复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙数值模拟

王中强，谢 廉

（长沙理工大学土木工程学院 长沙 410114）

0 引言

预制剪力墙结构是将预制墙板或部分预制墙板通过安全稳定的连接方式组装而成的混凝土结构［1］。预制剪力墙结构具有抵抗水平荷载能力好、容易满足承载力要求、建筑平面布局灵活等优点，是我国预制混凝土高层住宅最常用的结构型式之一［2］。

预制剪力墙结构易在水平和竖向连接部位形成薄弱面，影响结构整体稳定性能。因此众多研究者对预制剪力墙结构节点部位的连接受力方式进行了大量的深入研究。钱稼茹等人［3−5］分别利用套筒注浆连接、浆锚搭设连接方式的装配式剪力墙进行了对比试验和研究，结果均显示，套筒注浆连接、浆锚搭设连接均能够合理有效的传导钢筋应力，预制剪力墙和现浇剪力墙的破坏形式、承载力、耗能性能和抗侧刚度基本相同，具有可靠的抗震性能，但是在实际施工安装过程中存在对安装施工精度要求高、灌浆料验收困难以及施工成本过高等问题。为了解决上述问题，余志武等人［6−9］对装配式剪力墙采用环筋扣合锚接和齿槽连接形式进行了试验研究，研究结果均显示，采用环筋扣合锚接和齿槽连接的钢筋能够可靠有效的传导钢筋应力，预制墙体和现浇墙体的破坏形式均为压弯破坏，预制墙体的抵抗变形能力略低于现浇墙体的抵抗变形能力，因为后浇混凝土难以密实，导致整体性能较差。墙体裂缝主要出现在预制墙体和后浇边缘构件形成的新旧混凝土交界区域，且该交界区域易发生错动。

利用有限元软件ABAQUS 分别建立了9 个有限元模型，进行单向推覆荷载下的数值模拟分析，分析改变轴压比、约束边缘暗柱配筋率和环筋扣合锚接长度对复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙的抗震性能的影响。

1 试件设计

复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙是由预制墙体、加载梁和地梁组成，其中预制墙体预留复合齿槽，两侧约束边缘暗柱与复合齿槽区域现浇。本文设计了9 个模型，每个模型的尺寸均相同。预制墙体高

图1 试件YZ1几何尺寸及配筋Fig.1 Geometric Dimension and Reinforcement of Specimen YZ1 （mm）

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本构关系

⑴混凝土材料采用有限元软件ABAQUS 中的塑性损伤CDP 模型，混凝土受拉损伤因子和受压损伤因子可根据《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［10］给出的混凝土材料本构关系建议公式进行确定，混凝土塑性损伤CDP模型相关系数取值如下：弹性模量ES=33 600 MPa，轴心抗压强度标准值fck=43.1 MPa，轴心抗拉强度标准值ftk=3.0 MPa，密度ρ=2 400 kg/m3，偏心率为0.1，泊松比为0.3，膨胀角为0.667，粘滞系数为0.05。

2.2 有限元模型的建立

⑴网格划分及单元选取。混凝土单元采用8节点六面体线性减缩积分C3D8R单元，钢筋则采用三维桁架单元T3D2 模型，地梁和加载梁划分为刚体，网格按全局尺寸为50 mm×50 mm×50 mm 对墙体和钢筋单元进行结构网格化划分，为了加快模型运行效率，将加载梁和基础梁的网格放大到200 mm×200 mm×200 mm。

⑵相互作用及约束。钢筋通过Embedded 方式将所有钢筋组成的钢筋骨架嵌入整个模型中，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移。新旧混凝土结合面采用接触关系进行模拟，切向接触采用“基于界面的粘结行为”与“库仑摩擦准则”的组合进行模拟，其中摩擦系数取0.5，法向受压采用“硬接触”进行模拟。

⑶加载形式和边界条件。有限元模型的边界条件选取地梁底面施加完全固定约束，边界条件持续至分析结束。在加载梁顶部设置参考点RP1 并与顶面耦合形成耦合点，第一步在耦合点施加竖向集中荷载，第二步在耦合点施加单向推覆水平位移。最终建立的有限元模型如图2所示。

图2 试件有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Specimen

3 有限元分析

3.1 混凝土损伤及应力应变分布

以YZ1 试件为基准模型，其混凝土应力云图、混凝土压缩损伤云图及混凝土拉伸损伤云图如图3 所示。可以得知，复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙受压损伤主要集中在预制墙体的中下部和边缘构件的下部，复合齿槽、约束边缘暗柱与预制墙体有明显的分界面，这说明发生破坏主要是在预制墙体处。预制混凝土受拉损伤因子在约束边缘暗柱区域近似水平发展，在预制墙体中按照一定的角度斜向发展，裂缝从墙体根部随着位移的增大至极限位移逐渐向上延伸最终导致墙体破坏。

图3 混凝土云图Fig.3 Cloud Images of Concrete

3.2 有限元参数分析

本文主要研究轴压比、约束边缘暗柱配筋率和环筋扣合锚接长度对复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙的受力性能的影响。有限元模型具体参数设置如表1所示。

表1 有限元模型参数设置Tab.1 Parameter Settings of Finite Element Model

3.2.1 轴压比

在不同轴压比下预制剪力墙的荷载−位移曲线如图4 所示。可以得知，当水平位移增加至2.62 mm，为弹性阶段，初始刚度相差不大值，水平位移增加至峰值位移时，轴压比为0.08，0.12，0.16 和0.24 峰值荷载分别为339.884 kN，417.470 kN，475.242 kN，587.653 kN，极 限 承 载 力 分 别 提 升 了22.82%，13.82%，23.60%，达到峰值荷载后，轴压比从0.08 增大至0.24，墙体抵抗变形能力越差，延性降低。

图4 不同轴压比下墙体的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement Curves of Walls under Different Axial Compression Ratios

3.2.2 约束边缘暗柱配筋率

不同约束边缘暗柱配筋率预制剪力墙荷载−位移曲线如图5所示。可以得知，在弹性阶段，改变约束边缘暗柱配筋率下，对初始刚度的影响可以忽略不计，随着位移增大至峰值位移时，约束边缘暗柱配筋率增加，刚度和极限承载力也随之明显提高。但是在峰值位移后，在约束边缘暗柱直径为14 mm 的墙体，其刚度退化得最慢，在约束边缘暗柱直径为18 mm 的墙体，其刚度退化得最快，承载力下降得最快，结果表明，提高约束边缘暗柱配筋率，墙体的极限承载力增大，但是，耗能能力先提高再降低。

图5 不同约束边缘暗柱配筋率墙体的荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement Curves of Walls with Different Reinforcement Ratios of Concealed Columns with Different Constraint Edges

3.2.3 环筋扣合锚接长度

不同环筋扣合锚接长度装配式剪力墙荷载−位移曲线如图6 所示。可以得知，在只改变环筋扣合锚接长度，其他因素不变的情况下，增加环筋扣合锚接长度能略微地提高墙体的极限承载力和延性。因此，复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙的抗震性能受环筋扣合锚接长度影响不大。

图6 不同环筋扣合锚接长度墙体的荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement Curve of Wall with Different Ring-stiffened Bolted Length

4 结语

通过改变轴压比、约束边缘暗柱配筋率以及环筋扣合锚接三个参数研究复合齿槽环筋扣合锚接预制剪力墙的受力性能，得出以下结论：

⑴从轴压比0.08 提升至0.24，墙体的峰值荷载也随之提高，且提升幅度较明显，但是在墙体刚度退化阶段，轴压比越大，刚度退化速率越快，延性降低。

⑵随着约束边缘暗柱配筋率的增加，墙体的极限承载力逐渐提高，但是墙体的延性随着约束边缘暗柱配筋率增加呈现先增大后减小的趋势。

⑶随着环筋扣合锚接长度的增加，墙体的极限承载力和延性略微有所提高，但是影响较小。

⑷墙体破坏主要发生在预制墙体的中下部，且裂缝在约束边缘暗柱区域内呈现水平发展，在预制墙体中按照一定角度呈斜向发展。