带倒坡设计的环筋扣合锚接剪力墙承载力有限元分析

2023-08-18郭凌凯徐红玉刘丰军

四川水泥 2023年8期

郭凌凯徐红玉刘丰军

（河南科技大学，河南洛阳 471000）

0 引言

为适应建筑产业升级的需要，装配式建筑的应用越来越受到重视[1-2]。我国的装配式建筑主要以剪力墙结构为主，其水平拼缝处的节点连接已成为工程研究的热点[3-7]。其中钱稼茹等[8-9]通过拟静力试验研究了竖向钢筋灌浆套筒连接的预制剪力墙的抗震性能，结果表明，套筒连接可有效传递应力，性能良好；焦安亮[10]等通过对环筋扣合锚接剪力墙试件进行了拟静力加载试验，研究表明：环筋扣合锚接的剪力墙承载力、耗能、刚度退化和变形能力均与现浇剪力墙基本一致。

虽然装配式剪力墙的连接方式各具优势，但也有相应的缺陷。例如：灌浆套筒连接造价高，对施工精度要求高；浆锚搭接在装配时难度较大；环筋扣合锚接造价和施工难度都较低，但存在后浇区混凝土浇筑不密实等问题[11]。

为了提高环筋扣合锚接后浇区浇筑质量，避免浇筑不密实等问题，工程实践中采用外墙板接缝处倒坡设计，使用自密实混凝土浇筑的方法，经现场试验，达到了较好效果。

本文针对带倒坡设计的环筋扣合锚接剪力墙，设计五组不同坡度的构件，通过有限元软件分析其承载能力，以期对工程设计和施工提供指导和借鉴。

1 有限元模型

1.1 构件设计

选取以压弯构件为主的剪力墙作为研究对象，截面形式为“一字型”，其尺寸及配筋构造见图1所示，混凝土强度等级均采用C30，钢筋均采用HRB400。后浇区高度为150mm，倒坡坡度分别为5%、10%、15%、20%、25%，构件名称分别为SW-5、SW-10、SW-15、SW-20、SW-25，以坡度为0作为参考构件SW0。

图1 剪力墙构件几何信息（以15%坡度为例）及配筋示意图

1.2 材料本构关系

采用ABAQUS软件进行有限元分析，其中混凝土采用塑性损伤模型（Concrete Damage Plasticity），钢筋的本构模型采用规范推荐的双折线模型。

1.3 有限元模型建立

在建模时，分别建立混凝土和钢筋实体模型，通过将钢筋嵌入（Embedded）混凝土单元内部，使两者共同受力，共同变形，不发生相对位移。混凝土采用实体二次缩减积分单元C3D8R，钢筋采用T3D2桁架单元模拟，对于预制剪力墙与后浇区混凝土接触面的相互作用关系采用面-面接触，其切向行为定义为摩擦模拟，摩擦系数μ=0.6；法向行为定义为“硬”接触。

加载梁和基础地梁与剪力墙采用“Tie”连接，通过对加载梁施加竖向位移进行加载。

1.4 有限元模型验证

本文建立文献[10]的装配式环筋扣合剪力墙拟静力试验的构件（D16-HK-1，墙体纵向分布钢筋直径为Φ16，预制混凝土等级为C40，后浇混凝土等级为C45；）进行有限元模拟计算，并与试验结果进行对比，发现两者破坏形态、拉压损伤、应力分布状况及骨架曲线和刚度退化曲线基本一致（见图2、图3所示），验证了有限元模型的建模方法、材料本构关系、边界条件、相互作用、网格划分技术及计算方法的可行性。

图2 骨架曲线对比

图3 刚度退化曲线对比

2 有限元结果分析

2.1 不同倒坡设计的剪力墙承载力分析

通过对不同倒坡设计的剪力墙进行加载分析，考察其承载能力。通过荷载位移曲线（见图4所示）可以看出，SW5、SW10 承载力和极限承载力与SW0 一致，约为7200kN；随着倒坡坡度的增大，SW15、SW20、SW25承载力逐步降低，分别为6740kN、5680kN、5190kN，降低比例分别为6.39%、21.11%、27.92%。

图4 不同倒坡坡度剪力墙荷载位移曲线

2.2 不同接触面摩擦系数的剪力墙承载力分析

以SW15构件为例，通过改变预制和后浇区混凝土接触面摩擦系数来研究其对剪力墙承载力的影响，如图5所示，随着摩擦系数变大，SW15剪力墙构件承载力提高明显，其中，当接触面摩擦系数为0.2时，剪力墙构件的承载力与摩擦系数为0.6时一致。

图5 不同摩擦系数剪力墙荷载位移曲线

2.3 后浇区不同混凝土强度的剪力墙承载力分析

以SW15为例，分别研究后浇区混凝土强度等级为C30、C35、C40和C45四种工况下剪力墙墙体的承载力，如图6 所示。当后浇区混凝土强度等级提高至C35、C40、C45时，剪力墙墙体承载力基本保持不变。

图6 不同混凝土强度剪力墙荷载位移曲线

2.4 不同竖向钢筋直径剪力墙承载力分析

通过改变剪力墙竖向钢筋直径，研究钢筋直径为Φ8mm、Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm四种工况下剪力墙的承载力，如图7所示，随着竖向钢筋直径的增加，其承载力也相应增加，分别为6740kN、6915kN、7200kN、7522kN。与竖向钢筋直径为Φ8mm 的构件相比，竖向钢筋直径为Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm 的承载力增加比例分别为2.6%、6.82%、11.6%，影响不明显。