装配式环形钢筋搭接混凝土剪力墙的抗震性能研究

许冠超, 谢琰, 孟卓伦, 赵继伟

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.国网河南省电力公司检修公司,河南 郑州 450006)

随着我国建筑工业化、住宅产业化进程的不断加快,装配式混凝土剪力墙结构的应用越来越广泛,目前，国内已经形成了多种装配式剪力墙结构技术[1-5]。其中，套筒连接虽然连接可靠,但其配套要求高,材料性能控制难,且安装效率较低;约束浆锚连接的搭接长度较短,虽然成本较低,但其适用范围受到限制,施工效率较低且成孔难度较大;波纹管连接的强度高,安装速度快,但对存放和运输的要求较高,成本也相应被提高。

针对目前装配式剪力墙结构体系存在的问题,本文提出了一种新型装配式混凝土剪力墙结构体系——环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构,在接缝位置处采用环筋扣合锚接方式连接,并对该种连接方式的整体结构进行了结构性能试验与有限元模拟的对比研究。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

拟对3组15个剪力墙试件进行拟静力试验。剪力墙试件由试验墙体和墙底的地梁组成。试验墙体均为矩形截面,外形尺寸相同:墙体高3 100 mm、宽1 500 mm、厚200 mm;地梁长3 500 mm、宽500 mm、高600 mm,如图1所示。

图1 试件尺寸图(单位:mm)

试件之间的主要区别在于钢筋连接方式、纵向分布筋直径和混凝土的强度等级。根据分布钢筋直径不同把所有试件分为3组。对每组试件进行编号,编号格式:钢筋直径-连接方式-分组,如D16-DJ代表试件钢筋直径16 mm,采用钢筋搭接方式进行连接;D16-HK(JM)代表试件钢筋直径16 mm,采用环筋扣合锚接的方式连接,并在连接处进行箍筋加密。本文仅取箍筋加密的环筋扣合D16-HK(JM)试件进行试验与有限元模拟对比。环筋扣合的配筋方式如图2所示。

图2 环筋扣合试件的配筋图(单位:mm)

1.2 加载制度与量测内容

试件的拟静力试验依照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—96)中的规定进行加载。试验加载装置及位移计布置如图3所示。

图3 加载示意图及位移计布置图

采用2 500 kN液压千斤顶施加轴压力、2 000 kN水平作动器施加水平力。通过千斤顶及作动器顶端部的力传感器量测施加力的大小。首先，根据轴压比设计值施加轴向力,在试验过程中保持轴向力不变。然后施加往复水平力,先加推力,为正向加载；后加拉力,为反向加载。采用荷载控制加载,每级荷载控制一个循环。

各个试件的位移计布置相同,共6个位移计,其中顶部加载梁处布置1个,控制位移加载;墙身布置4个,间隔500 mm;地梁处布置一个位移计,用于量测地梁的平动。用应变片量测竖向分布筋的应变,每个试件均在距离地梁顶面位置处布置应变片;对于环筋扣合连接的试件,钢筋扣合位置处布置应变片,采集钢筋应变数据,分析钢筋传力性能。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

为分析环筋扣合连接的装配式剪力墙的抗震性能,采用ABAQUS软件建立其有限元模型[6],如图4所示。混凝土墙采用C3D8R单元,钢筋采用T3D2单元,将钢筋嵌入到混凝土内。在地梁的下边缘施加X、Y、Z轴方向的约束。根据试验,在ABAQUS中设置3个分析步:①在模型的上表面施加8.33 N/mm2的竖向压力;②保持轴向力不变,在模型右侧施加100 N/mm2的水平推力;③在模型右侧施加100 N/mm2的水平拉力。

图4 装配式剪力墙的有限元模型

2.2 边界条件和算法

混凝土选取ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型,塑性流动法则为非关联流动法则,混凝土塑性损伤模型的势函数采用Drucker-Prager双曲线函数。本模型中的混凝土采用文献[7]给出的单轴受压和单轴受拉混凝土应力-应变关系模型,如图5所示。图5中:fc,r为混凝土单轴抗压强度代表值，其值可根据实际结构分析的需要分别取fc、fck或fcm,本试验取fck;fck为混凝土的轴心抗压强度标准值;ft,r为混凝土单轴抗拉强度代表值，其值可根据实际结构分析的需要分别取ft、ftk或ftm,本试验取ftk;ftk为混凝土的轴心抗拉强度标准值;εc,r为与单轴抗压强度代表值fc,r相应的混凝土峰值压应变;εt,r为与单轴抗拉压强度代表值ft,r相应的混凝土峰值拉应变;εcu为应力-应变曲线下降段应力等于0.5fc,r时的混凝土压应变;ψ为剪胀角;m为流动势偏移值;αf为双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度比;Kc为拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量之比;μ为黏滞系数。

图5 混凝土单轴应力-应变曲线

混凝土的强度等级为C40,其主要材料参数及其他相关参数取值见表1。

表1 混凝土材料参数取值

2.3 钢筋的本构模型

钢材采用von Mises屈服准则,本构关系采用二折线形式的弹性-强化模型,屈服后的应力-应变曲线简化为平缓的斜直线,即钢材的应力-应变曲线,如图6所示。其中：fu为钢筋的屈服极限;fy为钢筋的强度极限;εy为钢筋达到屈服极限的应变值;εu为钢筋达到强度极限的应变值。

图6 钢材的应力-应变曲线

纵筋和水平钢筋选用HRB400,箍筋为HRB335,其材料参数见表2。

表2 钢筋的材料参数

注:fyk表示钢筋的屈服强度标准值。

3 计算结果分析

通过观察预制环筋扣合锚接的预制剪力墙的破坏现象,结合滞回曲线与骨架曲线、试件承载力、变形与延性等特征,并与有限元模拟分析进行对比,可揭示出环筋扣合锚接连接的可靠性能及预制剪力墙的破坏特性和抗震性能。

3.1 滞回曲线及骨架曲线

试件的顶点水平力F-位移Δ的滞回曲线如图7所示(正水平力为正向加载,负水平力为反向加载)。从图7(a)中可知,D16-HK(JM)试件的滞回曲线正向加载与反向加载并无明显差别,虽有一些捏拢,但并不严重。由图7(b)可知,有限元模拟与试验所得的滞回曲线的包络线形状基本一致,试验所得的曲线更趋饱满。另外,试验和有限元模拟的滞回曲线包络线在正向加载时较负向加载时饱满,即表明该剪力墙正向加载性能略优于负向加载性能。

图7 试件的滞回曲线

骨架曲线是滞回曲线中每级加载水平力最大峰值所形成的轨迹,反映了构件受力与变形的各个不同阶段及其特性,也是表征结构抗震性能的主要依据之一。环筋扣合试件的骨架曲线如图8所示。

图8 环筋扣合试件的骨架曲线

由图8可见：在试验中,构件正向加载与反向加载的骨架曲线基本一致,在达到峰值水平力之前基本呈正比例上升；而达到峰值水平力后,随位移的增大,峰值水平力呈下降趋势；并且反向加载较正向加载下降得更为明显。有限元计算结果与试验结果的总体变化趋势基本一致,但其水平力较试验结果偏小,且曲线波动较大。

3.2 试件承载力

通过观察试验现象及已经得到的骨架曲线,得到试件的开裂水平力Fcr、屈服水平力Fy和峰值水平力Fp值，见表3。由表3可以看出,D16-HK(JM)试件试验时的峰值水平力为539 kN,而有限元模拟计算的峰值水平力仅为357 kN,二者相差较大。

表3 试件不同状态的水平力 kN

3.3 钢筋应变

试验过程中,采集纵向钢筋的实时应变ε,并与有限元模拟计算的结果进行对比,如图9所示。由图9可知,模拟结果与试验结果相吻合。随着位移Δ的增大,钢筋的应变ε均呈增大的趋势,说明此种连接方式中的钢筋能够有效地传递应力。

图9 钢筋应变-位移曲线

3.4 刚度退化

剪力墙试件在进行拟静力试验的过程中,随着水平推力的不断增大,水平位移也不断增大,结构刚度则不断退化,尤其是结构进入弹塑性阶段,刚度变化较快。因此,可以采用往复水平作用下每次循环峰点的水平力与位移的割线刚度来反映试件的刚度与顶点水平位移的关系。

试件割线刚度计算公式如下:

式中:|+Fi|、|-Fi|分别表示第i次循环加载过程中正向和负向的峰值承载力;|+Xi|、|-Xi|分别表示此次循环加载过程中峰值承载力对应的正向和负向位移。

对每次循环加载分别记录峰值承载力和位移值,绘制试件刚度退化曲线，如图10所示。

图10 试验与有限元计算的刚度退化曲线

由图10可以看出,试验结果与有限元模拟计算的结果均表明:当水平力较小时,水平位移较小,试件的刚度最大;随着水平力的增大,位移逐渐增大,刚度逐渐减小。试验结果中的刚度下降趋势更为明显。而有限元计算结果中,刚开始加载时,试件的刚度不稳定,稍后才逐渐呈下降趋势,且下降的趋势较缓,刚度变化较小。

3.5 耗能能力

承受地震荷载的结构,其承载力与变形能力相结合,便是对应的耗能能力。结构受到地震作用后将产生强烈的震动,一部分能量转化为动能,另一部分则通过部分结构构件的屈服来消耗。因此,耗能曲线表示试件的耗能能力。对每一次循环加载,试件的水平力-位移曲线都会围成一个滞回环,定义该滞回环的面积为此循环加载中试件的耗能。随着位移的增加,试件的耗能能力也随之变化。试件的耗能能力随位移的变化曲线称为耗能曲线。该试件的试验与有限元计算下的耗能曲线如图11所示。

图11 试验与有限元计算的耗能曲线

由图11可知,有限元模拟计算的耗能能力均小于试验结果,随着位移的不断增大,耗能能力均呈增大趋势。这是由于在建模过程中采用了简化方法,而试验中的钢筋绑扎搭接增加了配筋率,耗能能力也会有相应增加。

综上所述,装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙中的环筋扣合加密试件D16-HK(JM)的滞回曲线、骨架曲线、承载力、钢筋应变、刚度退化与耗能曲线的试验结果与有限元模拟结果基本相似,只是环筋扣合加密试件D16-HK(JM)承载力的有限元模拟结果与试验结果相差较大。其原因是，由于试验中钢筋采用绑扎连接,提高了配筋率,而在有限元模拟中采用了简化形式,造成了计算结果的偏差。

4 结论

本文进行了3组15个剪力墙试件的拟静力试验,并对环筋扣合加密试件D16-HK(JM)进行了试验结果和有限元模拟结果的对比,得出的主要结论有:

1)有限元模拟与试验所得的滞回曲线的包络线形状基本一致,试验较模拟结果的曲线更趋饱满,且二者的滞回曲线包络线在正向加载时较负向加载时的饱满,即该剪力墙正向加载性能略优于负向加载性能。构件的正向加载与反向加载的骨架曲线基本一致,在达到峰值水平力之前呈正比例上升,而达到峰值水平力后,随位移的增大,峰值水平力呈下降趋势,并且反向加载较正向加载时下降得更为明显。

2)D16-HK(JM)试件试验时的峰值水平力为539 kN,而有限元模拟所得的峰值水平力仅为357 kN,二者相差较大。这是由于试验中钢筋采用绑扎连接,提高了配筋率,而在有限元模拟中采用了简化形式,造成了计算结果的偏差。

3)试验结果和有限元模拟结果均表明：随着位移的增大,钢筋的应变均呈增大的趋势,说明此种连接方式中的钢筋能够有效地传递应力;当水平力较小时,水平位移均较小,试件的刚度最大;随着水平力的增大,位移均逐渐增大,刚度均逐渐减小。但在有限元模拟结果中,刚开始加载时,试件的刚度不稳定,稍后才逐渐呈下降趋势,且下降的趋势较缓,刚度变化较小。

4)有限元模拟所得的耗能能力小于试验结果的,随着位移的不断增大,二者所得的耗能能力均呈增大趋势。