浆锚连接装配式剪力墙空间结构模型数值模拟
0 引言
装配式剪力墙在我国顺利推广必须具有可靠的抗震性能。浆锚搭接连接可实现钢筋内力的有效传递
1 装配式剪力墙空间结构模型低周反复加载试验
1.1 试验概况
试验构件取自某高层住宅试点工程。该试点工程地面以上共32层, 其中底部5层为现浇剪力墙结构, 6层及以上采用装配式剪力墙结构, 试验构件取自该结构的第6, 7层。根据前期完成的试点工程结构抗震性能数值分析结果, 选取如图1所示关键剪力墙构件及与之相连的连梁和楼板形成装配式剪力墙空间结构模型。试点工程和空间结构模型均采用改进型浆锚搭接连接形式, 前期针对改进型浆锚搭接连接开展的试验测试已经验证了该连接的可靠性
图1 空间结构模型剪力墙构件位置示意Fig.1 Location of shear wall components in spatial structure model
1.2 空间结构模型的破坏特征 (见图3～5)
1) 空间结构模型1, 2层的装配式叠合连梁均在梁端发生严重破坏, 连梁中部无明显开裂。
2) 装配式剪力墙墙肢裂缝为弯剪裂缝, 裂缝集中于空间结构模型的第1层。
3) 装配式剪力墙的破坏、腹板边缘的混凝土压碎、腹板边缘纵向连接钢筋在坐浆层位置拉断均集中在空间结构模型的第1层底部, 第2层基本完好, 未发生明显破坏。
图2 加载装置Fig.2 Loading device
图4 连梁开裂Fig.4 Cracking of coupling beams
4) 装配式剪力墙的破坏、纵向连接钢筋的拉断集中在坐浆层, 未发生浆锚搭接连接件失效现象, 验证了改进型浆锚搭接连接的性能可靠。
2 空间结构有限元模型
2.1 模型尺寸
空间结构有限元模型仍为原结构的1∶2缩尺比例模型, 采用与试验模型相同的尺寸和配筋。各构件配筋情况如表1所示, 尺寸如图6所示。
2.2 荷载模拟
水平方向采用单向推覆加载, 加载点与空间结构模型试验加载相同, 位于图7所示第2层外部横向连梁中间RP-1位置。施加竖向力为2 400kN, 在空间结构有限元模型顶部加载梁上施加大小为15.6N/mm2的力。
图3 各墙肢外面裂缝分布Fig.3 Crack distribution outside every wall limb
图5 各墙肢底部整体破坏情况Fig.5 Overall failure condition of every wall limb bottom
表1 各预制构件配筋情况Table 1 Reinforcement of precast components
mm
图6 空间结构有限元模型尺寸Fig.6 Finite element model sizes of spatial structure
2.3 材料应力-应变关系
混凝土材料应力-应变本构模型采用混凝土损伤模型, 参数根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015版) 进行确定
图7 空间结构模型加载模拟Fig.7 Loading simulation of spatial structure model
2.4 拼缝模拟
1) 拼缝界面混凝土摩擦
采用面-面接触单元的切向行为模拟拼缝界面摩擦, 即当界面剪切力小于临界剪切力时, 界面无滑移;当界面剪切力达到临界剪切力时, 界面之间即产生相对滑动, 滑移过程中界面剪切力保持为临界剪切力不变。拼缝临界剪切力为竖向压力与拼缝界面摩擦系数的乘积, 摩擦系数取0.4
2) 拼缝界面混凝土挤压与脱开
面-面接触的法向行为采用“硬”接触, 即当2个接触界面的间隙为0时, 接触面产生挤压作用, 而当2个接触单元间的挤压力为0或负值时, 2个接触面分离形成开口位移。
3) 纵向连接件与混凝土的轴向相互作用
根据试验观测得到空间结构模型的试验破坏特点可知, 试验过程中未发生浆锚搭接连接件的失效破坏, 故数值模拟中忽略纵向连接钢筋和混凝土的轴向相互作用, 钢筋采用“内置区域”进行模拟。
4) 纵向连接钢筋销键剪切作用
纵向连接钢筋在装配式拼缝位置承受销键剪切作用。数值模拟中仅对穿过拼缝的纵向连接钢筋采用beam单元进行模拟, 而其他钢筋采用truss桁架单元。
试验过程中空间结构模型剪力墙的破坏集中于1层, 故空间结构有限元模型仅对以下3种拼缝采用接触单元:1层墙体-底座拼缝、墙体-叠合连梁拼缝及叠合连梁-叠合楼板拼缝。
2.5 单元类型
混凝土采用八节点六面体线性减缩积分单元C3D8R。穿过接触面的纵向连接钢筋采用B31两节点空间线性梁单元, 其余钢筋均采用T3D2桁架单元。
3 数值模拟结果
3.1 承载力和位移
数值模拟和试验实测所得荷载-位移曲线如图8所示。
图8 荷载-位移曲线Fig.8 Load-displacement curves
1) 有限元模型的极限承载力与试验承载力较接近。有限元计算极限承载力为927.1kN, 试验实测正向承载力为1 042kN, 反向承载力为946.1kN, 有限元计算承载力与实测平均承载力的相对误差仅为-6.7%。采用《混凝土结构设计规范》规定的剪力墙承载力计算方法得到的空间结构模型抗弯承载力为767.6kN, 有限元数值模拟结果高出公式计算承载力的20.7%。
2) 有限元荷载-位移曲线与试验荷载-位移骨架曲线在位移方面存在较大差别。试验荷载-位移曲线的加载峰值点位移较小 (正向33.34mm, 反向27.34mm) , 且达到加载峰值点后承载力明显降低, 而有限元峰值点处的位移较大 (52.8mm) , 且峰值点后承载力未出现明显下降。这主要因为试验采用低周反复加载, 混凝土的塑性发展较单向推覆加载更充分, 并且真实结构存在钢筋拉断现象, 而有限元模型钢筋采用二折线本构, 无法模拟钢筋拉断。
综上可知, 有限元模拟的承载力与试验实测承载力数值相符, 但变形结果差异较大。
3.2 应力
1) 混凝土应力分布极限荷载作用下, 有限元模型的混凝土应力分布情况如图9所示。装配式剪力墙墙肢的内力分布为弯剪受力分布:墙肢底部受压区的混凝土承受较大压应力, 而随着墙肢高度的增加, 弯矩减小并且剪切作用逐渐明显。根据T形截面剪力墙翼缘拉压受力状态的不同, 剪力墙应力分布存在明显差异:C墙肢/D墙肢的最大应力值和应力分布范围均大于A墙肢/B墙肢。
图9 混凝土应力分布 (单位:Pa) Fig.9 Stress distribution of concrete (unit:Pa)
2) 钢筋应力分布A墙肢/B墙肢和C墙肢/D墙肢钢筋Mises应力分布情况如图10所示, 由图10可知:A墙肢/B墙肢中, 腹板外边缘受压钢筋应力出现在靠近拼缝的部位, 而由于钢筋搭接加强作用的影响, 翼缘部位最大钢筋拉应力则出现在浆锚区域以上, 距离拼缝一定高度的位置。C墙肢/D墙肢的钢筋应力分布表现出相同特点。该现象是由于浆锚区钢筋搭接造成钢筋用量增多所致。因此, 在试验加载过程中, 墙肢首次开裂集中在距离拼缝底部约350mm的浆锚搭接边缘部位, 也证明了钢筋浆锚搭接区的加强作用和搭接区边缘新薄弱截面的存在
3.3 混凝土损伤分布规律
1) 压缩损伤有限元模型极限状态下的混凝土压缩损伤分布如图11所示。由图11可知:极限状态下混凝土压缩损伤集中出现在受压腹板边缘, 混凝土压缩损伤因子>0.8, 与图5所示构件混凝土压碎部位相符。但墙肢的其余大部分混凝土未发生明显的塑性压缩损伤, 故有限元模型计算得到的荷载-位移曲线中表现出更好的构件延性性能 (见图8) 。
2) 拉伸损伤有限元模型极限荷载作用下的混凝土拉伸损伤分布如图12所示。由图12可知:装配式剪力墙混凝土拉伸损伤主要出现在1层剪力墙, 与图3所示裂缝集中分布在1层剪力墙的试验现象相符, 并且混凝土的拉伸损伤因子梯度线与试验实测装配式剪力墙墙体裂缝的发展形式一致 (见图3) , 在靠近墙肢边缘时近似水平, 之后沿一定角度向下扩展并且梯度线倾斜角度逐渐增大。
图1 0 钢筋应力分布 (单位:Pa) Fig.10 Stress distribution of reinforcement (unit:Pa)
图1 1 墙肢混凝土压缩损伤分布Fig.11 Distribution of concrete compression damage of wall limb
4 结语
1) 空间结构有限元模型采用接触单元和梁单元分别模拟拼缝与纵向连接钢筋的销键剪切作用, 数值模拟结果表明:承载力模拟较准确, 但由于加载方式不同, 构件位移存在较大差异, 故建议开展低周反复加载模拟。
图1 2 墙肢混凝土拉伸损伤分布Fig.12 Distribution of concrete tensile damage of wall limb
2) 数值模拟得到混凝土和钢筋应力分布情况, 其中极限状态时钢筋的拉应力分布特点解释了试验过程中剪力墙墙肢在距离拼缝约350mm高度位置集中出现首条裂缝的原因:钢筋浆锚搭接的2个边缘存在新的薄弱截面。
3) 数值模拟得到的混凝土损伤规律等均与试验测试现象有较好的一致性, 其中压缩损伤分布情况能够反映出墙肢的破坏形态, 而拉伸损伤的分布梯度线与试验裂缝的分布区域较吻合。
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