水平钢筋对叠合板承载力影响分析

2015-06-23朱宝胜

宿州学院学报 2015年7期

关键词：拼缝纵筋剪力

朱宝胜,张轩

1.安徽水利水电职业技术学院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工学院城市建设学院，湖北武汉，430223

水平钢筋对叠合板承载力影响分析

朱宝胜1,张轩2

1.安徽水利水电职业技术学院建筑工程系,安徽合肥,231603;2.武昌理工学院城市建设学院，湖北武汉，430223

试验运用Ansys软件对叠合剪力墙板进行模拟加荷，分析了拼缝处荷载增长及破坏情况，发现随着轴压比的增加，拼缝处设置暗柱和水平钢筋对承载能力和剪力传递影响不大；并对拼缝处应力传递特征进行模拟，分析了拼缝处内力的传递过程，认为水平钢筋长度对拼缝剪力传递的影响不大，但钢筋直径的增加能明显提高承载力。

叠合板;剪力墙;水平钢筋

1 问题的提出

目前，我国对钢筋混凝土叠合剪力墙板的系统全面的试验研究与理论分析才刚刚起步。据文献资料检索，采用叠合板式混凝土剪力墙结构体系在工程结构中的应用，国外在这方面的研究甚少，国内的研究也只是在起步阶段[1-2]。随着建筑施工技术发展，叠合式剪力墙板在高层建筑中使用越来越广泛。叠合式剪力墙板虽然施工便捷，但由于墙板的拼结处水平钢筋中断，不利于结构剪力的传递，影响了墙板承载能力，需要在拼缝处设置水平钢筋将两片板连成整体。本文运用Ansys软件模拟拼缝处应力传递情况，并引入了弹簧单元将拼缝两侧的单元联结起来。通过适当的选择弹簧劲度系数，真实模拟拼缝处变弱情况，并得出试验结果，希望为叠合式剪力墙板工程的实际应用提供一定的参考。

2 建立模型

为便于建模，并尽量模拟实际环境，试件由两片叠合式剪力墙板构成，中间竖向拼缝处水平钢筋中断，浇注时隙处会渗入混凝土，在此位置引入的弹簧单元模拟间隙处的混凝土。弹簧的劲度系数取E=3×104MPa，在低周期加载情况下，阻尼效应很小，取η=0.005，单元间隙设为0，不考虑滑移能力，在本模型中弹簧方向为Y方向。加载分两级进行，竖向加载至0.1个轴压比值，然后加载水平荷载[7]。

具体建模步骤如下：(1)定义分离式钢筋节点，生成线单元，建立水平钢筋和锚固筋；(2)叠合板预制部分混凝土模型由体直接生成，按钢筋单元的划分情况相应地划分单元；(3)采用扫掠方式沿着钢筋的纵向进行扫掠，生成夹芯层混凝土单元；(4)在拼缝处生成弹簧单元；(5)对点、线、面进行耦合，将多余的节点、线、面删除，生成叠合式钢筋混凝土模型。

3 水平钢筋直径对剪力传递的影响

试件的混凝土材料有两种：预制部分为C40，现浇部分为C35；水平钢筋用二级钢(HRB335)，长度400 mm，共4件。SW-4试件直径为6 mm，SW-5试件直径为8 mm，SW-6试件直径为10 mm，SW-7试件直径为12 mm[6]。模拟结果如图1所示。

图1 不同直径下等效应力云图

试件破坏时，受压区的锚固筋屈服，绑扎水平钢筋的纵筋随后屈服，最后受拉区锚固筋屈服，此时水平钢筋上的应力在186.1～260.5 MPa之间，未屈服。当水平荷载达500 kN左右时，受压锚固筋屈服(335 MPa)，受拉筋最大应力大约在247 MPa左右。水平钢筋直径大，更有利于拼缝处的剪力传递，延缓受拉纵筋的屈服，对提高试件的承载能力有作用。

由图2可看出，试件在开裂时，墙肢边缘的纵筋应力突然增大，随着水平荷载增大，混凝土传递剪力作用减弱。当水平荷载达300 kN时，拼缝处的水平钢筋上的应力徒然上升，随后应力增加变缓，呈线性增大，在构件破坏前有突然增加趋势。水平钢筋直径越大，应力变化越缓慢。

图2 等效应力云图

4 水平钢筋长短对剪力传递的影响

试件的混凝土材料有两种：预制部分为C40，现浇部分为C35；板内配筋和锚固筋与上节相同水平钢筋为二级钢(HR335B)12，共4件。SW-8试件水平钢筋长度为200 mm，SW-9试件水平钢筋长度为400 mm，SW-10试件水平钢筋长度为600 mm，SW-11试件水平钢筋长度为800 mm。模拟结果如图3所示。

图3 水平钢筋应力变化

由图3可知，受压区的锚固筋先屈服，绑扎水平钢筋的纵筋随后屈服，最后受拉区锚固筋屈服，此时水平钢筋上的应力随长度的增加而减小，未达到屈服。水平钢筋的长短，对延缓受压区纵筋的屈服影响不大。当水平荷载达500 kN左右时，受压锚固筋屈服，受拉筋最大应力随水平钢筋长度增加而减小，在286～245 MPa之间。但是水平钢筋长度有利于延缓受拉纵筋的屈服，长度超过L=400 mm后，对提高试件的承载能力影响不大。图4绘出了水平钢筋应力变化，可以看出：试件在开裂时，墙肢边缘的纵筋应力突然增大，随着水平荷载的增大，混凝土传递剪力能力减弱。当水平荷载达300 kN时，拼缝处的水平荷载徒然上升，随后应力增加变缓，呈线性增大，在构件破坏前有突然增加趋势。长度超过400 mm的水平钢筋，应力随水平荷载增加变化很小。

图4 水平钢筋应力变化

5 拼缝处内力传递过程分析

水平钢筋的长短和直径大小对剪力的传递效果不同，反映在拼缝处的弹簧单元上的受力变化。水平钢筋传递内力的效果好，弹簧单元上所受的力就小。图5中试件都已屈服，部分试件没有达到极限荷载。

从图5看出：(1)水平荷载在250 kN之前，拼缝间隙处混凝土处于受压状态。此时试件处于弹性变形阶段，主要由混凝土承担着外部荷载。随着水平荷载的增大，构件开裂，变形增加，受拉区内力开始向纵筋转移，水平钢筋的抗剪作用也显现，此时拼缝间隙处混凝土处受拉状态，并随荷载增加，内力快速增加，直到构件屈服后内力增长变缓或下降。随着水平钢筋粘接破坏，剪力传递途径中断，外部荷载大部分由拼缝处混凝土承担。(2)构件出现开裂后，水平钢筋直径越大，拼缝处的混凝土承受的内力就越小；反之，说明直径大的水平钢筋传递剪力更有效。(3)构件出现开裂后，水平钢筋长超过400 mm后，拼缝处的混凝土承受内力基本保持在同一个水平变化；反之，说明水平钢筋长度超过400 mm后对剪力传递影响不大。