叠合板式剪力墙结构水平拼缝处搭接钢筋受力传递有限元分析

潘尚杰

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230022）

0 引言

传统建筑行业不断升级， 住宅产业化和工业化大势所趋。 叠合板式混凝土剪力墙结构体系设计简单，施工方便快捷且对环境影响较小，得到国家和地方大力支持。 该结构是由叠合墙板和其他预制混凝土构件通过可靠的连接方式进行连接并与现场后浇混凝土形成整体的装配式混凝土剪力墙结构。 针对叠合板式剪力墙水平拼缝处两种不同的构造措施方式，结合同等条件下全现浇构件，利用有限元软件ABAQUS 建立模型并分析其在单向加载情况下混凝土和钢筋的应力应变和受力传递情况。

1 本构关系

本模型受叠合面摩擦机制影响，通过对试验数据的分析和归纳， 在ABAQUS 软件中对各材料参数的设置来近似模拟构件在加载过程中的工作性能和破坏形态［1］。

1.1 混凝土本构

对于不同的模型，本构关系的选择将直接影响数据和结果的准确性。为了将理论模型与实际模型相对应，结合《混凝土结构设计规范》（GB50011—2010），提出了分析模型应力-应变关系具体参数的设置情况。

ABAQUS 软件中存在弥散裂缝模型和塑性损伤两种混凝土本构模型。叠合板式剪力墙板混凝土本构关系选用塑性损伤模型[2]（图1）。

图1 混凝土本构模型

1.2 损伤因子

根据实际情况，引入损伤因子的概念，通过损伤因子来描述卸载时材料刚度退化等现象。具体按式（1）求得损伤因子数值：

式中：t，c 分别代表拉伸和压缩损伤因子； β 为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取 0.5～0.95；E0为混凝土弹性模量； α 为混凝土单轴受拉或受压应力-应变曲线下降段的参数值；εin为混凝土拉压下的非弹性阶段应变[3]。

1.3 钢筋本构

剪力墙中的钢筋本构模型关系采用双折线应力—应变曲线，参照我国现行《混凝土结构设计规范》（GB50011—2010）附录C 中钢筋本构关系与准则进行数值模拟。

1.4 材料性能参数

构件中混凝土和钢筋的材料性能参数见表1、2。

表1 混凝土材料参数

表2 钢筋材料参数

2 模型参数

根据水平拼缝处搭接钢筋的不同构造措施，选取单排插筋和双排插筋方式，具体操作见图2。

图2 水平拼缝钢筋搭接方式

本模型由预制层、 现浇层和搭接钢筋组成，根据不同插筋方式与搭接钢筋的直径， 确定截面为200 mm×200 mm×648 mm 的双排构件与截面为200 mm×200 mm×864 mm 的单排构件，两侧预制墙板混凝土层厚50 mm，中间夹芯混凝土层厚100 mm，构件两端钢筋伸出300 mm。构件尺寸如图3 所示，图3 中，G-1 为预制单排构件，G-2 为预制双排构件，G-3 与G-4 为与之对应的全现浇构件。

图3 构件尺寸

3 有限元结果分析

3.1 加载制度

此构件采用ABAQUS 模拟动力学分析方式，加载制度为单向加载， 构件下端两条纵向钢筋固定，上端搭接钢筋采用向上位移加载，预加载至搭接钢筋断裂。 经计算分析，拟定向上加载100 mm。

3.2 钢筋破坏形态及应力分析

有限元分析结果和构件纵截面中搭接钢筋受拉破坏形态及其受力情况见图4。 由图4 可以看出，受垂直向上力的影响，加载初期试件加载端钢筋应力急速增大，下端钢筋受反作用力应力同时增大，随着位移增大，两端钢筋向混凝土中传力，混凝土中钢筋应力向中间传递。 由于钢筋搭接较长，钢筋与混凝土之间的握裹力远大于钢筋所能承受的极限拉应力，所以钢筋不会被拔出。 最终，随着加载位移的不断增大，4 组构件上部搭接钢筋都在距顶端10 cm 左右被拉断。

图4 有限元分析钢筋受拉破坏形态

钢筋位移荷载曲线见图5， 由图5 可知，4 组构件在位移加载初期，其上部搭接钢筋应力增长迅速，并很快到达钢筋的屈服点， 钢筋进入强化阶段，并随着位移增大，钢筋逐渐达到极限强度，最终拉断。构件主要特征参数如表3 所示。 由表3 可知，构件中钢筋的屈服点和受拉破坏时的极限点与钢筋自身材料属性有关，钢筋本身直径越大，屈服点越高，而预制构件中钢筋破坏时的位移要稍大于现浇构件。

表3 钢筋破坏时主要参数

图5 钢筋荷载位移曲线

3.3 混凝土破坏形态及应力分析

构件纵截面混凝土有限元分析结果如图6 所示。 由于带肋钢筋与混凝土之间存在钢筋与混凝土接触面上的胶结力， 混凝土收缩握裹钢筋产生的摩阻力以及带肋钢筋嵌入混凝土产生的机械咬合力，当两端钢筋受拉时，混凝土内部发生受压破坏。混凝土发生破坏部位位于混凝土与钢筋的接触面， 并主要集中在两端钢筋超出混凝土的位置， 混凝土应力随钢筋应力的传递同时向混凝土中部传递。 因为带肋钢筋与混凝土接触面凹凸不平， 混凝土应力随之波动。双排插筋方式混凝土受力较为集中，上部搭接钢筋与混凝土内部接触3 cm 处混凝土所受应力变化如图7 所示，两组预制构件在相同位置上混凝土所受应力峰值略大于现浇构件，受钢筋直径大小影响，钢筋所受应力会随之改变，从而决定混凝土所受应力大小。

图6 有限元分析混凝土受压破坏形态

图7 混凝土中某点应力变化

4 结论

（1）四组构件搭接钢筋都发生受拉破坏，受拉破坏的位置大致相同，其位移荷载曲线走势基本相同，但屈服点和受拉破坏时所受的极限拉应力取决于钢筋自身属性，与钢筋强度、直径有关。

（2）预制构件中现浇部分受力会随搭接钢筋受力方向发生细微移动，而由于预制部分与现浇部分粘结性能良好，摩擦阻力较大，使得现浇部分只发生细小位移。

（3）混凝土内部发生受压破坏，破坏位置主要集中在钢筋超出混凝土部位，并随着钢筋在混凝土内部延伸，破坏在钢筋与混凝土接触面传递，现浇构件整体性略好于预制构件，双排插筋方式性能稍大于单排插筋方式。