基于不同豎向拼縫位置的單面疊合板式剪力墻抗震性能研究

馬 巍,常紅亮,張 陽(yáng),王 媛,徐 凱

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省裝配式建筑研究院，安徽 合肥 230601)

在建筑業(yè)發(fā)展日益迅速的今天，能耗問(wèn)題受到普遍關(guān)注。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗已成為主要能源消耗之一，把發(fā)展節(jié)能環(huán)保的裝配式建筑作為綠色建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向勢(shì)在必行。疊合板式剪力墻作為裝配式建筑的一種結(jié)構(gòu)形式，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣闊。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)疊合板式剪力墻進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明其整體性能良好[1-7]。國(guó)外的疊合剪力墻和國(guó)內(nèi)構(gòu)造有所區(qū)別，該墻做法是在內(nèi)外預(yù)制混凝土層中填充不同材料的保溫板，一般作為外墻板，研究重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)的整體性和保溫隔熱效果。D.Y.Hyun等[8-9]對(duì)夾心保溫墻體的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，包括保溫類型、連接件數(shù)量及尺寸等。國(guó)內(nèi)的疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)多用于承重構(gòu)件，研究學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的是其結(jié)構(gòu)的整體抗震性能、水平拼縫和豎向拼縫連接部位的抗震性能。沈小璞等[10-13]研究了在雙面疊合板式剪力墻豎向拼縫處設(shè)置暗柱或加水平筋連接的構(gòu)造方式，結(jié)果表明，疊合板式混凝土剪力墻可以獲得較好的抗震性能，且水平筋連接方式更經(jīng)濟(jì)。徐剛等[14]對(duì)裝配式夾心剪力墻結(jié)構(gòu)暗柱區(qū)域豎向鋼筋的連接形式進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用干式剛性連接與濕式連接的結(jié)構(gòu)抗震性能基本一致；采用摩擦耗能連接的結(jié)構(gòu)，其剛度與承載力比剛性連接較低，但耗能能力強(qiáng)。馬巍等[15-17]對(duì)帶暗柱拼縫的單面疊合式剪力墻和整體單面疊合式剪力墻進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，帶暗柱拼縫的單面疊合式剪力墻抗震性能與整體單面疊合式剪力墻基本一致。嚴(yán)寒等[18]提出了一種滿足現(xiàn)性設(shè)計(jì)規(guī)范、造價(jià)低，且全過(guò)程符合綠色環(huán)保建筑理念的ZM.H新型模塊化裝配式鋼筋混凝土剪力墻(柱)建造技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)疊合板式剪力墻的研究重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的抗震性能及保溫隔熱效果，而對(duì)單面疊合板式剪力墻不同拼縫位置的抗震性能研究較少。基于此，筆者在已有試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助ABAQUS有限元軟件分析拼縫設(shè)置對(duì)單面疊合板式剪力墻的影響，通過(guò)理論分析得出拼縫處暗柱鋼筋計(jì)算公式和構(gòu)造要求，為該類墻體的模數(shù)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 試件介紹

圖1 DW-1試件構(gòu)造詳圖

表1 鋼筋力學(xué)性能

1.2 有限元模型的建立

筆者運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析，采用分離式建模方式，通過(guò)embedded命令將鋼筋桁架內(nèi)置于混凝土，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移現(xiàn)象。頂梁與剪力墻、剪力墻與基座、預(yù)制板與后澆混凝土部分通過(guò)Tie命令實(shí)現(xiàn)連接作用，不考慮構(gòu)件之間的相對(duì)滑移。為保證邊界條件的設(shè)置貼合試驗(yàn)過(guò)程，基礎(chǔ)采用固定處理，頂梁為自由端，在頂梁上部耦合加載點(diǎn)RP1，實(shí)現(xiàn)軸力的施加和水平位移的低周往復(fù)加載。模型設(shè)置兩個(gè)加載步驟：第一步在加載點(diǎn)施加恒定豎向荷載；第二步在水平方向上對(duì)加載點(diǎn)進(jìn)行平面內(nèi)位移加載。

1.3 本構(gòu)關(guān)系的選取

1.4 有限元模型的驗(yàn)證

筆者選取文獻(xiàn)[17]中的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證有限元的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)與模擬試件破壞形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖2，試件骨架曲線對(duì)比見(jiàn)圖3。從圖2可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中，試件DW-1破壞主要集中在剪力墻水平接縫處和搭接區(qū)上部，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)破壞模態(tài)基本相同。從圖3可以看出，兩者骨架曲線走勢(shì)大體一致，且水平峰值承載力差值在10%之內(nèi)(見(jiàn)表2)，說(shuō)明該有限元模型能較為準(zhǔn)確模擬墻肢在實(shí)際情況下受力狀態(tài)，可以利用該模型進(jìn)行后續(xù)參數(shù)分析。

圖2 試驗(yàn)與模擬破壞模式對(duì)比

表2 承載力結(jié)果對(duì)比

圖3 試驗(yàn)與模擬骨架曲線對(duì)比

2 數(shù)值分析

為對(duì)比分析不同拼縫位置對(duì)單面疊合板式剪力墻力學(xué)性能的影響，筆者設(shè)計(jì)了3種不同拼縫位置的單面疊合板式剪力墻有限元模型，單面疊合式剪力墻受力部分由內(nèi)葉板和空腔內(nèi)的后澆混凝土層組成，墻體通過(guò)豎向拼縫部位的暗柱進(jìn)行連接(見(jiàn)圖4)。

圖4 試件構(gòu)造詳圖

由于實(shí)際工程中剪力墻的軸壓比nd大部分為0.1～0.3，故取nd=0.1和nd=0.3兩種工況，按拼縫位置分為6組試件進(jìn)行研究(見(jiàn)表3)。為減少其他因素的影響，試件的規(guī)格尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度等參數(shù)均與DW-1相同，并滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[20-21]。

表3 試件說(shuō)明

2.1 滯回曲線

各試件加載點(diǎn)的滯回曲線如圖5所示。從圖中可以看出，在反復(fù)水平荷載作用下，試件的滯回曲線飽滿且呈現(xiàn)出相同的走勢(shì)與規(guī)律。加載初期，試件處于彈性階段，曲線包絡(luò)面積均較小，荷載與位移基本呈線性關(guān)系；試件屈服后轉(zhuǎn)入位移加載，曲線包絡(luò)面積逐漸變大，耗能能力有所提高，但曲線斜率明顯減小，表明試件剛度退化程度增加；至峰值后，試件承載力呈下降態(tài)勢(shì)，各試件的殘余變形逐漸增加，表明試件耗能能力由于墻體內(nèi)部損傷逐漸削弱。在軸壓比nd=0.1，對(duì)比試件DW-1、DW-3、DW-5可知，三者滯回曲線飽滿，整體走勢(shì)基本一致。同樣，在軸壓比nd=0.3下，試件DW-2、DW-4、DW-6的滯回曲線飽滿，整體走勢(shì)基本一致，但滯回曲線包絡(luò)面積較小，耗能能力降低。

圖5 試件滯回曲線

2.2 骨架曲線

各試件加載點(diǎn)骨架曲線如圖6所示。從圖中可以看出，試件DW-1與DW-3、DW-5以及試件DW-2與DW-4、DW-6的骨架曲線走勢(shì)基本一致。在彈性階段，試件骨架曲線呈線性關(guān)系，此時(shí)試件剛度和側(cè)移量變化較??；進(jìn)入屈服階段，曲線斜率減小，表明試件內(nèi)部損傷加劇導(dǎo)致其剛度退化；至峰值荷載后，試件損傷區(qū)域增大，此過(guò)程試件承載力明顯下降，剛度大幅減小，直至試件完全破壞。隨著軸壓比升高，試件水平承載力相應(yīng)增加，但對(duì)其剛度影響較小。由于試件DW-3、DW-5以及試件DW-4、DW-6拼縫設(shè)置墻體側(cè)邊，暗柱對(duì)中部墻體具有一定的約束作用，從而使其水平極限承載力略高于試件DW-1、DW-2。

圖6 試件骨架曲線

2.3 混凝土受壓損傷

試件極限狀態(tài)下的塑性損傷云圖如圖7所示。從圖中可以看出，試件DW-1與DW-3、DW-5以及試件DW-2與DW-4、DW-6損傷走勢(shì)基本相同，混凝土受壓損傷最初出現(xiàn)在墻肢處，然后沿墻體向上展開(kāi)。到達(dá)墻體一半高度時(shí)應(yīng)變損傷逐漸減小，墻體加載端未出現(xiàn)損傷，最終墻肢處混凝土受壓破壞、鋼筋屈服，試件破壞。

圖7 試件損傷云圖

試件DW-1與DW-3、DW-5相比，雖然拼縫偏移，但是墻體損傷仍保持對(duì)稱，損傷區(qū)域相似，并未對(duì)墻體損傷產(chǎn)生較大影響。試件DW-2與DW-4、DW-6相比，墻體損傷呈對(duì)稱狀態(tài)，損傷趨勢(shì)相似，但由于拼縫暗柱的存在，試件DW-6的水平承載能力增加，損傷區(qū)域面積較大。由此可見(jiàn)，在小軸壓比情況下，拼縫位置變動(dòng)對(duì)墻體損傷影響較??；隨著軸壓比的增大，由于拼縫處設(shè)有暗柱，使得有側(cè)邊拼縫的試件受壓損傷區(qū)域面積增加明顯。

3 暗柱配筋

通過(guò)ABAQUS有限元分析得出不同拼縫處的暗柱鋼筋應(yīng)力值也不同。由于保溫層和外葉板不參與受力，所以只取內(nèi)葉板和后澆混凝土層形成的剪力墻進(jìn)行研究，通過(guò)文獻(xiàn)[22-23]對(duì)暗柱進(jìn)行計(jì)算配筋的公式推導(dǎo)。

由于暗柱與墻體現(xiàn)澆部分的混凝土是同步澆筑的，可以認(rèn)為墻體與暗柱為整體。給出基本假定：①將墻體等效成懸臂梁[24]；②墻體頂部受到的是均布力作用。墻體分別受到一個(gè)豎直向下的均布力N/A，一個(gè)水平力V，計(jì)算模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8，其中陰影區(qū)域?yàn)榘抵糠?。圖中d為疊合板式剪力墻受力墻體(內(nèi)葉板+現(xiàn)澆混凝土層)厚度；L為疊合板式剪力墻高度；H為疊合板式剪力墻截面長(zhǎng)度；b為暗柱芯截面寬(芯截面為箍筋內(nèi)截面)；h為暗柱芯截面高。

圖8 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

3.1 暗柱縱筋構(gòu)造

由于文中墻暗柱為兩片墻體拼裝時(shí)采取的抗震構(gòu)造措施(非邊緣構(gòu)件)，布置在混凝土剪力墻分布筋內(nèi)側(cè)，主要起到墻體連接和整體性構(gòu)造作用；同時(shí)，暗柱縱筋也具有豎向連接鋼筋作用。根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]規(guī)定，混凝土抗震墻豎向分布鋼筋直徑、豎向鋼筋直徑不宜小于10 mm；疊合墻板中豎向連接鋼筋直徑不宜小于預(yù)制墻板中的豎向分布鋼筋直徑。因此，暗柱縱向鋼筋直徑可以不進(jìn)行計(jì)算，鋼筋規(guī)格同受力預(yù)制墻板中豎向分布鋼筋且不小于10 mm。

3.2 暗柱配箍計(jì)算

剪力墻剪切應(yīng)力圖見(jiàn)圖9，暗柱部分的剪力V′由剪切應(yīng)力在暗柱區(qū)域內(nèi)積分而得：

圖9 墻體剪應(yīng)力圖

(1)

為了計(jì)算方便，建議暗柱處剪應(yīng)力直接取暗柱區(qū)域內(nèi)最大值τ1進(jìn)行計(jì)算，雖然結(jié)果偏保守，但可避免積分繁瑣。式(1)可轉(zhuǎn)化為

V′=τ1bh.

(2)

(3)

為安全起見(jiàn)，不考慮混凝土抗剪作用，公式可簡(jiǎn)化為

(4)

(5)

式中：S*為受力墻體截面上τ1所在橫線以外部分的面積對(duì)中性軸的靜矩；Vcs為暗柱中箍筋受剪承載力設(shè)計(jì)值；h0為暗柱芯截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為沿暗柱長(zhǎng)度方向箍筋的間距；ρsv為暗柱箍筋的配筋率。

由于剪力墻剪力主要由墻體水平筋承擔(dān)，暗柱箍筋在滿足規(guī)范構(gòu)造要求的同時(shí)，暗柱箍筋也可選用與剪力墻水平筋同規(guī)格，不需要另行進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)工程需要擇優(yōu)選取以上兩種箍筋配筋方式。

4 結(jié) 論

(1)各試件破壞形式相似，拼縫位置變動(dòng)對(duì)墻體抗震性能影響較小，隨著軸壓比的增大，墻體耗能能力降低。但在相同軸壓比下，不同豎向拼縫位置的單面疊合板式剪力墻耗能能力基本相同。

(2)暗柱受力分析模型的計(jì)算值與墻體的受力性能吻合良好，箍筋配筋率與暗柱到中性軸的距離呈負(fù)相關(guān)；通過(guò)理論計(jì)算和分析，提出了暗柱鋼筋計(jì)算方法和構(gòu)造要求。

(3)通過(guò)豎向拼縫位置的改變，可以對(duì)單面疊合板剪力墻進(jìn)行靈活分割，有利于工廠利用已有模具進(jìn)行疊合板式剪力墻中預(yù)制墻板的生產(chǎn)，大大降低了模具的成本，也有利于疊合板式剪力墻的靈活設(shè)計(jì)，具有較好的工程實(shí)際意義。