后张拉预应力装配剪力墙抗震性能有限元分析

姚国庆，杨德健，门雅爱

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

为推动绿色发展，加快推进建筑行业的产业化进程，预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构作为住宅工业化中的重要结构形式之一，近来得到更广泛的关注[1].现浇结构和装配式结构的主要区别是：装配式结构中存在更大量的水平接缝和竖向接缝.由于水平拼缝对受剪面的削弱，若连接措施处理不当，很容易成为剪力墙构件的薄弱部位[2].

钢筋间的连接方法有多种，但是适合预制剪力墙结构的连接方法不多，常用的是灌浆套筒连接和浆锚连接.近年一些学者开始对采用类似方式连接的剪力墙模型进行一些试验研究，对该技术进一步优化并取得较好抗震效果[3-5].其他具有新型结构形式的预制装配式剪力墙结构体系（如预制圆孔板剪力墙结构、预应力连接预制多孔剪力墙结构、装配式空心板-钢框架剪力墙混合结构）同样具有良好的抗震性能[6-7]，该类预制装配式剪力墙结构的抗震性能正受到研究人员的关注.

但上述连接方式有一共同缺点——湿作业较多.20世纪90年代，美国和日本的预制混凝土抗震性能研究项目提出的无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙结构体系，具有自恢复中心能力和较好的抗震能力[1].但是这方面的试验研究在总量上还比较少，数值模拟分析更少[8-11].预应力的施加对剪力墙单元的具体影响尚不明确.为验证剪力墙在预应力条件下能否满足受力要求，本文根据既有研究者的试验研究成果[12]，建立有效的计算机模型，分析该连接方式的主要变量即预应力大小对剪力墙受力性能的影响，并通过与普通现浇剪力墙作比较，得出该体系受力性能的优势和不足.

1　模型建立

本文模拟混凝土的本构关系采用塑性损伤模型关系，混凝土强度等级C50，泊松比取0.2，弹性模量3.25×104N/mm2.在输入混凝土本构关系的塑性损伤模型的参数时，膨胀角取为30°，Eccentricity软件默认值0.1，Kc和fb0/fc0分别为2/3和1.16，定义材料的黏性系数为1×10-5.钢筋采用HRB400级钢筋，屈服强度标准值fyk=400N/mm2，抗拉强度设计值fy=360N/mm2，弹性模量Es=2×105N/mm2，泊松比0.3.预应力筋由7根1860钢绞线组成，公称直径为21.6 mm，抗拉强度设计值为1 320 N/mm2.

一层剪力墙试件尺寸为：墙长a=2 000 mm，宽b=200 mm，高c=3 000 mm.二层剪力墙试件尺寸为：墙长a=2 000 mm，宽b=200 mm，高 c=6 000 mm.墙体中的混凝土单元采用三维实体单元来模拟，普通钢筋和预应力钢绞线都采用空间二节点直线桁架单元来模拟；用embedded方式将用普通钢筋搭好的钢筋骨架和预应力钢筋嵌入到混凝土墙体中；建立完模型后在剪力墙上端加设一钢垫块，连接方式为绑定.配筋情况为：

采用降温法来施加预应力，即在预应力筋上施加温度荷载使钢筋的温度降低，来使预应力筋收缩，从而使混凝土获得预应力，施加温度时所对应的降温幅度可由下式计算得出

式中：ΔT为产生收缩的温差的大小；σ为钢束上需要施加的应力值；Es为预应力钢筋的弹性模量；α为膨胀系数.

2　不同预应力大小下的性能分析

后张拉预应力装配式剪力墙结构在设计过程中对结构性能影响最直接的参数便是预应力的大小，为研究不同预应力大小下墙体的性能，作以下分析.

当考虑地震作用时，构件的轴压比不能过大，否则结构的延性性能就会下降，从而失去理想的抗震效果.而结构的刚度和轴压比成正比关系，如果轴压比太小，钢筋的变形就会过大，导致裂缝过早地出现和延伸，这样就对结构的刚度造成不利影响，且文献[7]表明，轴压比小于0.3时，各受力性能指标变化不明显，故为研究预应力筋的张拉程度对剪力墙受力性能的影响，本文对不加预应力筋墙体W和加预应力筋墙体PW均施加以轴压比为0.3时换算得到的均布荷载.

在已经建好的有限元一字型剪力墙模型上，对不同的有效预应力对墙体性能产生的影响进行模拟分析，取预应力筋内有效预应力分别为0.3σcon，0.4σcon，0.5σcon，0.6σcon，即对应预应力筋的张拉程度分别为30%，40%，50%，60%，对剪力墙模型在水平低周反复荷载作用下进行模拟加载，分析其在预应力筋不同张拉程度下的抗震性能.

在针对猝死病人进行抢救的过程中，心肺复苏是最有效的手段也是唯一的途径，在临床实践中，开展心肺复苏并在心肺复苏过程中加强治疗，能够改善患者的身体状态，为后续治疗做好准备工作。因此新时期十分有必要对心肺复苏中西医结合治疗热点进行分析，为进一步提高心肺复苏综合水平提供相应的支持。

2.1　滞回曲线

分别对PW墙体施加不同张拉程度的预应力，在低周反复荷载的作用下模拟分析得出其各自的滞回曲线如图1.

由滞回曲线图可以得到：不同张拉程度下墙体滞回曲线的趋势大致相同.荷载加载初期，滞回环的面积非常小，曲线基本为一条直线，此时荷载与位移关系近似呈线性关系；继续加载，墙体开始发生开裂现象，荷载与位移之间的关系不再是近似的线性关系，试件开始进入了弹塑性工作阶段.仍然继续加载，当墙体达到极限荷载之后，滞回环的面积继续增大，残余变形继续增加，墙体承载力开始减退，到最终墙体发生破坏.

图1　不同张拉程度下墙体的滞回曲线

模型的等效黏滞阻尼系数与滞回环的面积成正比，滞回环越饱满、面积越大，说明其耗能能力越强，所以等效黏滞阻尼系数越大，可以说明模型的耗能性能越好.取正向加载过程中模型的破坏荷载值，计算不同预应力大小下的等效黏滞阻尼系数，如表1所示.

表1　不同预应力大小下的等效黏滞阻尼系数

随着预应力钢筋张拉程度的增大,滞回环的面积先变大后变小.当钢筋张拉程度为30%和40%时，滞回环都较为饱满，等效阻尼系数分别为0.187和0.194；当张拉程度增大到50%时，等效阻尼系数增大到0.197；而当钢筋张拉程度增大到60%时，滞回环的面积反而有减小的趋势，等效阻尼系数减小到0.178.故仅从剪力墙单元耗能角度考虑，预应力大小不超过50%对耗能较为有利，但具体到剪力墙体系中，还需更深入的研究.

2.2　骨架曲线

由图1的滞回曲线画出骨架曲线，如图2.

图2　不同张拉程度骨架曲线对比

由骨架曲线图可以得出：预应力筋在不同张拉程度下的变化规律基本相同.即在荷载施加的初期，墙体所受到的力与位移近似成线性比例关系；继续加载，当墙体开始开裂后，力的增加慢于位移的增加，这样就出现了骨架曲线偏向于位移坐标轴的现象；继续加载墙体刚度开始下降，墙体开始发生屈服，发生变形的速度加快，荷载值出现最大值；仍然继续加载，在所加力不变的情况下位移继续增大.但是不同张拉程度下得到的相应的骨架曲线也有不同之处，相同位移所对应的应力值随张拉程度的增大而增大，峰值荷载由963 kN增大到1 039 kN，割线刚度由321 kN/mm增大到346 kN/mm.预应力的施加使墙体的整体刚度增加了.

3　预应力预制装配式剪力墙的承载能力、刚度退化、耗能能力及变形能力

预应力预制装配式剪力墙结构在一定程度上能解决普通装配式结构刚度和整体性不足的问题，为明确该结构的抗震性能的优势和不足，通过与现浇剪力墙受力性能的对比，作以下分析.

3.1　应力云图

图3　一层墙体应力云图

本文模型的破坏位置和应力分布与文献[12]中试验的破坏模式和数值模拟的应力云图基本一致，固可证明本文模型的有效性.

3.2　滞回曲线和骨架曲线

滞回曲线中加荷阶段曲线所包围的面积大小可以反映结构吸收能量的大小；卸载阶段的曲线所包围的面积可以代表耗散出去的能量.图4为二层墙体不加预应力筋和加预应力筋并张拉40%后在受低周反复荷载下得出的滞回曲线.

图4　二层墙体滞回曲线

由图4的滞回曲线画出骨架曲线，因W墙体和PW墙体的骨架曲线图总体上的趋势是一致的，在此只做出二层墙体骨架曲线对比图（见图5）.

图5　二层W墙体和PW墙体骨架曲线对比

3.3　承载能力和刚度退化

观察分析相应的应力云图可得：在墙体中增设预应力筋并张拉40%后，墙体中混凝土的最大应力值由22 MPa减小到20 MPa；钢筋的最大应力值由36 MPa减小到22 MPa，且出现屈服的面积明显减小.说明用预应力筋来连接各层可增加墙体的整体性能，使应力分布更加优化.

弹性阶段，W剪力墙和PW剪力墙的骨架曲线基本一致；而进入弹塑形阶段后，W墙体的曲线斜率小于PW墙体的曲线斜率，割线刚度由28 kN/mm增大到32 kN/mm，极限荷载由363 kN增大到400 kN.说明加设预应力筋墙体的刚度大、刚度退化慢、极限承载力高.

3.4　耗能能力

由图4的滞回曲线可以得出：PW墙体在低周反复荷载的作用下得到的极限荷载值比普通墙体的大，说明PW墙体的整体性和强度有所增加.但是相应的滞回环的面积要比普通墙体的小，取正向加载过程破坏荷载，等效阻尼系数由0.220减小到0.201，说明其耗能能力有所下降.

3.5　变形能力

本文所采用的位移延性系数是指构件达到极限承载状态时的位移与屈服时的位移比值.其计算公式为

式中：Δy为结构屈服时的位移；Δu为结构的极限位移，即结构的荷载-位移骨架曲线中水平荷载下降到0.85 Pmax时的位移，其中Pmax为结构最大荷载.

将计算得到的试件延性系数列于表2，Py表示墙体屈服时荷载，Pm表示墙体峰值荷载，Pμ表示荷载下降到峰值荷载的85%时对应的荷载，Δy表示试件的屈服位移，Δu表示试件的极限位移，Δm表示试件到达峰值荷载Pm时相应的位移.

表2　延性分析

由表2的延性系数可以看出无论一层还是二层用预应力筋连接的墙体PW的延性系数都比W墙体小，配置预应力筋的一层剪力墙延性系数相差7%，这说明预应力墙体的延性性能比普通墙体低一些.出现这种现象是因为受高强钢材材料性质的影响，预应力钢筋屈服的时间比较晚，而且当其屈服后变形能力比较小，即屈服后很快就到了极限状态，这样也就使得墙体中的预应力筋很快达到极限状态，所以其延性系数就相应地减小.另外由于受预压应力的影响，预应力墙体的截面转动能力降低了，截面曲率延性较低.所以预应力墙体的变形能力比相同承载力条件下的普通墙体要小.

4　结论

通过有限元软件Abaqus对两种墙体在低周反复荷载下的模拟计算分析得出如下结论：

（1）剪力墙PW随预应力筋张拉程度的提高，刚度和整体性增大.在钢筋张拉程度不超过50%时，等效阻尼系数由0.187增大到0.197；当张拉程度达到60%时，等效阻尼系数反而减小到0.178，故仅从剪力墙单元耗能角度考虑，预应力大小不超过50%对耗能较为有利，但具体到剪力墙体系中，还需更深入的研究.

（2）用预应力筋来连接的墙体PW与普通墙体W相比，墙体中混凝土的最大应力值减小9%，钢筋的最大应力值减小11%，应力分布更加优化；弹性阶段后，PW墙体的骨架曲线斜率大于W墙体，最大荷载值也大于W墙体，说明了PW墙体的刚度大、刚度退化慢、极限承载力高.但是相应的滞回环的面积比普通墙体的小，说明其耗能能力有所下降.从变形能力比较，一层PW剪力墙的延性系数比W墙体小7%，说明其变形能力有所下降.

（3）可在PW墙体体系中加设耗能装置，提高耗能能力，完善该结构体系的受力性能.