鋼板-約束拉桿加固剪力墻節(jié)點區(qū)域的軸壓性能有限元分析

方膨膨

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350108）

0 引言

在實際的工程應(yīng)用中，因施工不規(guī)范、混凝土攪拌不均勻或材料問題等，會導(dǎo)致剪力墻節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求的情況，造成構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度被削弱，降低其承載能力，增大了結(jié)構(gòu)變形概率。因此，對存在上述問題的剪力墻結(jié)構(gòu)要采取合理可靠的加固措施。

目前，對剪力墻混凝土進(jìn)行加固技術(shù)有增大截面加固法和置換混凝土法［1-2］。有學(xué)者采用置換混凝土加固法和增大截面加固法對剪力墻結(jié)構(gòu)整體性能的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，置換混凝土加固法和增大截面加固法均能提高剪力墻的剛度。相比之下，增大截面加固法的加固效果更好［3］。目前，對剪力墻節(jié)點區(qū)域混凝土強(qiáng)度不足而采用鋼板-約束拉桿進(jìn)行加固的研究相對較少。因此，對鋼板-約束拉桿加固剪力墻節(jié)點區(qū)域的剪力墻軸壓性能的研究能有效解決現(xiàn)有剪力墻加固方法存在的缺陷，擴(kuò)大鋼板-約束拉桿加固法的應(yīng)用場景。

1 有限元模型

本研究建立13個不同參數(shù)的鋼板-約束拉桿加固剪力墻節(jié)點區(qū)域模型，并進(jìn)行對比分析，有限元模型的建立包括定義材料的本構(gòu)模型、部件組裝、設(shè)置分析步長、施加荷載和邊界條件等。

1.1 單元類型和網(wǎng)格劃分

鋼板-約束拉桿加固剪力墻節(jié)點區(qū)域的模型示意圖見圖1。約束拉桿采用雙節(jié)點梁單元（B31）進(jìn)行模擬，鋼板采用四節(jié)點殼單元（S4R）進(jìn)行模擬，混凝土采用八節(jié)點實體單元（C3D8R）進(jìn)行模擬。根據(jù)網(wǎng)格的收斂性來分析結(jié)果，鋼板的單元尺寸取邊長為t/5的正方形，剪力墻和樓板的單位尺寸取邊長為t/5的立方體，t為剪力墻厚度［4］。

圖1 鋼板-約束拉桿加固剪力墻節(jié)點區(qū)域

1.2 材料本構(gòu)模型

本研究采用Q235B鋼的鋼板，約束拉桿的屈服強(qiáng)度為400 MPa。鋼材的本構(gòu)模型采用Zhong等［5］提出的單軸應(yīng)力-應(yīng)變模型（見圖2）。

圖2鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 中，εy、fy分別為屈服拉應(yīng)變和屈服強(qiáng)度；εu、fu分別為極限拉應(yīng)變和抗拉強(qiáng)度；εp為應(yīng)變強(qiáng)化起點處的應(yīng)變。彈性模量Es和泊松比νs分別取為206 GPa和0.3?；炷敛捎肶u等［6-7］提出的塑性損傷模型進(jìn)行分析，本構(gòu)模型采用Razvi等［8］提出的應(yīng)力-應(yīng)變模型（見圖3）。圖3中，fc0、εc0分別為混凝土的抗壓強(qiáng)度和對應(yīng)的應(yīng)變；fcr、εcr分別為混凝土的抗拉強(qiáng)度和對應(yīng)的應(yīng)變。混凝土的彈性階段泊松比νc為0.2，上下層剪力墻的混凝土的抗壓強(qiáng)度fc0取40 MPa，節(jié)點區(qū)域的抗壓強(qiáng)度fc0取25 MPa。

圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.3 邊界條件及荷載

在模型的上方及下方分別設(shè)置兩個參考點，分別與剪力墻的上下表面進(jìn)行耦合，在上參考點上施加豎向位移，在下參考點上施加約束以約束剪力墻下表面所有的平動和轉(zhuǎn)動自由度。鋼板與剪力墻之間以及上下層剪力墻與節(jié)點區(qū)域之間均采用綁定連接的方式，約束拉桿嵌入到剪力墻的節(jié)點區(qū)域，并與鋼板采用綁定連接的方式。

2 參數(shù)分析

2.1 模型參數(shù)

本研究建立的模型中剪力墻的長度和厚度分別為1 000 mm和250 mm、節(jié)點區(qū)域高度為500 mm、鋼板厚度為5 mm?？紤]到樓板與剪力墻的相互作用，在模型中加入樓板，其外伸長度為625 mm。變化的參數(shù)包括約束拉桿的直徑d（10～25 mm）和水平間距s（100～200 mm）。所有模型的軸壓峰值應(yīng)力fm詳見表1。在模型序號“SWd-s”中，d為約束拉桿的直徑，s為約束拉桿的水平間距。其中，序號“SW-N”為未采取鋼板-約束拉桿加固的純剪力墻模型。

表1 模型參數(shù)

2.2 約束拉桿直徑的影響

本研究對10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的約束拉桿直徑對剪力墻軸壓性能的影響進(jìn)行研究。不同約束拉桿直徑取值下的剪力墻軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，σ為應(yīng)力、ε為應(yīng)變。由圖4可知，當(dāng)約束拉桿的水平間距一致時，增大約束拉桿的直徑能提高剪力墻的軸壓性能。當(dāng)s=200 mm時，d=10 mm對剪力墻的軸壓性能基本沒有影響，當(dāng)d增加到15 mm后，剪力墻的軸壓性能得到顯著提升，且d分別為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大。當(dāng)s為100 mm和150 mm時，約束拉桿直徑對剪力墻軸壓性能的影響規(guī)律類似，以s=150 mm的模型為例，d=10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的剪力墻承載力分別提升了9.02%、24.46%、28.92%和30.66%。由此可以看出，d為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大。在實際工程中取約束拉桿直徑為15 mm較為合理。

選 取SW15-100、SW15-150和SW15-200模型，來分析約束拉桿的應(yīng)力狀態(tài)（見圖5）。對不同約束拉桿間距的模型，當(dāng)模型破壞時，約束拉桿均達(dá)到屈服強(qiáng)度，說明約束拉桿能較好地發(fā)揮對剪力墻的約束作用。

圖5 模型破壞時的應(yīng)力云圖

2.3 約束拉桿水平間距的影響

本研究分析的約束拉桿的水平間距為100 mm、150 mm和200 mm。不同約束拉桿水平間距的剪力墻軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。由圖4可知，隨著約束拉桿水平間距的減小，剪力墻的受力性能顯著提高。若約束拉桿的水平間距一定，約束拉桿的直徑越大，減小同等約束拉桿水平間距大小對剪力墻的約束效果也越好。因此，當(dāng)約束拉桿直徑較小時，減小約束拉桿水平間距對剪力墻受力性能的提升效果較?。划?dāng)約束拉桿直徑較大時，減小約束拉桿水平間距后，剪力墻的受力性能得到明顯提升。與純剪力墻模型相比，當(dāng)d=10 mm、s=200 mm時，新增鋼板和約束拉桿對剪力墻的受力性能的影響可以忽略不計，當(dāng)s=150 mm和100 mm時，剪力墻承載力提升了9.02%和21.37%；當(dāng)d=15 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了16.97%、24.46%和35.86%；當(dāng)d=20 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了22.52%、28.92%和41.86%；當(dāng)d=25 mm時，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墻承載力分別提升了24.97%、30.66%和44.73%。

圖4 約束拉桿直徑對剪力墻應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

3 結(jié)論

本研究對使用鋼板-約束拉桿加固的剪力墻節(jié)點區(qū)域的剪力墻軸壓性能進(jìn)行有限元分析，得到了以下結(jié)論。①剪力墻的承載力和延性隨著約束拉桿直徑的增大而提高。由于d為15 mm、20 mm和25 mm時的提升幅度相差不大，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和加固效果，在實際工程中取約束拉桿直徑為15 mm較為合理。②所有帶約束拉桿有限元模型的約束拉桿均達(dá)到屈服強(qiáng)度，這說明約束拉桿能較好地發(fā)揮對剪力墻的約束作用。③剪力墻的承載力和延性隨著約束拉桿的水平間距減小而提高，且當(dāng)約束拉桿直徑較小時，減小約束拉桿的水平間距對剪力墻受力性能的提升效果較??；當(dāng)約束拉桿直徑較大時，減小約束拉桿水平間距后，剪力墻的受力性能的提升效果較為明顯。

圖6 約束拉桿水平間距對剪力墻軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響