叠合板式剪力墙节点受平面内荷载的ABAQUS分析*

张 放

(安徽建筑大学土木学院,安徽 合肥 230601 )

0 引 言

预制楼板目前在我国装配建筑及现浇建筑中由于其具有工厂化、装配化的特点，又具有较好的整体性，在国内已经受到大量的推广应用[1]。叠合板式剪力墙于欧洲工业发达国家早已熟练使用，环保性能过硬，产业化能力突出，但其引入我国后，由于对抗震性能研究的不足，规范编撰的难度较大，设计时的依据不完整，此前已有对其滞回特性的研究，包括对叠合板式剪力墙结构的刚度、延性等一系列的研究[2]，叠合板剪力墙由于其两种混凝土层之间浇筑时间差的原因，往往在破坏时出现分层的现象。由于在节点附近是结构中抵抗各类荷载能力最低的地方，预制剪力墙与预制楼板和后浇带间配合使用的预制结构的性能未知是否可达到全现浇结构的抗震性能，而叠合板式剪力墙与叠合楼板间的结合处是最为薄弱也是最为关键的部位，赵作周、钱稼茹[3]等此前做过墙板节点的抗震性能的试验，证明节点处的受力性能与全现浇相似。设计3种叠合板式混凝土墙-板节点，三种模型仅体现在墙-板联结的不同，通过对比利用ABAQUS对3种墙板节点进行平面内的有限元分析，可代表构件在实际情况中对地震荷载的抗性。

1 有限元模拟

1.1 模型概况

墙体构件截面尺寸为3000mm×800mm×200mm，其中，分为上下两层以模拟实际生产中楼板与墙体的位置关系，下层高度1380mm，上层高度1500mm，中楼板层高120mm。剪力墙配筋为竖向钢筋HRB400，12@200；水平分布筋HRB400,8@200.楼板截面尺寸为1000mm×800mm×120mm，与墙体垂直的钢筋HRB400，10@200；与墙体平行的钢筋HRB400，8@200.以上配筋均符合各类规范最低要求及承载力验算[4～6]。

三种模型中，W-1为预制楼板与墙体垂直部分受力钢筋锚入墙体，锚固长度150mm并弯折90°；W-2在楼板后浇带内布置伸入墙体的连接筋，连接筋锚固深度设置为400mm；W-3于预制楼板处设置飞筋，弯折135°并锚入剪力墙150mm，其余各部位均相同。具体如图1。

1.2 材料本构关系

混凝土的破坏以受拉为主，钢筋与混凝土的有效联结使得混凝土的效用发挥到最大，钢筋主要在混凝土开裂后开始发挥其性能。混凝土剪力墙的混凝土的本构关系主要为理想弹塑性模型和弥散开裂模型两种模型，在有限元软件中，本构关系也分为这两种，使用的模型中采用弹塑性模型，钢筋的应力-应变曲线采用二折线应力-应变曲线[7]。

图1 试件几何尺寸及构造

图2 混凝土受拉破坏damaget形态图

1.3 模型荷载及边界设置

为了更准确地观察墙-板节点处破坏形态，力学模型将楼板端部及墙底部设置为铰接，在受到模拟地震荷载的平面内荷载作用下，会使得节点处弯矩最大。因此将墙体顶部布置竖向荷载模拟实际生产中的中间楼层，楼板端部的边界条件设为限制面内荷载方向的平动，释放转动，墙体底部限制平动允许转动，模拟楼板及墙体的铰接，墙体顶部同时施加水平往复荷载模拟平面内荷载。

2 ABAQUS有限元模拟结果及分析

2.1 破坏形态

三种剪力墙模型的混凝土受拉以及受压积累损伤如图2-3所示。混凝土的受拉破坏由墙-板节点展开以几点为域向四周延散，节点部最大主塑性应变较大，下部墙体裂缝较其他部分较多。其中受拉破坏中，W-1、W-2、W-3墙体破坏形态几乎一致，楼板破坏W-2只有少量的裂缝；受压破坏中，W-1损伤较其他两种模型略轻微，表现在一侧楼板受损比其他两种受损程度偏小。所有破坏均在节点域附近，未扩散至整个构件。加载完成时，预制层与现浇层之间出现少量的分层分离的现象。

图3 混凝土受压破坏damagec形态图

图4 骨架曲线

图5 刚度曲线

2.2 骨架曲线及承载力

各模型的骨架曲线如图4所示.由图可知，不同连接形式的节点区域的三种叠合板式剪力墙的骨架曲线，弹性阶段中几乎相同，变形速率几乎吻合。进入塑性阶段后，W-2承载力开始与其他两种有所区，曲线斜率陡于其他两种；位移接近20mm后W-2的承载力下降速率变缓，开始加载至弹性阶段中，由于三类模型的墙体部分构造相同，在受到水平位移时，由墙体-楼板节点中心受到最大弯矩发生破坏并由节点中心扩散至整个节点区，当变形弥散至楼板与墙体结合部位时，由于三种模型楼板与墙体间连结筋构造的不同，承载力下降速度开始发生变化。

表1列出三种模型的特征点的各项数值。屈服点依据能量法[8]，可以由骨架曲线得到。从屈服点来看，使得W-3屈服的荷载更高，所能到达承载力的峰值也较其他两种偏高，W-2的承载性能最弱，W-3表现出的对抗变形的能力较由于其他两类。三类模型的Pmax与Pu的平均比值为1.18大于1.15[9]，根据现行规范说明三类模型具有一定的承载力.

2.3 刚度分析

由图5可明确，W-2的初始刚度较W-1及W-3最大。在弹性阶段，刚度衰减的速率均匀，进入塑性阶段后，随着破坏进入墙板节点，刚度开始迅速衰减，进入楼板后，刚度衰减速率变缓，三类模型的刚度退化节奏几乎一致，退化过程分段明显。

表1 承载力数据

3 结 论

通过对模型的设计计算和利用ABAQUS软件对三种墙板不同形式的构造连接的模型进行有限元的模拟，得出如下结论：

(1)三种叠合板式剪力墙均具有合规合范的承载力和安全储备。

(2)三种叠合板剪力墙的破坏过程基本相似，在平面内位移作用下，于墙-板节点中心开始发生破坏，随着位移的分级提升，破坏开始沿着节点域向四周扩散，墙体发生受剪和受弯破坏，最终停止在楼板处，整体来看，破坏发生在节点域附近，随预制与现浇层间的分离结束，不会发展成整体大范围的破坏。

(3)W-1模型楼板处伸入墙体锚固深度150mm并弯折90°这种结构使得墙与板之间的联结性能更出色，在承载力以及刚度上，表现的比其他两种构造更好，在实际生产中，通常采用W-3的楼板飞筋构造，这种构造的性能从模拟中看不比过中线并弯折90°的性能好。

(4)通过对叠合板式剪力墙受平面内荷载作用下的破坏形态的分析，可代表这类结构受地震荷载作用下的损伤，这种新型的现浇与预制相结合式的新型结构能够较好的抵抗地震荷载。