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钢筋连接方式对剪力墙平面外刚度的影响

时间:2019-09-04 来源:混凝土与水泥制品 作者:陈思宇 朱杰江 本文字数:3431字

  建筑工程大专毕业论文第三篇

  摘要:利用ABAQUS对竖向钢筋连接方式不同的预制剪力墙进行建模, 对比分析其平面外性能。竖向钢筋连接方式分别为双排逐根连接、“梅花形”部分连接及单排连接。结果表明, 剪力墙平面外破坏属于脆性破坏, 墙身与地梁脱开, 有倾覆趋势, 但平面外仍具有一定的承载能力和刚度。竖向钢筋连接方式不同对预制剪力墙平面外承载力和刚度均有较大影响, 由逐根连接改为部分连接其平面外极限承载力下降约15%, 与现浇对比差距较大, 刚度退化速度也大于现浇。

  关键词:ABAQUS软件; 预制剪力墙; 平面外; 刚度退化;

  0前言

  装配式混凝土建筑相较于传统建筑而言具有产品质量易把控、工业化生产效率高、对环境污染较小等优势,符合我国可持续发展战略的方向。目前, 应用最广泛、最便捷的连接方式是套筒灌浆连接。钱稼如[1]等通过试验得出套筒灌浆预制剪力墙试件的刚度、耗能能力与现浇剪力墙试件基本一致。国外也有研究证明灌浆套管连接的拉伸性能能够满足工程抗震需求[2]。大量的试验研究证明预制剪力墙构件平面内抗震性能与现浇构件相当,但对剪力墙平面外性能的研究分析相对较少。焦安亮[3]等通过试验对环筋扣合连接剪力墙平面外抗折性能进行研究。剪力墙作为有一定厚度的构件,其平面外应具有一定刚度。因此,本文利用ABAQUS有限元分析软件对四种竖向钢筋连接方式不同的预制剪力墙及现浇剪力墙进行建模分析,研究其平面外承载力、刚度等发展规律,探究竖向钢筋连接方式的不同对预制剪力墙平面外刚度产生的影响。

  1 有限元模型建立及验证

  1.1 有限元模型建立

  为验证所建有限元模型的合理性,对文献[4]中的PSW-1试件进行建模分析,并与实验结果进行对比。试件剪力墙PSW-1截面尺寸及配筋如图1所示,设计轴压比0.1。

  图1 PSW-1剪力墙截面尺寸及配筋图(单位:mm)

  1。1。1 单元选用及网格划分

  混凝土采用C3D8R单元,钢筋选用T3D2单元,套筒选用S4R单元。分区域划分网格。

  1。1。2 材料本构

  本文中混凝土材料本构关系选用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中附录C提供的混凝土单轴应力应变曲线,建模时采用ABAQUS自带的混凝土塑性损伤模型,计算本构参数及损伤因子。钢筋本构关系采用理想弹塑性模型。取弹性模量Es=2.0×105MPa,泊松比ν=0.3。套筒本构采用理想弹塑性模型[5]。

  1.1.3 接触关系

  混凝土及钢筋采用分离式建模,并将钢筋和套筒采用Embedded Region方式嵌入混凝土中。在剪力墙顶部建立参考点并采用Coupling与加载面耦合连接以实现刚性面加载。现浇模型剪力墙与地梁采用Tie绑定连接,预制模型采用表面-表面接触,切向行为采用罚摩擦模型,摩擦系数取值0.6[6],法向行为为“硬”接触。

  1.1.4 加载方式

  在ABAQUS中设置两个分析步,第一步进行竖向加载,采用均布荷载方式;第二步进行水平加载,采用位移控制方式,位移大小为50 mm。

  1.2 有限元模型验证

  将数值模拟分析与文献[4]中试验所得的荷载-位移曲线进行对比,见图2。

  图2 试验与有限元荷载-位移曲线对比

  由图2可以看出,二者荷载-位移曲线趋势一致,基本重合,试验极限荷载为327.15 kN,有限元极限荷载为329.22 kN,误差为0.6%,满足工程要求。通过对比,说明该有限元模型能正确地模拟剪力墙平面内荷载及变形等力学特性,可利用该模型进行剪力墙平面外性能研究。

  2 预制剪力墙平面外性能分析

  本文为研究竖向钢筋连接方式不同对预制剪力墙平面外性能产生的影响,根据装配式混凝土建筑技术标准及图集[7],在保证截面配筋率相等的条件下进行改动,形成以下四种不同竖向钢筋连接方式的预制剪力墙,对其进行编号为PSW-2、PSW-3、PSW-4,并将施加的水平荷载转移到平面外。同时建立现浇模型XJ-1作为对照组。竖向钢筋连接方式如图3所示。

  图3 竖向钢筋连接方式(单位:mm)

  2.1 剪力墙应力分析

  图4为剪力墙PSW-1的有限元应力分析结果,由图4可以看出,剪力墙发生较大的倾斜变形,墙身与地梁发生脱离,墙体上部基本保持平直,受拉侧钢筋屈服。

  2.2 承载力及荷载-位移曲线分析

  图5为所有剪力墙试件荷载-位移曲线。

  由图5可见,预制剪力墙平面外荷载-位移曲线趋势与平面内相当,均由初期荷载上升段至极限荷载后进入到下降段。但现浇模型曲线有较长的塑性段且有一个陡降的趋势,而预制模型曲线则是经历很短的塑性段后越过峰值直接进入到下降段。这是因为现浇剪力墙墙身与地梁整体浇筑,试件薄弱处即弯矩最大处应该在墙身下部箍筋加密区,而预制剪力墙墙身与地梁在加载初期便产生分离,由受拉侧钢筋承受荷载。其中,PSW-1、PSW-2、PSW-4剪力墙初期上升段斜率基本相同,但极限荷载不同;PSW-3由于墙身整体配筋率增大,初期上升段斜率较大,荷载增长较快,但达到极限荷载后曲线下降较快,并且与PSW-1曲线趋于一致。XJ-1试件作为对照组。利用作图法计算各试件屈服荷载。表1为各剪力墙试件平面外屈服荷载和极限荷载汇总。

  图4 PSW-1剪力墙应力分析

  图5 荷载-位移曲线

  表1 剪力墙承载力

  从表1可见,竖向钢筋连接方式的不同会导致预制剪力墙平面外极限荷载大小差异。且屈服荷载仅略小于极限荷载。其中剪力墙PSW-1由于竖向连接钢筋为逐根连接,极限荷载最大,与现浇相当;PSW-2、PSW-3竖向钢筋为“梅花形”部分连接,PSW-2极限荷载比PSW-1减小14。74%,但PSW-3墙身整体配筋率有所提高,故极限荷载与PSW-1接近;PSW-4竖向钢筋为单排连接,极限荷载相比PSW-2减小15。26%,比PSW-1减小27。76%。可见,预制剪力墙竖向钢筋由逐根连接变成“梅花形”部分连接再变成单排连接,其平面外极限荷载不断减小,减幅约为15%。同理,其各试件屈服荷载大小变化也基本符合上述规律。由于剪力墙各试件平面外承载力水平总体很低,因此,预制剪力墙竖向钢筋连接方式变化对其平面外承载力有较大影响。

  2.3 刚度退化

  刚度是衡量构件抵抗变形能力大小的一个量,通常用割线刚度表示,即荷载-位移曲线上某一点荷载与对应位移的比值。图6为所有剪力墙试件刚度退化曲线。

  图6 刚度退化曲线

  由图6可以看出,不管是现浇还是预制,剪力墙平面外均具有一定的初始刚度。从图中可以看出,除PSW-3外,其余预制剪力墙时间初始刚度均小于现浇试件。由于PSW-3的钢筋连接方式导致墙身整体配筋率显著提高,初始刚度也随之增大。其中PSW-4竖向钢筋为单排连接,初始刚度最小。在位移加载到50 mm左右所有剪力墙试件刚度均开始发生退化,且预制剪力墙刚度退化速度均大于现浇试件。由图6可见,PSW-1、PSW-2和PSW-4虽然初始刚度不一样,但三者的刚度退化速度大致相同。说明预制剪力墙竖向钢筋双排逐根连接平面外整体刚度优于竖向钢筋“梅花形”连接。PSW-3刚度退化速度最快,呈陡然下降趋势,并且很快与PSW-1曲线重合,说明虽然该试件墙身整体配筋率提高,初始刚度较大,但其破坏特征出现与超筋梁类似的脆性破坏,故破坏较为突然,不宜采用。

  3 结论

  (1)钢筋套筒灌浆连接预制剪力墙平面外能承受较小荷载,大小只有平面内承载力的7%左右。但可以为整体结构提供一定的承载力贡献。破坏特称呈现较明显的脆性破坏,有倾覆趋势。

  (2)竖向钢筋连接方式不同对预制剪力墙平面外承载力有较大影响,在竖向连接钢筋同等配筋率条件下,“梅花形”连接相比双排逐根连接其平面外极限承载力下降约15%,单排连接相比双排连接其平面外极限承载力下降约30%。

  (3)预制剪力墙平面外刚度退化速度均大于现浇试件。

  (4)竖向钢筋连接方式不同对剪力墙平面外刚度退化速度影响较大,宜采用双排逐根连接;当采用“梅花形”部分连接时,宜通过增大竖向连接钢筋直径保证截面配筋率;采用单排连接时应遵循相应标准,同时要保证剪力墙墙身配筋率满足规范要求。

  参考文献

  [1] 钱稼茹, 杨新科, 秦珩, 等.竖向钢筋采用不同连接方法的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验[J].建筑结构学报, 2011, 32 (6) :51-59.
  [2] TONY H, JOSE R, JOHN B. Mander.Seismic Performance of Precast Reinforced and Prestressed Concrete Walls[J]. Journal of Structural Engineering, 2003, 129 (3) :286-296.
  [3] 陈鹏, 张兆强, 周琼瑶.装配式混凝土剪力墙结构连接方式研究及应用综述[J].混凝土与水泥制品, 2018 (3) :58-63.
  [4] 成然.预制装配式套筒灌浆连接混凝土剪力墙抗震性能试验研究[D].西安:长安大学, 2018.
  [5] 余斯杰, 吕西林, 李检保.预制装配式框架柱典型拼装节点精细分析[J].结构工程师, 2017, 33 (4) :32-39
  [6] 严涛.不同连接方式对装配式剪力墙抗震性能的影响[D].长沙:湖南大学, 2017.
  [7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 51231—2016装配式混凝土建筑技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社, 2017.

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    陈思宇,朱杰江.装配式混凝土剪力墙平面外性能研究[J].混凝土与水泥制品,2019(09):76-78+83.
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