灌浆套筒连接装配式剪力墙抗震性能有限元分析

张东升，董锦坤，李 茜

灌浆套筒连接装配式剪力墙抗震性能有限元分析

张东升1，董锦坤1，李 茜2

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.中交路桥北方工程有限公司，北京 100000）

基于国内学者提出的新型剪力墙边缘构造，建立了一种减少灌浆套筒接头个数的装配式剪力墙。在使用通用有限元分析软件ABAQUS验证了材料参数和建模方法的可行性后，建立了该灌浆套筒装配式剪力墙的有限元模型，通过改变轴压比、高宽比、纵筋强度3种参数，分析其对抗震性能的影响。结果表明，增大轴压比可以提高剪力墙的承载力和初始刚度；增大高宽比却会降低剪力墙的承载力与初始刚度；使用高强度钢筋作为纵筋虽然可以提高剪力墙的承载力，但是初始刚度的变化不明显。

灌浆套筒连接；有限元分析；参数分析；抗震性能

传统的现场现浇混凝土施工方式在实际施工过程中暴露出噪声大、材料利用率低、环境污染严重等诸多弊病。剪力墙作为主要受力构件，主要承担风荷载和地震作用引起的水平荷载，是抗震结构最重要的组成部分。装配式剪力墙如今也在世界范围内得到广泛应用。

墙体底部与底梁水平接缝连接方式主要有灌浆套筒连接、螺栓连接、后浇带连接、水平浆锚连接等，其中灌浆套筒连接应用最广泛，国内外学者对灌浆套筒连接性能及灌浆套筒剪力墙都进行了相应的研究。东南大学研发出一种变形钢管套筒，通过单向拉伸和反复拉压试验研究新型套筒连接的可靠性，试验结果表明，新型套筒制作的接头承载力主要取决于钢筋和套筒抗拉强度的最小值、钢筋与灌浆料的黏结强度，且套筒的内腔构造也对接头的承载力有影响，增加内腔的环肋数量和凸起高度可提高接头的承载力，但是随着环肋数量和凸起高度的增加，接头的连接性能的提升不再明显[1-2]。余琼等[3]对2种使用新型套筒连接的预制剪力墙进行拟静力试验，并与现浇剪力墙的试验结果进行对比分析，认为预制剪力墙的承载能力和现浇剪力墙相当，虽然延性略差，但是耗能能力比现浇构件更优；2种套筒都可以有效传递应力；预制构件的破坏主要集中在套筒部位的上部，而现浇构件则集中于两侧的根部。Soudki等[4]通过试验对比了挤压套筒与灌浆套筒连接节点的性能，试验结果表明，挤压套筒连接的承载力比灌浆套筒连接低大约25%，变形能力也不及灌浆套筒连接。Seo等[5]研发出一种将套筒安置在水平接缝以下的HSS套筒，对使用HSS套筒制作的接头进行拉伸试验，试验结果表明，无端头的试件在屈服前发生了脆性破坏，而端头尺寸合适的试件则表现出足够的延性，并在端部出现钢筋破坏。

灌浆套筒连接虽然应用广泛，但是对安装精度要求较高，单根造价较昂贵，所以在保证墙体承载力符合规范要求的情况下，减少套筒数量成为研究的重点。本文基于清华大学韩文龙等[6]提出的新型剪力墙边缘构件配筋构造的基础上，建立了一种减少套筒个数装配式剪力墙模型，使用ABAQUS软件建立模型，通过改变相关参数对剪力墙的抗震性能进行分析。

1 有限元模型的验证

1.1 试件概况

选取验证试验的模型为文献[7]中的试件TTQ。墙身长1 400 mm；厚度200 mm；高度2 800 mm，墙身底部有20 mm的座浆层。墙身内配置的钢筋均为HRB400，混凝土强度等级为C40，标准试块强度42.1 MPa。试件顶部轴向压力为970 kN，轴压比0.3，高宽比2.0，采用位移控制加载。

1.2 有限元模型建立

混凝土及座浆层的应力-应变曲线按《混凝土结构设计规范》选取，本构采用混凝土塑性损伤模型，混凝土泊松比为0.2，弹性模量按《混凝土结构设计规范》中的公式计算。钢筋和套筒本构均采用双折线模型，钢筋的弹性模量取2.0×105N/mm2，套筒的弹性模量取2.06×105N/mm2，泊松比均为0.3。模型采用分离式建模，将加载梁、剪力墙、底梁等部件分别建模，之后再装配模块将所有的部件装配在一起。单元类别选择上，加载梁、剪力墙和底梁均采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元，套筒采用S4R壳单元。建立的模型如图1所示。

图1 有限元模型

1.3 验证结果分析

图2为试验和模拟得出的骨架曲线对比，由图可知，模拟结果与试验结果拟合情况较好。骨架曲线与试验相比在于到达峰值点后下降段不明显，这是因为在模拟的后期，无法较好地模拟出墙角处混凝土破碎导致的承载力下降。模拟结果得出的峰值荷载为402.08 kN，与试验得出的峰值荷载407.00 kN之间的误差为-1.21%，误差绝对值在10%以内，充分说明了所建立的模型和材料参数的选取是可行的。

图2 骨架曲线对比

2 剪力墙设计

文献[6]提出的剪力墙边缘构件的构造如图3所示。此类构造适用于长度不大于400 mm的剪力墙边缘构件。构件的内侧配置4根10 mm的HRB400钢筋，均在墙底部断开，4根钢筋中部配置1根20 mm钢筋，使用接头连接并深入到底梁内，边缘处配置2根使用钢筋接头连接的受力钢筋。

基于前面提出的新型剪力墙边缘构造，设计出如图4所示的预制灌浆套筒剪力墙。

3 剪力墙参数分析

影响灌浆套筒剪力墙抗震性能的影响有钢筋的强度、混凝土强度等级、底部座浆层的厚度等。本节选取轴压比、高宽比、纵筋强度3种参数，通过有限元模拟的方式，研究这3种参数对灌浆套筒剪力墙抗震性能的影响。

3.1 加载方式

对模型施加2种荷载：一种是在剪力墙加载梁的顶部施加大小为970 kN的竖向荷载，另一种是水平方向施加往复荷载，位移加载制度如表1所示。

表1 水平位移加载制度

加载位移/mm循环次数 32 62 92 122 182 242 302 362 422 452 482 512 542 602

3.2 轴压比对抗震性能的影响

轴压比的定义为轴向压力与墙体截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，对剪力墙构件的承载能力、刚度等指标的影响不可忽视。本节分别取轴压比为0.2、0.3、0.4，比较3种轴压比下灌浆套筒剪力墙的抗震性能。

3.2.1 轴压比对承载能力的影响

3种轴压比下试件的骨架曲线如图5所示。由图可以看出，轴压比对试件承载力有一定的影响，轴压比越大，试件的承载力随着轴压比的增大而增大，且随着轴压比的增大，试件在达到峰值荷载后，承载力下降的幅度也更明显些。

图5 不同轴压比的骨架曲线

3.2.2 轴压比对刚度的影响

刚度是衡量构件抵抗变形能力的重要指标，也是体现构件抗震性能的一个重要指标。3种轴压比下试件的刚度退化曲线如图6所示。可以发现，试件的初始刚度与轴压比呈正相关。3条曲线的变化趋势基本一致，都是在初始阶段刚度退化明显，在加载的后期阶段趋于平稳；轴压比越大，初始刚度也越大。

图6 不同轴压比的刚度退化曲线

3.3 高宽比对抗震性能的影响

高宽比的不同会导致墙的受力情况发生较大变化，随着高宽比的增大，剪力墙受弯的比重会增加。本节通过设计高宽比为1.5、2.0、2.5的剪力墙，通过有限元模拟，对比3种高宽比下灌浆套筒剪力墙的承载力和刚度的变化规律。

3.3.1 高宽比对承载能力的影响

不同高宽比下装配式剪力墙的骨架曲线如图7所示，可以发现相比于轴压比，高宽比对剪力墙的承载力能力的影响更显著，在高宽比为1.5时，峰值荷载超过了500 kN，但是承载力在达到峰值之后，承载力的下降幅度相比于另外2个高宽比较小的剪力墙更大。而高宽比为2.0和2.5的剪力墙，峰值荷载仅在420 kN和350 kN左右。

图7 不同高宽比的骨架曲线

3.3.2 高宽比对刚度的影响

图8为3种高宽比的刚度退化曲线。3条刚度退化曲线变化趋势都是相似的。高宽比为1.5的剪力墙试件初始刚度最大，超过了120 kN/mm，高宽比为2.5的剪力墙试件初始刚度大约为50 kN/mm，但是刚度退化的趋势相比于其他2个会稍缓和一些。所以，剪力墙的高宽比是影响抗震性能的重要因素之一，实际工程中，在墙体长度不变的情况下，应控制墙体的高度，墙体过高，承载能力、刚度都会有所降低。

图8 不同高宽比的刚度退化曲线

3.4 纵筋强度对抗震性能的影响

剪力墙的纵向钢筋也是影响剪力墙抗震性能的重要因素。本节通过分析纵向钢筋类型为HRB335、HRB400、HRB500的3种剪力墙，对比3种纵筋强度下灌浆套筒剪力墙的承载力的变化规律。

3.4.1 纵筋强度对承载能力的影响

不同纵筋强度下装配式剪力墙的骨架曲线如图9所示，由图可知，纵筋强度对剪力墙承载力有一定影响，钢筋强度越高，承载力越大，纵向钢筋分别为HRB335、HRB400时的峰值承载力大约为380、420 kN，增幅相较于HRB335增加了约10.52%，纵向钢筋为HRB500时峰值承载力大约是430 kN，增幅相较于HRB400增加了2.38%，可以看出峰值承载力提高的幅度随着纵向钢筋强度的增加而有所降低，且3条骨架曲线的变化趋势基本一致。

图9 不同纵筋强度的骨架曲线

3.4.2 纵筋强度对刚度的影响

图10为3种纵筋强度的刚度退化曲线。通过刚度退化曲线不难发现，当剪力墙的纵向钢筋强度不同时，初始刚度基本没有变化，3种纵筋强度的刚度退化曲线形状上无明显区别。

图10 不同纵筋强度的刚度退化曲线

4 结论

首先通过使用ABAQUS软件，验证了剪力墙材料参数和建模方法的可行性，再通过ABAQUS建立了灌浆套筒剪力墙的有限元模型，通过分析轴压比、高宽比、纵筋强度3种参数对灌浆套筒剪力墙抗震性能的影响，得出以下结论。

(1)本文采用的材料参数和单元的选取都是可行的，模拟结果与试验基本吻合。

(2)轴压比对承载能力和初始刚度都有一定的影响，两者都与轴压比呈正相关；轴压比越大，骨架曲线的下降段会更明显；刚度退化曲线的趋势基本一致。

(3)高宽比也是影响剪力墙抗震性能的因素之一，且影响的幅度比轴压比更大；高宽比越小，承载能力和初始刚度越大，但是小的高宽比会让剪力墙承载力的下降幅度在到达峰值后变快。实际工程中，在墙体长度不变的情况下，应控制墙体的高度，以免造成承载力和刚度不足的现象。

(4)纵筋强度对剪力墙的承载力有一定的影响，纵筋强度大，相应的承载力也会增大，但是随着强度的提高，这种增加的幅度会减小；纵筋强度对剪力墙的初始刚度影响不大。

(5)本文提出的灌浆套筒剪力墙减少了套筒接头的个数，可以降低灌浆套筒剪力墙的施工难度，同时减少造价，有一定的实用价值。

[1] 郑永峰. GDPS灌浆套筒钢筋连接技术研究[D]. 南京: 东南大学, 2016.

[2] 郑永峰, 郭振兴, 张新. 套筒内腔构造对钢筋套筒灌浆连接黏结性能的影响[J]. 建筑结构学报, 2018, 39(9): 158-166.

[3] 余琼, 孙佳秋, 许雪静, 等. 钢筋套筒灌浆搭接连接的预制剪力墙抗震试验[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2018, 46(10): 1348-1359, 1373.

[4] Soudki K A, Rizkalla S H, LeBlanc B. Horizontal Connections for Precast Concrete Shear Walls Subjected to Cyclic Deformations Part 1：Mild Steel Connections[J]. PCI Journal, 1995, 40(4): 78-96.

[5] Seo S Y, Nam B R, Kim S K. Tensi-le Strength of the Grout-filled Head-splice-sleeve[J]. Construction and Building Mat-erials, 2016, 124: 155-166.

[6] 韩文龙, 赵作周, 肖明. 新型配筋构造预制剪力墙受力性能及成本分析[J]. 建筑结构, 2019, 49(11): 14-19.

[7] 廖东峰. 竖向钢筋不同连接方式的装配式钢筋混凝土剪力墙抗震性能[D]. 重庆: 重庆大学, 2016.

Finite Element Analysis of Seismic Performance of Precast Shear Wall Connected by Grouting Sleeves

ZHANG Dong-sheng1, DONG Jin-kun1, LI Qian2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.North Engineering Company, China Communication Construction of Road and Bridge Co, Ltd, Beijing 100000, China）

An innovative boundary element of precast shear wall was proposed by domestic scholar, a precast shear wall with grouting sleeves that decrease the number of grouting sleeve joints was established. The feasibility of material parameters and modeling methods was verified by using ABAQUS. The finite element model of precast shear wall with grouting sleeves was established. The influence of axial compression ratio, height-width ratio and the strength of longitudinal bars on seismic performance was analyzed by changing three parameters. The results indicate that increase of the axial compression ratio can improve the bearing capacity and initial stiffness of shear walls and increase of the aspect ratio will reduce the bearing capacity and initial stiffness of the shear wall. Although use of high-strength steel bars as longitudinal bars can improve the bearing capacity of shear walls, the change in initial stiffness is not significant.

grouting sleeve connection; finite element analysis; analysis of parameters; seismic performance

10.15916/j.issn1674-3261.2023.02.008

TU352.1

A

1674-3261(2023)02-0113-05

2022-08-25

辽宁省专业学位研究生联合培养示范基地项目

张东升(1997-)，男，安徽合肥人，硕士生。

董锦坤(1969-)，男，辽宁凌海人，教授，博士。

责任编辑：孙 林