冷挤压套筒连接装配式剪力墙有限元分析

陈祺荣，张伟生，潘广斌，许明智，朱东烽

（1、广东筠诚建筑科技有限公司 广东云浮527400；2、华南理工大学土木与交通学院 广州510641）

0 引言

预制装配式剪力墙结构是以预制或半预制墙板作为主要构件，经现场装配、部分现浇而成的混凝土结构。相比传统混凝土现场浇筑的施工方法，装配式剪力墙结构具有构件质量高，生产速度快，节约资源，有利于社会可持续发展等优点［1］。装配式剪力墙结构的核心技术在于节点（拼接带）的连接方式。节点（拼接带）将各预制构件连接形成整体，使得整个结构达到设计要求的承载力和刚度，可以承受地震作用、风荷载等。因此节点（拼接带）的受力性能对结构整体性能有决定性影响。国内外对装配式剪力墙结构拼接带的多种连接方式都有一定的研究，LU等人［2］对采用穿插钢筋的接缝连接梁连接方式进行了反复荷载试验和数值模拟，分析了试件的抗震性能。孙建等人［3］探究了一种螺栓连接全装配式剪力墙的连接处传力机理，分析了制作精确和存在制作误差2种情况的传力区别，还根据加载情况分阶段对应力分布/重分布进行分析。吴东岳等人［4］对浆锚连接装配式剪力墙的压弯承载力计算进行了探究。文中提出了4个计算假定，分别采用按构件承受的实际内力值折减和按构件抗剪承载力等效原则折减2种折减方法，对墙体纵向钢筋强度进行折减，再代入《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［5］相应公式计算，对计算结果进行比较。

现有研究中对套筒灌浆连接、螺栓-钢板连接、浆锚连接等研究较多，对冷挤压套筒连接的试验研究和有限元模拟研究较少。在构件试验研究方面，张微敬等人［6］和李宁波等人［7］分别对挤压套筒钢筋搭接连接的预制框架结构和剪力墙构件进行了抗震性能试验研究。由于套筒搭接连接目前仍无标准做法，对其连接性能仍未有系统的研究。陈庆军等人［8］则对采用冷挤压套筒对接连接的梁柱节点进行了试验和数值模拟研究。

本文对一种水平拼接带采用挤压套筒连接的装配式剪力墙结构进行低周反复荷载试验，并使用ABAQUS软件研究剪跨比、轴压比和边缘构件纵筋配筋率对其受力性能的影响。

1 试验研究

1.1 试件概况

为了验证冷挤压套筒连接方式的可行性，本文对1个装配式剪力墙试件和1个现浇剪力墙试件进行了低周反复荷载试验。装配式试件先分别制作预制墙体和底梁；后进行墙体与底梁的拼装，挤压套筒连接竖向钢筋；最后对边缘构件和拼缝浇筑混凝土，尺寸如图1所示。图1中的填充区为后浇部分。现浇剪力墙则为一次浇筑完成。

图1 试件尺寸及配筋Fig.1 Geometry Details of Specimen（mm）

上部预制墙体和下部预制底梁预留伸出的纵向钢筋采用挤压套筒连接，边缘构件纵向钢筋采用搭接连接。试件边缘构件配筋率为3.14%（配置4φ12）。墙体水平分布筋为φ8@120，竖向受力钢筋7φ12按梅花形布置，同时为减小钢筋间距，防止墙体开裂，墙体内在套筒连接钢筋对边布置φ6分布钢筋，为方便挤压套筒，分布钢筋不伸入拼缝区。边缘构件在水平方向上通过φ8@60U形箍与预制墙体进行连接。U形箍按锚固长度锚入预制墙体，并与墙体水平分布筋搭接。装配式试件钢筋排布如图2所示。为探明竖向分布筋布置对墙体底部的影响，与装配式剪力墙相对应，现浇试件竖向受力筋梅花形间隔通长布置，底部拼缝对应高度区域不布置竖向分布筋。

图2 试件钢筋排布Fig.2 Steel Bar Layout of the Precast Specimens

试件混凝土分为预制和后浇两部分，混凝土立方体强度实测平均值fcu，k分别为57.6 MPa和61.4 MPa。φ12钢筋屈服强度为477 MPa；φ16钢筋屈服强度为472 MPa。冷挤压套筒连接钢筋抗拉强度如表1所示。

表1 钢筋套筒尺寸及抗拉强度Tab.1 Reinforced Sleeve Size and Tensile Strength

本试验采用低周反复加载方式，具体加载装置如图3所示。在试件顶部施加荷载至设计轴压力后，保持轴力恒定并在加载梁端施加水平反复荷载。顶部轴压力按轴压比0.5计算为1 580 kN。加载全程采用位移控制，以剪力墙层间位移角为控制参数。每一级位移幅值循环2次。水平荷载的加载制度如图4所示。当试件不能维持恒定轴压力或水平荷载降至峰值荷载的85%以下时，停止加载。

图3 加载装置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Loading Device

图4 加载制度Fig.4 Loading protocol

1.2 试验结果及分析

装配式试件加载至位移角1/1 000时，受拉区底部开始出现裂缝；随着位移角增加裂缝增加并发展延伸，至位移角达到1/250时试件的弯剪裂缝均开展至受拉区中部并形成交叉。期间，当位移角增加至约1/400时，出现受拉钢筋屈服。当加载至1/200位移角时，在受压区底部边缘有小范围混凝土压碎剥落。位移角达到1/135时，最大裂缝宽度超2 mm，受压区混凝土剥落加剧。加载至位移角1/100时，试件进一步破坏，第二循环加载后，荷载峰值降低超过15%，加载结束。破坏形态如图5⒜所示。

图5 有限元分析和试验破坏形态对比Fig.5 Experimental and Numerical Damage Distributions

现浇试件加载至位移角1/1 000时，受拉区底部开始出现裂缝。随着位移角增加裂缝增加并发展延伸，至位移角达到1/250时试件的弯剪裂缝均开展至受拉区中部并形成交叉，受拉钢筋开始屈服。当加载至1/200位移角时，试件在受拉区中上部出现弯剪斜裂缝，大量斜裂缝交叉发展。位移角达到1/135时，受拉区上部出现贯穿的弯剪斜裂缝，受压区端部出现竖向裂缝。位移加载至接近位移角1/100预设值时，试件失去轴向承载能力，无法继续加载，试件破坏，背面墙体大块混凝土剥落，墙体整体向平面外一侧劈裂。

试件的滞回曲线如图6所示。两试件的滞回曲线均呈弓形，为受压剪状态，加载后期出现一定的“捏拢”现象。总体曲线表现出试件具有较好的耗能能力和抗震性能。

图6 滞回曲线Fig.6 Hysteretic Curves of Test Specimens

2 构件有限元分析

本文使用ABAQUS软件对试件进行有限元分析，并进一步使用有限元软件探索剪跨比、轴压比和边缘构件纵筋配筋率等参数对该种连接方式剪力墙抗震性能的影响。

2.1 模型建立

本文钢筋和套筒钢材的本构采用二折线模型，屈服强度取材性试验得出的屈服强度。混凝土采用ABAQUS自带的弹塑性损伤模型，在采用材性试验数据的基础上，考虑预制部分墙体、后浇部分墙体混凝土、后浇边缘构件不同的钢筋约束作用，按Mander约束混凝土本构［9］设置单轴受压和单轴受拉本构及损伤因子等参数。

混凝土和钢套筒均采用实体单元C3D8R进行模拟，该单元是八节点线性六面体减缩积分单元，该单元不会出现剪切自锁现象，并且，在单元网格出现扭曲变形时，不会影响计算精度。钢筋采用桁架单元T3D2进行模拟，因为钢筋为细长材料，可忽略其横向抗剪强度。

在加载梁中心建立参考点，将其与加载梁“Cou⁃pling”接触，作为施加竖向轴力和水平位移的作用点。底梁底面和侧面均设置为固定。有限元模型剪跨比为1.35，轴压比为0.5，边缘构件纵筋配筋率为3.14%，如图7所示。

图7 有限元模型Fig.7 Finite Element Model

2.2 试验验证及分析

有限元计算结果和试验结果骨架曲线如图8所示，由图8可知，两者吻合较好，计算的骨架曲线的正反最大荷载略小于试验结果。

图8 有限元和试验骨架曲线Fig.8 Experimental and Numerical Backbone Envelope Curves

极限荷载下构件的混凝土等效塑性应变分布及试验破坏形态对比如图5所示。由图5⒝可知，极限荷载下，墙体底部受压区混凝土等效塑性应变最大达到0.003 2，表明混凝土开始压碎破坏，试件呈弯曲破坏。此时受拉区和受压区纵向钢筋应力均达到屈服强度，而水平钢筋应力较小（见图9）。受压区钢筋挤压套筒应力达到183 MPa，受拉区套筒应力达到398 MPa，两者应力均比钢筋小（见图10）。

图9 钢筋最大主应力分布Fig.9 Maximum Principal Stress Distribution of Steel Bars

图10 冷挤压套筒最大主应力分布Fig.10 Maximum Principal Stress Distribution of Cold Extrusion Sleeve

有限元计算结果和试验的结果对比表明本模型采用的本构和单元、接触关系的设置可以较好地预测冷挤压套筒连接装配式剪力墙的受力性能。

3 有限元参数分析

为进一步探索影响冷挤压套筒连接装配式剪力墙抗震性能的因素，本文在保持原有的材料本构、单元类型和接触关系的基础上，分别改变剪跨比、轴压比、边缘构件纵筋配筋率，研究其受力性能。

3.1 剪跨比变化

通过改变有限元墙体高度改变剪跨比，模型剪跨比λ分别取0.90、1.06、1.35。不同剪跨比下模型荷载-位移角曲线如图11⒜所示。由图11⒜可知，剪跨比变化对剪力墙的极限承载力和位移角影响明显。随着剪跨比增大，极限承载力减小，而极限承载力对应的位移角增大，依次约为1/200、1/135、1/100。

3.2 轴压比变化

通过改变施加在参考点的竖向轴力改变轴压比，选取轴压比分别为0.3、0.5、0.7。轴压比对剪力墙受力性能的影响与剪跨比类似。由图11⒝可知，随着轴压比增大，极限承载力减小，极限承载力对应的位移角增大，依次约为1/160、1/100、1/66。轴压比减小，荷载-位移角曲线下降段变平缓。

3.3 边缘构件配筋率变化

通过改变边缘构件纵筋直径改变配筋率，选取边缘构件纵筋配筋率ρ分别为2.18%，3.14%、4.28%、5.59%。不同边缘构件纵筋配筋率下的荷载-位移角曲线如图11⒞所示。由图11⒞可知，随着配筋率增加，极限承载力略有增加，对应位移角略有减小，下降段变陡。

图11 构件荷载-位移角曲线Fig.11 Component Load-drift Ratio Curve

4 结语

本文通过对挤压套筒连接装配式剪力墙结构试验结果和ABAQUS有限元分析的结果对比，得到以下结论：

⑴装配式构件试验和有限元参数分析的结果表明挤压套筒连接方式是安全的，通过合理的设计，其极限位移角可以满足《建筑抗震设计规范（2016年版）：GB 50011—2010》［10］关于结构竖向构件不同破坏状态下的最大层间位移角控制目标中对钢筋混凝土抗震墙的要求。

⑵ 使用ABAQUS软件，建立了挤压套筒连接剪力墙的有限元模型，计算结果与试验结果基本吻合。模型中采用的本构关系、单元类型和接触关系设置，为后续参数化分析提供了基础。

⑶剪跨比、轴压比、边缘构件纵筋配筋率对挤压套筒连接剪力墙的承载力和位移角均有影响，其中剪跨比、轴压比影响较大。剪跨比减小或轴压比增大，极限承载力增加，位移角减小，即延性降低；增加边缘构件纵筋配筋率，极限承载力略有增加，延性降低。