预制装配式剪力墙结构及其连接技术分析

崔贵玲 （青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

1 工程概况

该建筑项目总高21.0m，共9 层（地面7 层），该项目的主要目的是居住；该工程的安全性为2 级，采用剪力墙体，其结构的设计参考寿命为50 年；该房屋的抗震等级为C级，沈阳市的设防等级为7级，按设计的震级划分为一组、II 级，基础风压为0.55 KN/m2。

本文研究了采用约束浆锚固连接的预拼式组合剪力墙结构，模型分别为SW-1、SW-2。2 片装配式拼板剪力墙加载梁、剪力墙、地梁等构件的大小都是一样的。其中SW-1 现浇混凝土剪力墙，SW-2采用约束浆锚杆进行组合。

2 有限元试验模型建立

由于基础梁是结构的一种固定结构，所以以结构的底板为静止端点[1]，以3 个转动限制和3 个平动限制条件对底板6 个自由度进行限制，也就是Encastre 限制方式。剪力墙板的上侧与承荷梁相接，下侧壁面由拉杆与底梁相接。每一部分的钢筋均埋在墙体内（不计粘合滑动）。采用此方法，刚度位移只依赖于墙体的连结。由于受力不均，在受力不均衡的情况下，剪力墙应先在其上加垂直荷载。

利用ABAQUS 将垂直载荷转化为均匀分布的载荷并对其进行了分析[2]。在此基础上，通过软件设置连接参考点，将横向力作用于墙体上，以避免由于数值的不正常而引起的非收敛性。在分析破坏力时，通常会发现，网格密度愈大，其计算结果愈准确。对于一般的材料，也存在相似的观点。

图1 有限元模型

3 装配式新型钢筋连接剪力墙受力性能分析

3.1 破坏形态分析

对于预制剪力墙，其整体部位存在大量的接缝，且接头对整个构造的失效形态具有显著的作用[3]。如果接头的强度好，则墙体将呈现出与传统的现浇剪力墙相同的受压破坏形式。当接头性能不好时，就不能保证整个组合剪力墙的受力。另外，在工程实践中，接头部位的过早破坏是一种非常态破坏形式，因此，在工程实践中应尽量避免。

3.1.1 SW-1破坏形态分析

从图2 可以看出，在钢筋混凝土结构中，混凝土结构的损伤最先出现在钢筋混凝土柱的根部，并沿着钢筋混凝土的底部向45°延伸；外加荷载对现浇混凝土剪力的影响，其破坏部分逐渐增加，并逐渐向加载后期发展；整体开裂的范围会持续扩大，但不会向上，而剪力墙的破坏则集中在中部的1/2 墙高度[4]。现浇混凝土的粘结部位处于完全固结状态，因此，在横向荷载的反复加载下，尽管这一段的压力会持续增大，但其最大的塑性变形并未在该处发生。

图2 SW-1应力云图

3.1.2 SW-2 破坏形态分析

从图3 可以看出，采用约束浆锚固的新型组合剪力墙结构，在荷载初期并未出现明显的改变，但随着荷载的持续，整体破坏首先出现在梁-剪力墙的连接点，整体剪力墙与地梁的连接点和下侧剪力墙的连接点都受到了拉伤[5]。而且随着荷载的不断增大，产生了一种贯穿缝，裂纹呈45°向上扩展，破坏的位置在剪力墙的下半部分。但由于连接构件的加固，整体上、下墙板板的裂纹在连接部位不会继续延伸，在连接部位的两侧都存在破坏区，而在连接部位的上部则是应力最大的部位。在这种情况下，采用约束浆锚固结合的方法，实现了强度节点弱板的设计思路。

图3 SW-2应力云图

3.2 剪力墙骨架曲线

通过对骨架曲线的比较，结果表明，用数值模拟得到的骨架曲线与实验结果基本一致。在墙体发生裂缝之前，根据数值仿真结果与实验仿真结果进行了比较（图4），结果表明前者明显高于后者，且其弹性系数亦相同。这是由于在有限元计算时，将混凝土视为理想材料，但在实际应用中，由于混凝土整体材料分布是不规则的，所以在整个实验中，都会出现一些不同的情况。通过对该方法的研究，发现在有限元计算和实验分析中所得到的结论相差不大，因此，该模型是可行的，可以作为一种在地震中进行剪切应力计算的模型。

图4 剪力墙骨架曲线模拟与试验结果对比

在荷载初期，SW-1 和SW-2 的骨架曲线都是线性的，在这段时间内，各个构件都是弹性的，而随着横向位移的持续增加，它们的承载力也会增加；在荷载达到最大载荷后，其刚度逐步降低，进入弹塑性阶段；在载荷最大的时候，由于混凝土破坏程度的增加，使得更多的混凝土不再能承载荷载而进入塑性期，此时试件的承载能力就会下降，骨架曲线开始向下移动。在有限元分析中，由于受钢筋本构关系的限制[6]，不能较好地反映出混凝土在颈缩期乃至断裂后的受力衰减过程，因而在后期出现了较为平稳的曲线，且不存在较大的下降。在此基础上，可以看到，当水平变形增大后，剪力墙的混凝土结构将会迅速被破坏，随后，受力作用于钢筋，使得其承载力再次增大；后期主要是靠钢筋来承受荷载，虽然具有很高的承载率，但仍然存在脆弱性，无法与钢筋相结合；断裂形态趋向于剪切断裂。

通过对SW-1 和SW-2 的骨架曲线进行比较（图5），可以看出组合剪力墙与现浇混凝土剪力墙的结构变化趋势基本一致。采用约束浆锚固搭接的新型预应力混凝土组合剪力墙结构的骨架曲线趋势可划分为三个阶段，第一阶段处于弹性阶段，整体趋势较为平稳[7]，当荷载持续增大时，剪力墙进入弹塑性阶段，剪力墙将会出现裂纹，当承载力达到最大值时，剪力墙的裂纹就会越来越多，使其不能正常工作且刚度缓慢下降，在最大负荷下，混凝土不再工作，然后进入塑性阶段，钢筋断裂，骨架曲线将进入一个下降的阶段。

图5 骨架曲线对比图

3.3 滞回曲线分析

滞回曲线以受力点为坐标，通过反复载荷作用，把受力和相应的变形结合起来，构成一条环状的曲线。对于滞回曲线来说，它不仅可以根据地震来判定建筑物的抗剪强度，还可以做出相应的判别结果。根据位移的控制方法，采用了一种低周反复荷载的方法，使其在整体进入弹性状态以后，可以对其进行相应的处理，最后得出滞回曲线。

在进行有限元数值仿真时，由于考虑到混凝土和钢筋的相互作用导致了混凝土和钢筋的相互滑动，两者的接触被视为坚固状态。同时，由于对钢筋的包兴格作用的影响比较理想，所以不能准确反映受荷时的钢筋破坏。因此，在滞后曲线中没有发生“捏合”现象。

图6 为滞回曲线对比图。SW-1 和SW-2 的滞回曲线表明，SW-1 和SW-2 的滞回曲线均为平滑滞回曲线，且其正向和反向基本对称。SW-1 和SW-2剪力墙在初始状态下都是一条直线，但并没有发生刚性衰减，当SW-1 和SW-2 剪力墙从弹性阶段到屈服阶段，滞回曲线不再是一条直线。在受力作用下，SW-1和SW-2两层墙体出现了塑性变形，使整体的滞回线出现了挠曲变形，最终在卸荷过程中产生了一定的残余应力，并使整体的滞回区逐渐增大。当位移持续增加时，两个剪力墙所承受的水平力也会达到最大，而滞回环的面积会持续增大，直至发生断裂，因此，结构的损伤增加，刚性下降。通过SW-1 和SW-2 两种墙体的比较，表明SW-2 型墙体的承载量下降速率要比SW-2大得多。而且SW-2的滞回特性曲线整体覆盖范围大于SW-1，这表明采用约束泥浆锚固方式的组合剪力墙结构要优于现浇混凝土剪力墙。

图6 滞回曲线对比图

3.4 刚度分析

刚性反映了受压后，结构由裂纹向极限方向发展的变化反映了结构的抗拉强度。在结构产生裂纹至临界变形期间，由于损伤的积累，使得结构的变形性能下降，从而产生刚性衰减。

SW-1和SW-2刚性图形的变化趋势类似（图7），均是在荷载位移持续增加时，刚性下降，斜率下降，因此刚性衰减的趋势明显减弱。结构初始为弹性阶段，整体曲线接近于一条直线，整体刚度衰减不显著且随构件进入弹塑性阶段；刚性衰减程度逐步变得明显，整体曲线呈现出明显的降低趋势；在此基础上，各构件最终进入塑性期，其刚度的劣化更为显著。通过对SW-1 和SW-2 的刚度衰减曲线的对比，发现SW-1 和SW-2 的刚度衰减曲线呈现出明显的降低趋势，但SW-2 的衰减趋势比SW-1 降低的幅度要小，表明SW-2 对刚性的衰减有明显的抑制作用。通过对SW-2 和SW-1 进行对比，发现SW-2 的刚度衰减系数明显高于SW-1。因此，采用约束浆锚杆进行垂直连接的预制剪力墙结构在约束承载力退化方面表现出更好的优越性。

图7 骨架退化曲线对比图

4 结论

采用约束浆锚固结合的预制剪力墙在承载力和耗能方面比现浇混凝土更好、刚性比现浇混凝土要差，而采用约束浆锚固的预制拼装剪力墙的刚性在允许范围内。分析现浇混凝土剪力墙与垂直连接采用约束浆锚固结合的组合剪力墙，结果表明，钢筋混凝土组合剪力墙受力衰减的约束效果明显优于钢筋混凝土剪力墙。综合考虑，采用约束浆锚杆的垂直连接组合剪力墙，其抗震储备能力和性能与现浇混凝土剪力墙相当。