钢筋灌浆套筒连接局部失效对装配式剪力墙承载力影响的有限元研究

张祥辉，郁有升，2，*

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266525)

装配式钢筋混凝土剪力墙构件先在工厂制作，后运至施工现场，进行灌浆连接，具有加快施工速度、降低工人劳动强度等优点，目前已在我国推广和使用。现有的装配式剪力墙装配形式有3种，包括灌浆套筒连接、浆锚连接和机械连接，相邻的装配式剪力墙构件的连接质量对装配式剪力墙整体承载力有较大影响。郑清林等[1-3]对各种类型的灌浆缺陷对钢筋灌浆套筒试件的承载力和变形性能的影响进行了研究，发现灌浆缺陷数量和程度越大，相应试件的承载力越小。钱稼茹等[4-6]对装配式剪力墙做了大量的研究，发现套筒浆锚连接能够有效传递竖向钢筋应力，装配式剪力墙试件与现浇剪力墙试件相比，两者破坏形态基本相同，都为钢筋受拉屈服和混凝土受压破坏，刚度和耗能能力相当。王元清等[7]对灌浆套筒连接装配式剪力墙的承载力和刚度进行了研究，发现当轴压比增大时，极限承载力和刚度都随之增大，而变形能力随之减小；配筋率增大，极限承载力随之增大，但刚度几乎没有变化。刘全威等[8-9]研究了采用不同连接方式的装配式剪力墙的抗震性能，为装配式剪力墙结构的推广提供了基础和依据。杨跃宇[10]对装配式剪力墙在钢筋套筒连接失效情况下的抗震性能进行数值分析，研究发现，装配式剪力墙的有限元模拟结果与试验研究结果较为吻合，根据灌浆套筒不同密实度得到的剪力墙的承载力、骨架曲线和刚度退化的抗震性能均能满足抗震要求。

目前，装配式剪力墙大多采用钢筋灌浆套筒连接的方式，在预制墙竖向钢筋部分连接构造中应用广泛。其做法为，墙体的通长受力筋呈梅花型分布，相邻墙体接缝处采用灌浆套筒方式连接。现有研究成果表明，在灌浆套筒施工质量达到目标要求情况下，采用灌浆套筒连接的装配式剪力墙，其承载力基本能达到与现浇剪力墙结构相同的水平。然而，工程现场的施工质量很难达到试验研究时的水平，灌浆套筒连接在现场完全依靠人工操作完成，操作工人能力良莠不齐，且现有的针对灌浆套筒连接的检测还没有较为完善的规程，灌浆质量的控制存在困难。如果灌浆套筒连接失效，对结构的整体承载力和刚度会有较大影响。目前，国内外对灌浆套筒连接局部失效情况下的装配式剪力墙的研究还处于起步阶段，所以研究装配式剪力墙灌浆套筒连接在局部失效的情况下对单片墙体承载力的影响很有必要。

1 装配式剪力墙有限元分析模型

灌浆套筒装配式剪力墙在接缝处采用套筒连接，钢筋插入预留套筒，灌入灌浆料，灌浆料达到强度后形成整体。如灌浆质量不达标，插入套筒内的钢筋与灌浆料之间的黏结力会逐渐降低，最终导致灌浆套筒连接失效。为了简化分析模型，作如下假设：①套筒连接失效，上下两片墙体接缝处的连接钢筋完全断开；②灌浆质量良好的套筒连接简化为一根通长钢筋。

1.1 试件参数

本文对剪力墙钢筋在不同位置、不同数量连接失效情况下的模型进行有限元分析，包括现浇剪力墙(XJ)、钢筋正常连接的装配式剪力墙(ZCZP)、6种1根钢筋在不同位置连接失效的装配式剪力墙、15种2根钢筋在不同位置连接失效的装配式剪力墙、20种3根钢筋在不同位置连接失效的装配式剪力墙、15种4根钢筋在不同位置连接失效的装配式剪力墙、6种5根钢筋在不同位置连接失效的装配式剪力墙、1种6根通长钢筋全部连接失效的装配式剪力墙。模型包括剪力墙、加载梁和基础梁三部分，剪力墙宽2100 mm，高2640 mm，墙厚200 mm。加载梁长2100 mm，截面为250 mm×250 mm。基础梁长3200 mm，截面为500 mm×500 mm。墙体竖向通长受力筋直径为16 mm，竖向分布筋直径为8 mm，横向分布筋直径为8 mm，所使用的钢筋全部为HRB400钢筋。混凝土强度等级为C30。模型截面见图1。

图1 灌浆套筒装配式剪力墙示意

1.2 有限元分析模型建立

1.2.1 材料单元的选用及网格的划分

混凝土单元选用C3D8单元，钢筋单元选用T3D2桁架单元。由于本模型的主要研究对象为剪力墙及竖向受力钢筋，因此，剪力墙部位的混凝土和竖向通长受力主筋的网格划分为70 mm，加载梁、基础梁的混凝土以及除竖向通长受力筋之外的其他钢筋的网格划分为200 mm。

1.2.2 材料本构关系的选用

混凝土本构采用混凝土塑性损伤模型，其模型建立参考文献[11]。混凝土密度取2500 kg/m3，弹性模量取3.15×104MPa，泊松比为0.2。

钢筋本构采用二折线型的弹性-强化模型[12]，应力-应变关系可视为两段斜直线，应力-应变表达式为

(1)

式中：σs，εs分别为钢材的应力、应变；fy，εy分别为钢材的屈服强度、屈服应变；Es为钢材弹性模量，取Es=2.06×105MPa；泊松比υ=0.3。

1.2.3 边界条件的确定

钢筋嵌入混凝土内，该约束忽略了钢筋与混凝土之间的滑移。在加载梁顶面中心设置一个附加节点，与加载梁顶面采用耦合的约束方式进行连接，该节点同时作为加载点。加载梁与剪力墙采用绑定的方式连接。剪力墙与基础梁采用接触的方式连接，切向设为库伦摩擦，摩擦系数取0.4，法向设为硬接触。模型底部采用全部固结，顶部对剪力墙平面外的位移和转角进行约束。

1.2.4 加载方式的确定

模型采用2个分析步进行加载，竖直方向采用集中力进行加载，控制轴压比为0.12，轴力为1568.03 kN。为了使模型易于收敛，水平方向采用位移控制方式进行单向加载，位移控制为60 mm。建立的模型如图2所示。

图2 有限元模型

1.3 模型的验证

引用文献 [13]中的试件数据进行模拟验证，采用上述建模方法、本构关系建模，按照文献[13]进行低周往复加载，对比有限元模拟得到的滞回曲线与文献[13]中试验得到的滞回曲线，如图3所示。

比较图3发现，有限元模拟曲线和试验曲线较为吻合，证明本文有限元模拟较为可靠。本文为了简化模型，有限元模型没有考虑钢筋与混凝土之间的滑移，所以有限元曲线相较于试验曲线更显饱满。

2 计算结果分析

2.1 承载力分析

2.1.1 现浇剪力墙与装配式剪力墙的比较

由图4可知，钢筋连接有效的装配式剪力墙与现浇剪力墙相比，极限承载力相差不大，力学性能基本一致。

2.1.2 受压侧钢筋不同数量连接失效

经统计，受压侧钢筋不同数量连接失效共7种情况，包括正常连接、1～6根钢筋全部连接失效，见表1。

图5为与表1中剪力墙编号相应的各试件的荷载-位移曲线，例如，ZCZP为通长钢筋全部连接有效的试件，Q1为左起1根通长钢筋连接失效的试件。从图5中能够看到，刚加载时，试件的荷载-位移曲线几乎重合，加载侧接缝处混凝土尚未被拉裂。荷载增加，不同试件荷载-位移曲线逐渐分离。随着钢筋连接失效数量增加，极限承载力下降。

表1 钢筋在受压侧不同数量连接失效剪力墙极限承载力

2.1.3 1根钢筋在不同位置连接失效

1根钢筋在不同位置连接失效共分6种情况，如表2所示。图6为与表2中剪力墙编号相应的1根钢筋在不同位置连接失效时，各试件的荷载-位移曲线。如图6所示，刚加载时，各试件的荷载-位移曲线几乎重叠，加载侧接缝处混凝土尚未被拉裂。荷载增大，钢筋连接失效位置离加载侧边缘越近的试件屈服得越快，极限承载力随之减小。

表2 1根钢筋在不同位置连接失效时各试件的极限承载力

2.1.4 多跟钢筋在不同位置连接失效

2～6根钢筋在不同位置连接失效的情况分别有15，20，15，6，1种。由于情况较多，在此不一一列出。

图7分别为2～6根钢筋连接失效时各种情况的荷载-位移曲线。极限承载力最大时，钢筋连接失效位置均位于远离加载侧边缘的位置；极限承载力最小时，钢筋连接失效位置均位于最靠近加载侧边缘的位置。各种情况下最大和最小极限位置的极限承载力见表3。

表3 各情况下试件最大最小极限承载力

图7 其他各种情况下各试件荷载-位移曲线

因此，当钢筋连接失效的数量多但位于远离加载一侧时，会比钢筋连接失效数量少但位于加载一侧的极限承载力大。

2.2 刚度分析

刚度为荷载-位移曲线上某一时刻的荷载与其相对应的位移的比值，可以用来衡量构件抵抗变形能力的大小。

图8为不同数量钢筋全部在最靠近加载侧边缘连接失效时各试件的刚度比较情况，可以看出，钢筋连接失效数量增大，刚度随之下降。

图9为1根钢筋在不同位置连接失效时，各试件刚度比较情况，可以看出，钢筋连接失效位置越靠近加载侧边缘，其刚度越小，但只有1根钢筋连接失效时，各试件刚度相差不大。

由此可以推断，钢筋连接失效位置越靠近加载一侧，刚度越小。而相同数量钢筋连接失效时，连接失效位置越远离加载一侧，刚度越大。但总体而言，钢筋连接失效对剪力墙整体刚度的影响不大。

3 结论

本文利用ABAQUS建立了接缝处通长受力筋呈梅花型分布的灌浆套筒连接装配式剪力墙在不同数量及不同位置钢筋连接失效时的模型，对各种情况下其水平极限承载力和刚度的变化情况进行了分析。结果表明：

1) 钢筋灌浆套筒有效连接的装配式剪力墙与现浇混凝土剪力墙的力学性能基本一致；灌浆套筒钢筋连接失效位置和数量对装配式剪力墙的极限承载力影响较大，对刚度影响较小，钢筋连接失效的位置越靠近加载侧墙体边缘，其极限承载力和刚度下降越多。假定钢筋连接失效的位置在加载侧墙体边缘，钢筋连接失效数量越多，其极限承载力和刚度下降越多；如钢筋连接失效数量虽多，但位置远离加载侧，其极限承载力和刚度比钢筋连接失效数量少而位置靠近加载侧的大。

2) 钢筋连接全部失效的试件Q6相对于钢筋全部有效连接的试件ZCZP，极限承载力降幅为20.96%，试件Q6破坏时，加载侧剪力墙与基础梁之间完全开裂，接缝处的黏结力已经很小，可以忽略不计，钢筋连接全部失效不提供抗力，其承载力全部由轴力及剪力墙自重的竖向挤压提供。

3) 各试件随着钢筋连接失效数量的增加，刚度有所下降，但降幅不大，这是因为剪力墙的刚度大多由混凝土提供，在试件未完全损坏，混凝土未完全破坏之前，刚度降幅不会很大。