叠合板式混凝土剪力墙结构墙板节点有限元分析①

汪耀宇

(安徽建筑大学土木学院，安徽 合肥 230061)

0 引 言

装配式楼盖在装配式混凝土结构及现浇混凝土结构中均有较多应用，装配式楼盖可分为叠合楼盖和全装配式楼盖,叠合楼盖设计关键在于预制构件之间、预制构件与后浇混凝土之间的连接[1]。叠合楼盖的预制楼板上部和剪力墙的中间部分设置后浇段，叠合楼板的预制部分端部伸出的纵向钢筋在后浇段剪力墙中锚固。

近年来，赵作周设计了一系列墙板实验来研究整体预制墙板节点[2]和现浇空心墙板节点[3]的抗震性能，结果表明整体预制墙板节点和现浇空心墙板节点都有良好的整体性，证明了规范的准确性。朱张峰[4]对2个现浇和2个预制墙板节点进行拟静力实验并采用有限元软件进行分析，研究表明预制装配式墙板节点具有良好的抗震性能，可以作为第一道抗震防线。吴东平[5]对2个外加强环钢管混凝土梁柱节点进行拟静力实验并采用有限元软件进行分析，结果表明试验过程中外加强环塑性破坏可以忽略，外加强环对梁柱节点性能有显著影响。设计了3个叠合板式混凝土墙板节点，采用有限元软件ABAQUS对3个叠合板式混凝土剪力墙结构墙板节点进行数值分析，通过比较低周反复荷载下节点的承载力，破坏形态等，来分析节点的抗震性能。

1 有限元模拟

1.1 模型概况

根据“强墙肢弱楼板”的原则，设计了3个叠合板式混凝土墙板中节点，模拟实际工程中楼板与中间墙连接。试件的几何尺寸及构造见图1，剪力墙的尺寸为3000mm×800mm×200mm，叠合板的尺寸为1000mm×800mm×120mm。其中，预制墙、板的厚度均为50mm，现浇剪力墙厚100mm，现浇板厚70mm。3个试件墙板核心区水平连接钢筋采取不同的锚固方式分别示与图1(b)(c)(d)。试件SSJ1预制楼板下部受拉钢筋伸入剪力墙150mm，向上弯折90°至剪力墙中。试件SSJ2在墙板连接核心区现浇板低部设置附加钢筋，附加钢筋伸入板内400mm。试件SSJ3预制楼板下部受拉钢筋向上弯起135°至现浇楼板中伸入剪力墙150mm并过墙中线。

1.2 材料本构关系

有限元软件ABAQUS中主要有弥散裂缝和塑性损伤两种混凝土本构模型，叠合板式混凝土剪力墙混凝土本构关系采用塑性损伤模型，其受压受拉应力-应变曲线参照《混凝土结构设计规范》的单轴受压受拉应力-应变曲线，钢筋本构关系采用双折线应力-应变曲线[6]

图1 试件几何尺寸及构造

(a)SSJ1裂缝开展形态 (b)SSJ2裂缝开展形态 (c)SSJ3裂缝开展形态

(a)SSJ1受压破坏形态 (b)SSJ2受压破坏形态 (c)SSJ3受压破坏形态

1.3 模型的边界约束条件

为了在数值模拟中更好的符合实际情况，在节点的叠合墙、板处设置接触摩擦，使得节点剪力墙预制墙，楼板下侧预制板与现浇墙、板较好的协同工作，叠合墙板面与现浇面摩擦系数设置为0.6[7]。模型底座铰接固定，叠合楼板悬臂端施加低周反复荷载，沿剪力墙顶端施加恒定的压强(轴压比为0.13)。

表1 相关特征点荷载、位移及延性参数

图4 骨架曲线

图5 刚度退化曲线

2 计算结果及分析

2.1 裂缝开展及破坏形态

有限元模型分析结果见图2，3，裂缝主要出现在楼板及墙板连接区域，剪力墙基本未见裂缝。竖向荷载加载到约5～6kN时，3个试件的预制剪力墙与叠合楼板后浇段结合面出现第一条裂缝。随着竖向荷载继续增大，楼板开裂区域由固端向悬臂端扩展，并从楼板顶面向低面开展。试件SSJ1与试件SSJ2在墙板连接区域剪力墙部分出现少量裂缝，试件SSJ3在墙板连接区域剪力墙部分出现少量裂缝并延伸到下部剪力墙。加载结束时，叠合板的根部混凝土被压酥破坏，为楼板受弯破坏。

2.2 骨架曲线、承载力及变形能力

在工程结构的抗震中，滞回曲线是结构抗震能力强弱与否的综合体现，延性系数是一个非常重要的参数[8]。试件的骨架曲线见图4，表1列出试件不同状态时竖向荷载P及对应的位移△。由图4和表1可知：

(1)三条曲线整体走向基本一致。在未达到屈服之前，节点处于弹性阶段，曲线基本为直线，初始刚度较大；进入塑性阶段后，刚度开始减小，骨架曲线逐渐向位移轴弯曲，到达峰值后骨架曲线开始下降。

(2)到达峰值荷载之前，三条曲线走势基本相同，SSJ1的峰值荷载较早出现，峰值荷载后SSJ1的承载力下降速度比SSJ2和SSJ3快。

(3)3个试件的Py，Pmax，Pu分别接近，其平均值的最大相对偏差为7.43%，0.77%，12.26%。

(4)3个试件的Pmax与Pu的平均比值为1.18大于1.15[2]，叠合楼板固端受弯承载力有较好的安全储备。

(5)3个试件延性系数约为2.63，叠合楼板变形能力强。

2.3 刚 度

楼板不同状态下的刚度曲线可以用平均割线刚度来表示[9]，表达式为：

(1)

式中：Fj为第j次峰值位移点对应的竖向荷载；△j为第j次峰值位移。

从图5可知，三个试件刚度退化曲线走势基本相同，曲线衰减比较均匀，没有明显的突出，表明三种墙板连接钢筋锚固方式可以使节点展现出良好的协同性和抗震性。加载初期，刚度退化曲线斜率比较大，表明试件始刚退化比较剧烈，试件屈服后，曲线较为平缓，刚度开始衰减，到达峰值荷载后，刚度衰减较为缓慢。试件不同状态的刚度见表2所示，试件SSJ2和试件SSJ3的峰值荷载刚度基本一致，试件SSJ1屈服点，峰值点，极限点的刚度均比试件SSJ2和试件SSJ3大。

表2 试件不同状态的刚度

3 结 语

通过有限元软件ABAQUS对三个叠合板式混凝土剪力墙结构墙板节点进行有限元分析，得到以下结论：

(1)三个试件都是叠合楼板根部出现裂缝，楼板受弯破坏。峰值荷载与极限荷载的平均为1.18，叠合楼板锚固受弯承载力有较好的安全储备。

(2)三个试件峰值荷载前的骨架曲线基本相同，叠合楼板的承载力、刚度退化、变形能力差别不大。

(3)连接钢筋90°弯起锚固的试件承载力比其他两种锚固方式的试件承载力分别提高0.77%和0.35%，连接钢筋90°弯起锚固能较好的满足节点承载力要求，可以有效的节约钢筋。