装配式混凝土剪力墙的受力性能的有限元分析——螺栓-钢板机械连接方式

李 妍，王 芮，孙楠楠

（1：吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春130118；2：长春净月规划建筑设计研究院有限公司，吉林 长春130118）

0 引言

剪力墙结构具有整体性好、侧向刚度大等优点，在高层建筑中的应用比例逐渐攀升，成为多高层建筑中非常具有应用前景的结构形式。然而，现浇剪力墙结构由于需要在施工现场进行模板支护、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工作，因此存在一系列缺点，如：噪声污染、粉尘污染；材料耗费量大；施工周期长，施工质量没有保障等。为弥补传统现浇剪力墙施工的不足及推动中国建筑工业化进程，近年来，国家大力发展预制装配式剪力墙结构。

预制装配式剪力墙是将预制剪力墙通过竖向和水平接缝连接在一起成为一个整体。要保证墙体的稳固可靠性、抗震性，预制剪力墙节点的连接是非常关键的。本文选取鲍磊等[1]提出的一种新型剪力墙螺栓连接方式：在水平接缝外包双钢板高强螺栓连接；通过对使用该连接方式连接的剪力墙与现浇剪力墙进行有限元分析，比较2种剪力墙的受力性能，为今后装配式剪力墙螺栓连接的实际应用提供一定的参考依据。

1 试件设计

试件墙体高3 m，宽1.2 m，为了考察螺栓钢板接缝节点的受力性能，设计了2面剪力墙。SW-1为现浇剪力墙，SW-2包括上、下两部分预制混凝土剪力墙半结构，距墙体接缝60 mm处水平方向预留直径为20 mm、间距为120 mm的螺栓孔洞，通过螺栓钢板将上、下两部分墙体连接，从形成整体结构。混凝土材料均为C30，水平和竖直钢筋均为HRB400,水平接缝用10.9级的M20高强螺栓对穿，厚度为4 mm的Q235级钢板，用扳手拧紧高强螺栓，统一施加预紧力，试件设计详见图1。

图1 试件设计（mm）

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

运用有限元模拟软件ABAQUS建立剪力墙模型，先用“part模块”建立个实体单元，然后通过“assembly模块”按照试验方案进行装配。为了实现模拟和试验的最大化相似，墙体下表面采用固定约束（ENCASTRE）来创造边界条件，各分部件的钢筋通过Embedded嵌入墙体中。节点处上、下部分墙体间设置摩擦，摩擦系数设为0.6，墙体与钢板间设置摩擦，摩擦系数设为0.4。模型中的混凝土、钢板、螺栓均设置为实体单元C3D8R，钢筋设为三维线性桁架T3D2单元，见图2。

图2 几何模型及网格划分

为防止剪力墙在低周往复荷载的作用下由于墙体受力不均而发生偏压，所以先施加一个竖向荷载，模拟时建立一个参考点，通过参考点与墙体上表面“耦合”作用将竖向荷载转化为均匀分布的均布荷载。利用“Amplitudes”命令建立加载制度，对剪力墙施加水平往复力，将水平力施加在参考点上，避免出现负的特征值或者不收敛[2]。

2.2 本构关系

材料的本构关系反映了在循环荷载作用下材料的应力-应变关系，是进行有限元分析时必不可少的材料力学依据。材料的选取对模拟结果的准确性和真实性在某种程度上有着一定的影响。所以，在进行模型有限元分析研究时，要选取合理的材料本构关系。

2.2.1 钢材本构关系

墙中钢板采用Q235钢材。螺栓采用10.9级M20螺栓，钢材应力-应变曲线见图3，螺栓应力-应变曲线见图4[3]。

图3 钢筋本构关系

图4 螺栓、钢板本构关系

2.2.2 混凝土本构关系

本试验选取混凝土的强度等级为C30，综合参考国内外学者对混凝土本构的关系模型的研究[4-6]，选用来自《混凝土结构设计规范》GB 50020—2010[7]附录C给出的混凝土单轴应力-应变曲线，见图5。

图5 混凝土单轴应力-应变曲线

3 有限元模拟对比结果分析

3.1 剪力墙破坏形态

对于预制装配式混凝土剪力墙结构来说，墙体接缝的可靠连接是保证结构整体性、安全性和抗震性能的关键。当接缝连接性能较强时，预制构件具有和现浇混凝土一样较好的整体性，当接缝连接性能较弱时，就会发生墙体提前破坏，对构件影响极大，属于非正常破坏，在设计中应避免出现。

由图6～图8可以看出，本文中试件的裂缝主要分布在剪力墙下半部分墙体，X轴往复交替自墙角45°斜向墙中心发展，下侧墙角混凝土压碎。且SW-2最大应力高于SW-1，说明装配式螺栓钢板连接剪力墙的承载能力高于现浇剪力墙。由图8钢板应力云图可以看出钢板角部应力增大，螺栓与钢板接触小范围内钢板达到屈服强度，钢板达到设计强度要求。充分发挥了钢板及螺栓的强度优势。

图6 SW-1应力云图

图7 SW-2应力云图

图8 钢板应力云图

3.2 滞回曲线对比

滞回曲线又称恢复力曲线，是结构在循环往复荷载作用下得到的荷载-变形曲线。曲线可以反映地震作用下的抗震性能。本文采用位移控制加载方法，对剪力墙进行低周往复加载，加载过程中可以清晰的看到构件是否变形、损伤。

SW-1和SW-2的滞回曲线分别如图9～图10所示。通过对比能够看出，2个模型的滞回曲线都呈梭形，形状饱满，说明两面剪力墙的塑性变形能力都很好。

图9 SW-1滞回曲线

图10 SW-2滞回曲线

3.3 抗震性能对比

在结构设计时，增大结构的额延性系数可以保障结构在地震时“坏而不倒”，减小地震对结构的作用，通常要求延性系数＞3[8]。装配式结构在连接节点处的连接没有现浇结构坚固，整体性较现浇结构弱一些，延性性能没有现浇剪力墙结构好，但SW-1与SW-2同样拥有较大的延性系数，满足抗震性能要求。本文采用位移延性系数来描述试件的的延性性能，通过“ABAQUS”模拟试验得到的结果见表1。

表1 位移延性系数

4 结论

随着装配式结构体系成为我国建筑行业的必然趋势，装配式剪力墙的连接方式对结构各方面性能尤为重要。本文通过有限元软件“ABAQUS”,分析了螺栓-钢板接缝连接的装配式混凝土剪力墙在低周往复荷载下的受力性能。得到以下结论。

1）螺栓-钢板连接装配式剪力墙相比于现浇剪力墙延性较小，整体性较弱。但依旧处于规定范围之内，延性性能较为良好；而在承载能力和耗能能力方面都比后者有优势。

2）螺栓-钢板连接装配式剪力墙的连接方式能够有效提高剪力墙水平接缝处的强度，满足结构设计使用要求。

3）采用螺栓、钢板连接预制剪力墙上、下墙体，可以有效发挥钢板的承载能力和耗能能力。

4）螺栓-钢板连接装配式剪力墙在抗震性能方面较现浇剪力墙相当，但在现场施工和操作中更加方便快捷。能够很大程度上加快工程进度。