方膨膨

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108）

0 引言

在实际的工程应用中，因施工不规范、混凝土搅拌不均匀或材料问题等，会导致剪力墙节点区域出现混凝土强度达不到设计要求的情况，造成构件的刚度和强度被削弱，降低其承载能力，增大了结构变形概率。因此，对存在上述问题的剪力墙结构要采取合理可靠的加固措施。

目前，对剪力墙混凝土进行加固技术有增大截面加固法和置换混凝土法［1-2］。有学者采用置换混凝土加固法和增大截面加固法对剪力墙结构整体性能的影响进行研究，研究结果表明，置换混凝土加固法和增大截面加固法均能提高剪力墙的刚度。相比之下，增大截面加固法的加固效果更好［3］。目前，对剪力墙节点区域混凝土强度不足而采用钢板-约束拉杆进行加固的研究相对较少。因此，对钢板-约束拉杆加固剪力墙节点区域的剪力墙轴压性能的研究能有效解决现有剪力墙加固方法存在的缺陷，扩大钢板-约束拉杆加固法的应用场景。

1 有限元模型

本研究建立13个不同参数的钢板-约束拉杆加固剪力墙节点区域模型，并进行对比分析，有限元模型的建立包括定义材料的本构模型、部件组装、设置分析步长、施加荷载和边界条件等。

1.1 单元类型和网格划分

钢板-约束拉杆加固剪力墙节点区域的模型示意图见图1。约束拉杆采用双节点梁单元（B31）进行模拟，钢板采用四节点壳单元（S4R）进行模拟，混凝土采用八节点实体单元（C3D8R）进行模拟。根据网格的收敛性来分析结果，钢板的单元尺寸取边长为t/5的正方形，剪力墙和楼板的单位尺寸取边长为t/5的立方体，t为剪力墙厚度［4］。

图1 钢板-约束拉杆加固剪力墙节点区域

1.2 材料本构模型

本研究采用Q235B钢的钢板，约束拉杆的屈服强度为400 MPa。钢材的本构模型采用Zhong等［5］提出的单轴应力-应变模型（见图2）。

图2钢材应力-应变关系

图2 中，εy、fy分别为屈服拉应变和屈服强度；εu、fu分别为极限拉应变和抗拉强度；εp为应变强化起点处的应变。弹性模量Es和泊松比νs分别取为206 GPa和0.3。混凝土采用Yu等［6-7］提出的塑性损伤模型进行分析，本构模型采用Razvi等［8］提出的应力-应变模型（见图3）。图3中，fc0、εc0分别为混凝土的抗压强度和对应的应变；fcr、εcr分别为混凝土的抗拉强度和对应的应变。混凝土的弹性阶段泊松比νc为0.2，上下层剪力墙的混凝土的抗压强度fc0取40 MPa，节点区域的抗压强度fc0取25 MPa。

图3 混凝土应力-应变关系

1.3 边界条件及荷载

在模型的上方及下方分别设置两个参考点，分别与剪力墙的上下表面进行耦合，在上参考点上施加竖向位移，在下参考点上施加约束以约束剪力墙下表面所有的平动和转动自由度。钢板与剪力墙之间以及上下层剪力墙与节点区域之间均采用绑定连接的方式，约束拉杆嵌入到剪力墙的节点区域，并与钢板采用绑定连接的方式。

2 参数分析

2.1 模型参数

本研究建立的模型中剪力墙的长度和厚度分别为1 000 mm和250 mm、节点区域高度为500 mm、钢板厚度为5 mm。考虑到楼板与剪力墙的相互作用，在模型中加入楼板，其外伸长度为625 mm。变化的参数包括约束拉杆的直径d（10～25 mm）和水平间距s（100～200 mm）。所有模型的轴压峰值应力fm详见表1。在模型序号“SWd-s”中，d为约束拉杆的直径，s为约束拉杆的水平间距。其中，序号“SW-N”为未采取钢板-约束拉杆加固的纯剪力墙模型。

表1 模型参数

2.2 约束拉杆直径的影响

本研究对10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的约束拉杆直径对剪力墙轴压性能的影响进行研究。不同约束拉杆直径取值下的剪力墙轴压应力-应变曲线见图4，σ为应力、ε为应变。由图4可知，当约束拉杆的水平间距一致时，增大约束拉杆的直径能提高剪力墙的轴压性能。当s=200 mm时，d=10 mm对剪力墙的轴压性能基本没有影响，当d增加到15 mm后，剪力墙的轴压性能得到显著提升，且d分别为15 mm、20 mm和25 mm时的提升幅度相差不大。当s为100 mm和150 mm时，约束拉杆直径对剪力墙轴压性能的影响规律类似，以s=150 mm的模型为例，d=10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的剪力墙承载力分别提升了9.02%、24.46%、28.92%和30.66%。由此可以看出，d为15 mm、20 mm和25 mm时的提升幅度相差不大。在实际工程中取约束拉杆直径为15 mm较为合理。

选 取SW15-100、SW15-150和SW15-200模型，来分析约束拉杆的应力状态（见图5）。对不同约束拉杆间距的模型，当模型破坏时，约束拉杆均达到屈服强度，说明约束拉杆能较好地发挥对剪力墙的约束作用。

图5 模型破坏时的应力云图

2.3 约束拉杆水平间距的影响

本研究分析的约束拉杆的水平间距为100 mm、150 mm和200 mm。不同约束拉杆水平间距的剪力墙轴压应力-应变曲线见图4。由图4可知，随着约束拉杆水平间距的减小，剪力墙的受力性能显著提高。若约束拉杆的水平间距一定，约束拉杆的直径越大，减小同等约束拉杆水平间距大小对剪力墙的约束效果也越好。因此，当约束拉杆直径较小时，减小约束拉杆水平间距对剪力墙受力性能的提升效果较小；当约束拉杆直径较大时，减小约束拉杆水平间距后，剪力墙的受力性能得到明显提升。与纯剪力墙模型相比，当d=10 mm、s=200 mm时，新增钢板和约束拉杆对剪力墙的受力性能的影响可以忽略不计，当s=150 mm和100 mm时，剪力墙承载力提升了9.02%和21.37%；当d=15 mm时，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墙承载力分别提升了16.97%、24.46%和35.86%；当d=20 mm时，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墙承载力分别提升了22.52%、28.92%和41.86%；当d=25 mm时，s=200 mm、150 mm和100 mm的剪力墙承载力分别提升了24.97%、30.66%和44.73%。

图4 约束拉杆直径对剪力墙应力-应变曲线的影响

3 结论

本研究对使用钢板-约束拉杆加固的剪力墙节点区域的剪力墙轴压性能进行有限元分析，得到了以下结论。①剪力墙的承载力和延性随着约束拉杆直径的增大而提高。由于d为15 mm、20 mm和25 mm时的提升幅度相差不大，综合考虑经济效益和加固效果，在实际工程中取约束拉杆直径为15 mm较为合理。②所有带约束拉杆有限元模型的约束拉杆均达到屈服强度，这说明约束拉杆能较好地发挥对剪力墙的约束作用。③剪力墙的承载力和延性随着约束拉杆的水平间距减小而提高，且当约束拉杆直径较小时，减小约束拉杆的水平间距对剪力墙受力性能的提升效果较小；当约束拉杆直径较大时，减小约束拉杆水平间距后，剪力墙的受力性能的提升效果较为明显。

图6 约束拉杆水平间距对剪力墙轴压应力-应变曲线的影响