带暗支撑单面叠合板式混凝土剪力墙抗震性能数值分析

阮晓光，王 锋

(1. 安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽苏亚建设安装有限公司，安徽 合肥 230601)

叠合板剪力墙结构已在装配式结构中广泛应用，与普通现浇混凝土结构相比，不仅施工高效、快速，而且还为实现“绿色建筑”提供了新技术条件.国内学者在叠合板剪力墙结构中就力学性能进行了深入性研究并取得重大学术研究成果.马巍等[1-2]通过水平拼接2片墙板的方式形成整体剪力墙,并对其进行拟静力试验研究，发现其破坏形态与整体现浇剪力墙试件基本相同.种迅等[3]采用强连接的方式加强插筋顶部和水平拼缝部位，并与现浇剪力墙进行比较.张伟林等[4]进行了叠合板式混凝土剪力墙T型与L型拼接墙体低周往复抗震试验，表明叠合板式剪力墙与全现浇剪力墙的抗震性能基本相同，并提出相关叠合板式剪力墙的抗震设计方法.除此之外，国内外诸多学者通过有限元数值分析对装配式剪力墙构造进行优化并进行了相关理论计算分析[5-7].

本文基于课题组带暗柱拼缝单面叠合板式剪力墙试验研究的基础上[8]，进一步研究在其内塑性铰区域加入暗支撑，利用ABAQUS有限元软件进行剪力墙建模，综合评价带暗支撑单面叠合板式剪力墙的抗震性能.

1 模型概况

1.1 模型设计

为研究带暗支撑单面叠合板式剪力墙的抗震性能，建立10个模型，DHB-1到DHB-5为不带暗支撑单面叠合剪力墙(以下简称不带暗支撑剪力墙)，DHGB-1到DHGB-5为带暗支撑拼缝单面叠合剪力墙(以下简称带暗支撑剪力墙).选用试件DHB-1与文献[8]中DW-1试件进行对比验证，设计轴压比与混凝土强度如表1所示.

表1 试件设计轴压比和混凝土强度

1.2 模型参数

剪力墙试件由基座、叠合墙板、顶梁3部分组成.试件尺寸为2 000 mm×2 800 mm×280 mm(宽×高×厚)，由2片990 mm×2 800 mm×280 mm(宽×高×厚)的单面叠合式剪力墙水平拼接而成，拼缝宽度为10 mm；试件拼缝处设置暗柱，用来连接2片预制墙板，FRP连接件贯穿内叶板、后浇混凝土、保温层和外叶板形成有效拉接，连接件在墙板内均匀布置间距为400 mm，如图1所示.根据汪梦甫等[9]提出在塑性铰区域设置暗支撑，在格构钢筋上预留出暗支撑通过的通道，并将暗支撑钢板设置在现浇层，并确定塑性铰范围为

Lp=(02～0.5)h0，

式中：Lp为塑性铰范围；h0为剪力墙高度.

故Lp取560～1400 mm并考虑暗支撑角度50°，故设置暗支撑高度为1400 mm，如图2所示.

(a) 几何尺寸

(b) 配筋图1 试件几何尺寸及配筋(单位：mm)

图2 钢板尺寸(单位：mm)

根据文献[8]中试验测得的混凝土和钢筋主要材料力学性能如表2～3所示.混凝土强度采用C30，暗支撑钢板选择Q235钢，钢筋采用HRB400钢筋.

表2 混凝土材料力学性能

表3 钢筋材料力学性能

2 有限元模拟

使用ABAQUS有限元软件进行建模,采用分离式的建模方式能够较精准地模拟钢混结构的力学性能,对模型尺寸、试件的边界条件、钢筋与混凝土的材料性能参数以及加载制度等均按照实际试验参数设置,从而减小其他因素产生的结果误差.

2.1 混凝土塑性损伤本构模型的建立

混凝土本构模型参数的选取对分析结果有重大影响，混凝土本构模型选用ABAQUS有限元软件中提供的混凝土塑性损伤模型，并采用《混凝土结构设计规范》[10]附录2中推荐的混凝土受压、受拉应力-应变曲线.

2.2 损伤因子的确定

混凝土在非线性阶段，由于混凝土开裂或者受损从而导致其力学性能与弹性阶段相比有所退化.现有损伤因子确定方法主要有：高斯积分求解的经典理论方法、张劲公式法、Sidoroff能量法.本文有限元分析采用Sidoroff能量法确定损伤因子[8]，即

(1)

式中：d为混凝土损伤因子；E0为混凝土原点切线模量；ε为应变.

根据文献[8]混凝土立方体试块的材料性能进行参数分析.膨胀角参数φ取30，偏心率参数取0.1，控制混凝土屈服面在π平面上的投影形状参数Kc取0.667，混凝土双轴受压与单轴受压极限强度比值fb0/fc0取1.16，粘性参数取0.05，混凝土塑性损伤参数按照上述公式进行.

2.3 钢筋本构模型的建立

试验试件中采用HRB400钢筋，泊松比取0.3，弹性模量取200 MPa.有限元分析中钢筋本构模型选取双折线模型.弹性阶段弹性模量Es按《混凝土结构设计规范》[10]取200 kN/mm2，强化阶段弹性模量取0.01Es[8].

2.4 模型建立分析步骤

1) 部件的创立.混凝土单元采用C3D8R实体单元，钢筋单元采用T3D2桁架单元.

2) 截面属性的确定.依据文献[8]试件的材料力学性能数据，计算得到钢筋与混凝土本构模型的有关参数.

3) 定义装配件.在装配选项中为方便网格的划分，提高网格质量，均采用“非独立”实体进行装配和均分切割处理.

4) 分析步设置.在“分析步”中分2步进行加载，即第1步施加600 kN的竖向恒载集中力，第2步施加低周往复加载.

5) 创建相互作用.对于钢筋采用内置区域的约束方式，使其与混凝土形成整体.

6) 设置边界条件及施加荷载.在“载荷”模块对底梁底施加固定约束，对加载梁顶施加600 kN的竖向集中力，利用幅值函数对加载梁顶RP-1参考点施加低周往复加载.

7) 网格划分.对整体进行网格划分.

2.5 有限元模拟结果分析

由DHB-1滞回曲线(见图3)可知，有限元模拟DHB-1剪力墙峰值承载力为544.98 kN，与文献[7]DW-1试件峰值承载力580 kN相比，误差在7%之内.

图3 DHB-1滞回曲线

DW-1裂缝分布与DHB-1塑性损伤对比如4所示，可以看出：有限元分析中受压损伤云图的破坏集中在墙趾处，并呈现X形破坏模式，与试验现象相符；承载力差值较小，模拟的墙肢受力性能较准确，可用于进行后续模拟分析.

(a) DHB-1塑性损伤

(b) DW-1裂缝图4 DW-1裂缝分布与DHB-1塑性损伤对比

3 模拟结果分析

3.1 骨架曲线对比

带与不带暗支撑剪力墙骨架曲线对比如图5所示，可以看出：带暗支撑剪力墙试件与不带暗支撑剪力墙骨架曲线均呈S形，且走势基本一致；带暗支撑剪力墙试件比不带暗支撑剪力墙墙体极限承载力明显提高，在初期带暗支撑剪力墙试件刚度也更大，但带暗支撑剪力墙试件骨架曲线下降段略平缓.

由图5(b)和表4可知：在加载初期试件处于弹性阶段，在试件开裂前，两者骨架曲线几乎保持一致，力和位移按比例增长；试件开裂后，随着轴压比的增大，骨架曲线峰值承载力增大，说明当轴压比为0.1～0.3时，增大轴压比可明显提高构件抗震承载能力，但骨架曲线的下降段略微变陡，延性降低.

(a) 不带暗支撑

(b) 带暗支撑图5 带与不带暗支撑剪力墙骨架曲线对比

表4 不同轴压比下试件的荷载值对比

3.2 刚度退化曲线对比

在低周反复加载的过程中，随着加载次数逐渐增加，试件内部损伤逐步积累，逐渐发展，试件的刚度随着加载的增加而逐渐降低.刚度退化曲线可以取同一级加载幅值下的环比刚度来表示，如图6所示.

由图6可知：在相同轴压比下，带暗支撑剪力墙试件与不带暗支撑剪力墙刚度退化曲线整体退化趋势较为接近；加载初期，带暗支撑剪力墙试件刚度略大，随着不断地往复加载，试件的变形及累积损伤不断增大，试件的刚度不断衰减，2条刚度退化曲线逐渐缩小差距，刚度逐步接近.而带暗支撑剪力墙试件与不带暗支撑剪力墙相比刚度稍大，且均随着位移的增大逐步发生退化，没有出现明显突变.

(a) 不带暗支撑

(b) 带暗支撑图6 带与不带暗支撑剪力墙刚度退化曲线对比

图6(b)在轴压比处于0.1～0.3时，带暗支撑剪力墙试件在破坏前的相同位移下时，随着轴压比逐渐增大，剪力墙的刚度也逐渐增大，从而说明随着轴压比的增大，剪力墙抵抗变形的能力也越大.原因是竖向轴压力的增大约束了混凝土裂缝的发展.在不同轴压比下，带暗支撑剪力墙的刚度退化趋势大致相同，所有试件均随着位移的增加而刚度减小.在试件屈服前，剪力墙的刚度退化速度均比较快.而在屈服后，剪力墙的刚度退化速度与之前相比相对缓慢，曲线更加趋于相同.

4 结论

1) 带暗支撑剪力墙试件与不带暗支撑剪力墙骨架曲线走势基本一致；带暗支撑剪力墙试件比不带暗支撑剪力墙墙体极限承载力明显提高，在骨架曲线上升阶段更陡，刚度更大，但骨架曲线的下降段略平缓.

2) 当轴压比取0.1～0.3时，随着轴压比逐步增大，带暗支撑剪力墙试件的承载能力也随之增强，刚度逐渐增大，延性略微降低.

3) 通过对比分析结果可知，有限元模拟分析方法可靠，可为后续试验研究提供参考基础.