双面叠合剪力墙叶板连接形式对构件受力影响的分析

2021-11-05邵志兵叶文启

建筑施工 2021年7期

高健邵志兵叶文启

中天建设集团有限公司浙江杭州 310008

随着建筑工业化在中国的推进，各类装配式混凝土结构发展迅猛，其中装配式混凝土剪力墙结构在住宅体系中得到广泛应用。

目前，装配式剪力墙通常采用的连接方式包括：灌浆套筒连接[1]、浆锚连接[2]以及机械连接[3]。其连接节点是否可靠主要依赖工人操作的合规性。而叠合剪力墙则通过后浇混凝土和插筋将预制构件与现浇结构连接成整体，且由于叠合剪力墙叶板之间存在空腔，故预制构件的连接施工及吊装都更为简便。

双面叠合剪力墙多采用桁架钢筋连接内外叶板及后浇混凝土，桁架筋的上、下弦也可作为叶板内受力筋。近年，三一筑工自主研发的SPCS体系中，也包含双面叠合剪力墙构件。与常规双面叠合剪力墙的不同点之一就在于SPCS叠合剪力墙内外叶板采用由竖向钢筋＋拉筋形成的整体钢筋笼来拉结。

本文采用通用有限元软件Abaqus，建立桁架筋和钢筋笼连接的叠合剪力墙有限元模型，对比分析不同拉筋形式对叠合剪力墙受力的影响，形成结论。

1 有限元模型

1.1 模型介绍

模型中，混凝土强度等级选用C 3 0，钢筋选用HRB400。选取某项目SPCS样板楼的一片预制内剪力墙作为模型SW1。墙板高度、宽度、厚度分别为2 750、2 000、200 mm，沿厚度方向依次为50 mm外叶板、100 mm空腔、50 mm内叶板。剪力墙两端均设400 mm×200 mm边缘构件，墙体受力纵筋及水平筋均按间距200 mm分布，边缘构件水平筋加密按100 mm间距布置。所有水平筋与纵筋相交处布置1道拉筋，配筋图如图1（a）所示。

采用桁架筋拉结的模型SW2，尺寸和模型SW1相同，边缘构件不变，2片叶板通过2道桁架钢筋拉结，配筋图如图1（b）所示。

图1 模型配筋

通过调整桁架筋上弦杆钢筋截面，使2块试件钢筋量尽可能相近，关于拉筋部分的用钢量统计如表1所示。SW1拉筋用钢量比SW2多1%左右，可忽略。

表1 SW1及SW2拉筋用钢量对比

1.2 材料本构关系

选用弹性强化模型作为钢筋本构，屈服准则为冯-米塞斯准则，泊松比取0.31，钢筋的弹性模量为2×105MPa，选用HRB400钢筋，其屈服强度为360 MPa。应力应变曲线设定为两段折线，屈服后折线的斜率为弹性模量的0.01[4]。混凝土本构为Abaqus中内置的塑性损伤模型，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[5]附录C确定混凝土应力-应变关系，初始线弹性模量取3×104MPa，泊松比取0.2，受压塑性损伤因子与非弹性应变的关系以及受拉塑性损伤因子与开裂应变的关系可参考文献[6-8]。

1.3 有限元模型建立

有限元模型主要包括钢筋、预制混凝土叶板、空腔后浇混凝土和加载钢梁，分别独立建模。钢筋使用桁架单元T3D2，混凝土和加载钢梁使用实体单元C3D8R。忽略钢筋与混凝土的黏结滑移，默认二者嵌固牢固，使用Embedded region将钢筋笼、桁架筋、环形插筋等钢筋嵌入混凝土。默认加载梁、地面与构件连接可靠，新旧混凝土结合良好，建模时加载梁与构件顶部，新旧混凝土结合面使用Tie绑定，默认两者共同工作。混凝土网格大小为100 mm，钢筋网格长度为20 mm，剪力墙有限元模型如图2所示。

图2 剪力墙有限元模型

1.4 边界条件设定和加载方式

模型中，剪力墙底部所有自由度被约束，从而模拟构件与地面刚接。通过加载梁顶面施加面荷载，将轴压力传递至下部剪力墙；通过在加载梁一侧端部设置水平位移模拟剪力墙在地震下的往复运动。整体模型施加重力荷载。分别在轴压比0.2及轴压比0.3时加载[9]。初始加载位移幅值为7.5 mm（约构件高度的1/400），每级幅值增加5 mm。

构件上部连接加载梁，加载梁为钢梁，通过施加平面内低周往复位移对钢梁加载，模拟SW1和SW2的受力过程。构件底部通过竖向环形钢筋与地面连接。

2 结果对比、分析

2.1 不同连接形式拉筋受力状态

选取加载梁侧向位移为27.5 mm时钢筋的轴向应力云图做对比。在轴压比为0.2时（图3）：SW1使用钢筋笼连接，拉筋并未屈服，且主要受力的拉筋较为分散、均匀，更加充分地利用了材料的性能；SW2使用桁架筋拉结，主要由剪力墙底部区域的桁架起到拉结作用，且在竖向荷载及水平往复荷载的作用下，更多地由暗柱钢筋起到了平面外的抗力作用。在往复位移荷载的作用下，部分混凝土应变超过开裂应变，混凝土单元在有限元计算过程中退出计算，且SW1和SW2在平面外产生少量位移和变形。在近似相等配筋率的情况下，钢筋笼形式的拉筋分布相比桁架筋更均匀，能为剪力墙整体带来更好的抗弯刚度。

图3 轴压比0.2时钢筋应力云图

将轴压比增至0.3（图4）：SW1试件1/4～1/2墙高范围内的两侧叶板在轴压作用下向平面外鼓起，拉筋和叶板内水平筋共同参与受力，减轻了暗柱钢筋的“负担”；SW2中同样存在剪力墙叶板向平面外鼓起的情况，但此时主要依靠叶板内水平筋变形来承担拉力，桁架筋起到的拉结作用有限，暗柱钢筋也更多地“负担”了轴压带来的平面外变形。相比轴压比为0.2时，轴压比为0.3时，延缓了混凝土的受拉开裂，SW1和SW2向平面外倾覆的趋势减小，因此无论是钢筋笼还是桁架筋，受力都更集中在构件底部。

图4 轴压比0.3时钢筋应力云图

2.2 不同连接形式拉筋作用下试件滞回曲线的对比分析

提取SW1及SW2顶点的位移-荷载曲线。从轴压比为0.2时的滞回曲线结果（图5）对比分析：

图5 轴压比0.2时位移-荷载曲线

1）SW1和SW2在反复荷载作用下，构件出现了刚度退化。在混凝土开裂前，位移-荷载曲线近似为线性增长的关系；而开裂后，试件刚度开始降低，在同等荷载的作用下，构件顶点位移明显增大。SW1和SW2相比，使用钢筋笼连接形式的双面叠合剪力墙，其刚度退化相较于使用桁架筋拉结更弱，这说明使用钢筋笼连接时双面叠合剪力墙的延性有一定提高。

2）SW1和SW2构件顶点位移较小时，大部分混凝土仍处于弹性工作状态，滞回曲线包裹的面积较小，随着墙顶侧移增大，试件滞回曲线包裹面积逐步增大。SW1与SW2相比，其滞回曲线更为饱满，说明使用钢筋笼连接时双面叠合剪力墙的耗能性能好于使用桁架筋连接。

3）SW1极限承载力为353.2 kN，SW2极限承载力为327.0 kN，即在控制用钢量相等时，SW1比SW2高8%。

从轴压比为0.3时的滞回曲线结果（图6）对比分析：