抗側(cè)承載力。構(gòu)件預(yù)制模塊裝配式組合剪力墻由于采用預(yù)制混凝土板，更能充分發(fā)揮鋼板塑性變形耗能能力，耗能效果要優(yōu)于模塊預(yù)制，同時(shí)內(nèi)藏鋼板型模塊裝配式組合剪力墻耗能效果也優(yōu)于外包鋼板型模塊裝配式組合剪力墻。

圖5 滯回曲線

四個(gè)試件的鋼材損傷均主要集中在內(nèi)藏(外包)鋼板上下兩端和角部。其中MPCSW-PO、MPCSW-PI、MPCSW-CO、MPCSW-CI 四個(gè)試件內(nèi)藏(外包)鋼板損傷因子峰值分別為0.920、0.960、0.995、0.976。構(gòu)件預(yù)制裝配式組合剪力墻混凝土板損傷主要以拉伸損傷為主，而模塊預(yù)制裝配式組合剪力墻混凝土損傷主要以壓縮損傷為主，兩者損傷位置都主要集中在角部，然后向中間發(fā)展?？傮w而言，模塊預(yù)制模塊裝配式組合剪力墻現(xiàn)澆混凝土板損傷更為嚴(yán)重。

綜上所述，MPCSW-CI 綜合性能在四個(gè)試件中表現(xiàn)最優(yōu)，最能充分發(fā)揮材料力學(xué)性能。雖然相比于MPCSW-PI，其耗能和位移延性系數(shù)降低了26.87%和31.75%，但耗能仍達(dá)到567.58kN·m，位移延性系數(shù)達(dá)到11.84，并且屈服承載力、初始剛度以及極限承載力分別高于MPCSW-PI 43.65%、39.45%、36.88%。

4 結(jié)論

⑴構(gòu)件預(yù)制裝配式組合剪力墻混凝土板主要以拉伸損傷為主，模塊預(yù)制裝配式組合剪力墻混凝土板主要以壓縮損傷為主，兩者損傷位置均出現(xiàn)在角部，向中間延伸。

⑵兩類(lèi)新型模塊裝配式組合剪力墻，經(jīng)數(shù)值模擬分析，均具有良好的抗震性能和位移延性，滿足工程要求。

⑶內(nèi)藏鋼板現(xiàn)澆混凝土板模塊裝配式鋼板剪力墻的極限抗剪承載力、初始剛度、屈服荷載均優(yōu)于其他三種模塊裝配式組合剪力墻，最大提高了50.67%、66.14%、59.40%。