整体式拼缝连接的预制楼板

向洪 刘英达 郝润霞

关键词：预制楼板一预制剪力墙节点;非线性分析;有限元

整体式拼缝连接的预制楼板一预制剪力墙节点是一种新型的装配式结构，其在拼装过程中各预制部件的钢筋部分可利用灌浆套筒挤压连接、机械连接等方式连接，混凝土部分则可通过后浇带进行连接。

在预制楼板一预制剪力墙节点的研究方面，郑先超、李青宁等人通过对无后浇面层的预制楼盖——钢板剪力墙结构模型进行振动台试验发现，这种结构能够有效地传递水平力以及在空间上具有良好的整体性。李宁波、钱稼茹等研究了钢筋套筒挤压连接的预制剪力墙试件，结果表明试验试件均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGI3-2010）中对结构抗震性能的要求。朱东烽、潘忠尧等通过对一种钢筋套筒挤压连接的预制梁柱节点构件进行研究，试验结果表明梁柱节点当中的受力钢筋使用钢筋套筒挤压连接是可靠的。

文献通过试验证明了在整体式拼缝连接的预制楼板一预制剪力墙节点当中应用钢筋套筒挤压连接技术是可靠的，但试验考虑的影响因素较少。本文在已有研究的基础上利用ABAQUS有限元分析软件对试验进行了模拟，并进一步考虑了轴压比和楼板含钢率对节点试件的影响。

1有限元模型的建立

1.1模型参数

1.1.1试件几何尺寸

预制楼板一预制剪力墙节点试件由上预制剪力墙、下预制剪力墙、现浇段、预制楼板、地梁组成，详细参数如下图所示。

1.1.2有限元模型及边界条件

预制楼板一预制剪力墙节点试件的有限元模型如下图所示。试件地梁的边界条件为与地面完全约束，剪力墙约束其左右转动，剪力墙顶部在模拟全过程都承受400KN的竖向的集中荷载。

荷载的施加点距离楼板边缘200mm处，荷载施加方式为荷载一位移混合加载制度，在钢筋屈服前以每5KN为一个级别进行加载，钢筋屈服后每集以3mm为一个加载级别进行加载，试件有限元模型如下图所示。

1.2单元选取

本文中对于混凝土楼板、混凝土剪力墙部分使用三维实体单元C3D8R，因为三维实体单元能够通过其表面和其他类型的单元进行连接且利于计算，模拟中对于钢筋部分利用桁架单元3DTruss进行模拟，连接套筒选择使用三维实体单元进行模拟。

1.3材料本构

混凝土的本构关系按照《混凝土结构设计规范》（CJB50010-2010）取用，本文中混凝土的弹性模量取32500MPa，泊松比为0.24。

套筒的本构关系选择刘金海、李国禄等提出的铸铁单轴应力一应变关系曲线，钢筋的本构方程使用Esmaeilv-xiao模型。

1.4相互作用关系

对于钢筋和混凝土之间的相互接触关系经过分析选择了利用內置区域命令（Emhecled Region）将钢筋内置到混凝土结构当中。对于钢筋连接套筒和连接钢筋之间的相互接触关系，选择将钢筋通过内置区域命令（EmbededRegion）内置到套筒当中去。对于现浇混凝土和预制混凝土之间的相互接触关系，本文通过在预制构件和现浇混凝土之间引入“接触对”的办法来模拟。在设置接触属性时，将接触面的滑移公式选择为“小滑移”，法向作用设置为“硬接触”，切线方向选择“罚函数”并将摩擦系数设置为0.5，其他的保持默认值。

2数值模拟与实验结果对比分析

2.1竖向荷载一挠度曲线

本文利用ABAQUS有限元分析软件对文献[4]里的预制楼板一预制剪力墙节点试验进行了模拟，模拟试件与试验试件的板端竖向荷载一挠度（P-A）曲线如图3所示，P为板端加载处的反力，△为板端加载处的竖向位移。

由图2可知模拟所得的竖向荷载一挠度曲线和实验所得的竖向荷载一挠度曲线大体趋势一致。总的来说模拟得到的结果相对于试验得到的板端竖向荷载一挠度曲线来说要偏小一些，这是由于在实验中混凝土的强度偏高，特别是现浇混凝土部分，强度比预制混凝土部分还要大。本文中为了排除不同的混凝土强度对结果的干扰，故而没有考虑新旧混凝土之间的强度差异。对于WSJ2试件来说，模拟的结果中剪力墙两边楼板的板端竖向荷载一挠度曲线几乎重合，这与实际情况一致，也与试验得到的结果相符，WSJ2的板端竖向荷载一挠度曲线在后期出现了明显的承载力下降现象，这是由于楼板里面的钢筋受拉屈服导致的。对于WSJ3试件来说，模拟的结果当中N边的楼板板端竖向荷载一挠度曲线要明显大于S边楼板的板端竖向荷载一挠度曲线，这与试验得到的剪力墙两边楼板的板端竖向荷载一挠度曲线有所区别。在模拟当中之所以剪力墙两边的板端竖向荷载一挠度曲线会有区别，这是由于现浇混凝土与预制楼板的交接处是整个构件的薄弱处，在WSJ3试件当中N边楼板当中套筒连接的位置及现浇混凝土与预制构件的连接处离板端更近，在模拟当中新旧混凝土界面处在同样荷载作用下产生的弯矩_N端比s端小，因而在N端要用更大的荷载才能让楼板里新旧混凝土界面处的钢筋屈服，这也就导致N端楼板拥有比S端楼板更强的承受荷载的能力。

2.2破坏形态对比分析

为进一步验证ABAQUS有限元模拟结果的可靠性，本文还将通过有限元模拟得到试件破坏情况与试验得到的试件破坏情况进行对比，对比结果如下图4所示。

通过对比可知：（1）试件WS12在试验破坏时，楼板上表面靠近剪力墙的地方出现开裂，现浇混凝土与预制楼板的交界面出现张开现象，剪力墙两侧楼板破坏形态基本相同，混凝土主要是受拉开裂。在有限元模拟结果当中混凝土的破坏形态通过混凝土的受拉损伤云图可以看出在试验中裂缝出现的地方与模拟结果一致，这说明模拟结果可靠。（2）试件WSJ3在破坏时，破坏区域主要出现在预制楼板的上表面和现浇混凝土中属于楼板的部分的上表面，现浇混凝土与预制楼板的交界面出现张开现象，剪力墙两侧楼板破坏形态基本相同。在有限元模拟结果当中混凝土的破坏形态与试验结果一致。

3有限元参数分析

3.1剪力墙轴压比的变化

为分析剪力墙轴压比的变化对预制楼板一预制剪力墙节点力学性能的影响，分别选取轴压比为0. 13、0.16、0. 19。不同轴压比下的板端荷载位移曲线如图5所示。在三种不同的轴压比下，试件的板端的荷载位移曲线如下图5所示。

通过上图5可以看出，轴压比由0. 13提升到0.19，试件的承载力提升了不到1%。在本文的模拟的轴压比范围内，轴压比的变化对预制楼板一预制剪力墙节点试件的力学性能基本上没有影响。

3.2楼板纵筋配筋率变化

为分析楼板纵筋配筋率的变化对预制楼板一预制剪力墙节点力学性能的影响，楼板纵向配筋率分别选择0. 71%、0.89%、1.03%。在不同配筋率下板端的荷载位移曲线如图6所示。

随着楼板纵向配筋率的增大，预制楼板一预制剪力墙节点的承载力明显提升，当楼板纵向配筋率由0. 71%提升到0. 89%时（提高楼板上纵筋的配筋率），试件剪力墙左右两侧楼板的极限承载力分别提升了56. 08%、50. 89%。当楼板纵向配筋率由0. 89%提升到1.03%时（提高楼板下纵筋的配筋率），楼板承载力仅仅提升了3. 0%。这说明提高楼板的上端纵向配筋率能够极大地提升预制楼板一预制剪力墙节点的承载力，楼板下端纵向配筋率的提升对于整个节点的板端承载力影响不大。

4结论

本文基于ABAQUS软件对预制楼板一预制剪力墙节点试件进行非线性有限元分析，将仿真结果与实验结果对比，得到以下结论：

（1）在模拟当中钢筋套筒很好地传递了连接钢筋的力，采用实体单元对连接套筒进行模拟的可行性，可以利用套筒挤压连接的装配式构件的模拟提供参考。

（2）通过对有限元参数分析发现，剪力墙的轴压比对预制楼板一预制剪力墙节点试件的承载力影响不大，通过提高楼板上端的纵向配筋率可以极大地提高试件的板端承载力。

（3）通过模拟结果与实验结果对比，模拟的结果与试验结果基本一致，说明本文当中的模拟方法是可靠的。

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