叠合板式剪力墙结构墙板节点有限元分析

李先猛 李广地

1.通州建总集团有限公司徐州分公司 江苏 徐州 221600；

2.长江精工钢结构（集团）股份有限公司 安徽 六安 237000

引言

叠合楼盖是一种半装配式楼盖，由位于下叶预制钢筋混凝土板及位于上叶后浇混凝土板通过桁架构造钢筋相连组成，墙板通过在上叶后浇空腔中设置附加钢筋或插入水平钢筋实现塔接连接。由于下叶预制墙板可以作为上叶后浇混凝土的模板，叠合楼盖较普通现浇楼盖减少模板工程量及现场混凝土浇筑量[1]。与全装式楼盖相比，防水性能好、安装精度低。

近年来，王平山[2]设计了一系列的叠合剪力墙试验研究叠合剪力墙结构力学性能，发现桁架钢筋间距不影响结构的破坏形态，对结构平面外受力有一定影响；桁架钢架的连接作用加强了竖向连接钢筋抗拔黏结强度。张文莹[3]对叠合剪力墙水平连接节点进行了循环剪切试验，研究发现叠合试件和现浇试件截面黏结力变化规律基本相同；基于剪切摩擦理论提出节点抗剪承载力公式。谷倩[4]开展了L形叠合剪力墙足尺试件的抗震性能试验，研究表明，L形构件边缘按构造配筋其塑性变形过于集中，设计时建议边缘构件提高配筋率；边缘构件新设钢筋塔接连接可以起到良好的传力。马巍[5]对带保温的单面叠合剪力墙进行了抗震试验研究，结果表明，预制外叶板仅起保护作用不参与受力；单面带保温叠合剪力墙力学性能上与现浇剪力墙基本一致。为此，通过在叠合板式剪力墙与叠合楼盖节点连接区域以不同形式的塔接连接，设计不同水平塔接形式的墙板节点，通过有限元软件Abaqus分析该类墙板节点在低周往复荷载下的抗震性能。

1 有限元模拟

1.1 模型概况

根据“强墙肢弱楼板”的原则，设计了1个现浇墙板节点试件XJD和3个叠合墙板节点试件DHD1、DHD2及DHD3，尺寸及构造见表1，2所示。叠合试件墙板节点核心区水平连接钢筋塔接连接见图1，其中试件DHD1叠合楼盖纵筋通常布置，试件DHD2上叶现浇楼板纵筋通常布置，下叶预制楼板上部设置附加钢筋，水平钢筋通常布置纵向钢筋锚入预制楼板400mm。试件DHD3两侧叠合楼盖板定有20mm高差，上叶一侧纵筋锚入剪力墙向下弯折90°。

表1 混凝土强度

表2 试件尺寸

图1 各试件配筋图

1.2 材料本构关系

混凝土采用塑性损伤模型表达式如下：

式中：t，c分别为拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为混凝土拉压下的非弹性阶段应变[6]。

1.3 边界约束条件

竖向沿剪力墙定顶端施加0.1的轴压比，预制墙板、楼板与现浇墙板、楼板接触面设置面与面接触，摩擦系数为0.6，模型底部及叠合楼盖悬臂端限制平动释放转动。

2 计算结果及分析

2.1 裂缝开展及破坏形态

各试件的裂缝开展及破坏形态如图2所示，由于剪力墙底部及叠合楼盖悬臂端未限制转动，叠合楼盖上叶现浇楼板与现浇剪力墙连接处开始破坏，裂缝沿着楼盖纵向开始延伸。水平荷载约5～6kN时，裂缝延伸至叠合楼盖下叶预制板，同时，裂缝沿剪力墙纵向向剪力墙上、下端开始延伸。水平荷载约20kN时，叠合楼盖上、下叶预制板与现浇板开始剥离。与现浇试件相比，裂缝未延伸至叠合试件内、外叶预制墙板，原因可能是因为，预制墙板的混凝土强度高于现浇混凝土。由图可知，各试件破坏形态基本相同，都是叠合楼盖与剪力墙连接处混凝土脱落。

图2 各试件裂缝分布图

2.2 滞回曲线、骨架曲线及承载力

各试件的荷载-位移曲线及骨架曲线如图3所示，各试件滞回环形状相似、数量相同、滞回环无捏拢效应且较饱和；相较与试件DHD1和DHD2，试件DHD3滞回环最后一环饱和度有所下降，原因可能是因为，叠合楼盖两侧存在高差导致耗能能力降低。与现浇试件相比，叠合试件的承载力有所降低，原因在于预制墙板内外叶预制墙板不参与受力剪力墙厚度减小，承载力降低。试件破坏以后，叠合试件的承载力较现浇试件有所提高，原因可能是因为，桁架钢筋的连接加强了墙体的整体强度。峰值荷载后，现浇试件承载力下降速度明显比叠合试件快，说明桁架钢筋及竖向连接钢筋对试件的承载力存在一定影响。

图3 滞回曲线及骨架曲线

表3为试件特征荷载及位移，其中P为各试件不同状态下的水平荷载，△为各阶段水平荷载所对应的位移值。由表3可知。

表3 各试件特征荷载及位移

2.2.1 叠合试件与现浇试件峰值承载力有较大差异，相较与现浇试件叠合试件峰值承载力平均值分别下降13.28%、9.98%、11.29%，峰值承载力降低的原因在于预制墙板内外叶预制墙板不参与受力剪力墙厚度减小，承载力降低。相较与试件DHD2，试件DHD1、DHD3的峰值承载力分别降低3.66%、1.5%，说明增设附加钢筋和楼盖水平高差对试件峰值承载力有一定影响。

2.2.2 4个试件的py及△y分别接近，与其现浇试件平均值的最大相对偏差分别为11.52%、8.94%、13.76%；10.16%、11.11、16.19%。屈服荷载降低的原因在于叠合试件整体性较现浇试件差。

我问个中缘由，二叔便蹲在路边和我细细谈了起来。“今年我家的葡萄得了重病。”我一听便想，肯定是二叔家小气，舍不得用好药防治。

2.2.3 3个叠合试件延性的平均值为7.12，较现浇试件提高39.75%，叠合板式剪力墙墙板节点展现出良好的变形能力。

2.3 刚度

试件的割线刚度表达式如下：

式中：Fj为第j次循环最大的水平荷载；△j为第j次循环峰值荷载对应的位移。

由图4可知，叠合试件的初始刚度及刚度退化率均大于现浇试件。原因在于桁架钢筋增加了叠合试件的初始刚度，而预制板与现浇板接触面设置接触，整体性较现浇试件差。墙顶位移至20mm后，现浇试件与叠合试件的刚度退化曲线逐渐分离，原因在于，位移至20mm后，叠合楼盖上下叶开始剥离，试件的整体摩擦力减小，刚度曲线分离。

图4 刚度退化曲线

2.4 耗能能力

对于叠合板剪力墙墙板节点试件其耗能能力主要依靠混凝土与钢材之间的相对滑移、混凝土及钢材的塑性变形。图5为各试件耗能累计曲线，其中每一级累计耗能取加载一个循环所得正负荷载-位移曲线所包络面积之和，各试件的累计耗能随着水平位移增大而增强，

图5 各试件累计耗能曲线图

叠合试件的滞回耗能曲线基本位移现浇试件上方[7]。当水平位移至30mm时，各试件累计耗能分别为23.20×103kN·mm、23.61×103kN·mm、26.82×103kN·mm、26.90×103kN·mm试件DHD2的累计耗能较试件XJD提高13.51%，试件DHD3的累计耗能较试件XJD提高13.75%，叠合试件累计耗能提高的原因在于叠合试件节点连接区域增设附加钢筋提高了试件整体耗能能力。

图6 附加阻尼比求解示意图

各环附加有效阻尼比见表4。

比较表4可以发现，试件DHD1的每一环的耗能均略低于XJD，试件DHD2、DHD3的平均有效阻尼比较试件XJD提高0.71%、5.12%，耗能能力的提高原因在于墙板节点增设附加钢筋提高了试件的耗能能力。

表4 附加有效阻尼比

3 结束语

在0.1轴压比下，叠合板式剪力墙墙板节点与现浇剪力墙墙板节点试件破坏形态基本相同，均发生弯剪破坏。

叠合板式剪力墙墙板节点承载力平均值比现浇剪力墙墙板节点平均值分别低13.28%、9.98%、11.29%；屈服承载力平均值分别低11.52%、8.94%、13.76%；叠合板式剪力墙墙板节点初始刚度比现浇墙板节点大，但退化速率比现浇墙板节点试件快。

叠合板式剪力墙墙板节点延性系数均大于6，实际工程中，叠合板式剪力墙墙板节点区域建议采用增设附加钢筋塔接连接。