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建筑工业化

全螺栓连接装配式剪力墙数值模拟研究

【发表时间:2018/7/9】 【阅读次数:40】

翟治鹏


本文提出了一种全螺栓连接装配式低层墙板结构体系,该体系由高强螺栓连接件连接。为研究该体系的抗震性能,本文对高强螺栓连接件进行静力加载试验,对该体系剪力墙构件进行拟静力试验,并基于试验数据进行有限元分析研究。本文的研究可为装配式建筑设计和工业化建造提供参考。

1 剪力墙拟静力试验

1.1 试件及加载装置

试验中设计了一个足尺的螺栓连接装配式剪力墙试件,其高度为3000mm,宽度为1550mm,宽度为150mm。墙体混凝土强度等级为C30,内部钢筋骨架采用直径为6mm,间距为250mmHRB400钢筋,钢筋双向双层布置。墙板与底座之间的缝隙采用德高瓷砖胶填实。高强螺栓连接采用扭矩扳手安装,扭矩控制为550kN.m。试件的尺寸及配筋如图1所示。

试件竖向荷载通过千斤顶施加,设计轴压比为0.1,施加轴向压力为332kN。水平方向通过MTS作动器施加循环荷载,循环荷载采用力、位移混合控制,试件屈服采用力控制,每级荷载10kN,屈服后采用位移控制,按屈服位移倍数进行加载控制,每次加载循环两次。试验的加载方案及加载装置分别如图2、图3所示。

1.2 试验现象及结果

在试验加载初期,试件顶端位移随着水平荷载线性增长,构件处于弹性状态。当加载至100kN时,试件坐浆层出现微小裂缝,如图4a)所示。当荷载接近170kN时,受压区墙角出现竖向受压裂缝,如图4b)所示,随后混凝土损伤加快。继续增大荷载,受压区墙角混凝土压碎剥落,连接件锚固钢筋被压屈,受拉区连接件钢板产生弯曲变形。当荷载达到178.6kN时,锚固钢筋焊点处被拉裂,承载能力迅速下降。试验过程中墙体未发现弯曲横向裂缝及受剪斜裂缝,破坏集中于高强螺栓连接件。试件的破坏模式为受压区混凝土压碎,受拉区连接件拉断,破坏形态如图4c)所示

5所示为剪力墙的滞回曲线和骨架曲线。在荷载控制加载阶段,试件滞回环较为狭长且包络的面积很小,卸载后其侧向残余变形很小,试件基本处于弹性阶段,其耗能不明显。在位移控制加载阶段,构件刚度开始逐渐退化,随着位移的增大,滞回环面积逐渐增大,耗能逐渐增加,试件进入塑性状态,其滞回曲线表现为有一定捏缩效应的“弓形”滞回曲线,试件破坏时残余变形较小。从骨架曲线可以看出,曲线的屈服平台段较长。总体来说,该试件具有较好的耗能能力和延性性能。

1 试件几何尺寸及配筋 (mm)

2 试验加载方案

a)加载装置 (mm)

(b)加载照片

3试验加载装置

a)坐浆层开裂

b)混凝土受压竖向裂缝

c)破坏形态

4试验观测

5 滞回曲线与骨架曲线

2 有限元分析

2.1 建模方法

采用ETABS软件对上述剪力墙进行建模计算,建模方法如图6所示。剪力墙采用分层壳单元模拟,包括1层混凝土层及4层钢筋层,混凝土及钢筋的本构关系如图7所示。剪力墙与基础界面接触采用GAP单元模拟,为保证力的传递,GAP单元应设置较大的刚度。界面的摩擦力在模拟中不考虑。

对剪力墙进行单调加载,计算得到混凝土的应力分布如图8所示。对比剪力墙试验现象可以发现,模拟计算的应力分布规律与试件破坏形态一致。图9给出了模拟和试验荷载位移曲线的对比,观察图可知,模拟曲线与试验曲线吻合很好,其初始刚度及峰值荷载均较为接近。为了对比两者的损伤发展情况,定义损伤因子为:

                                               1

式中,Di为第i荷载步的损伤因子,Ki为第i荷载步的割线刚度,K0为初始刚度,Di越大,试件损伤程度越大。图10所示为损伤因子的比较,图中可以看出,模拟与试验损伤因子的变化规律基本相同。综上所述,本文采用的建模方法是准确的。

6 基于ETABS的建模方法

7 钢筋及混凝土的本构关系曲线

8 混凝土应力分布

9 荷载位移曲线对比

10 损伤因子比较

3 结论

本文对螺栓连接的装配式剪力墙进行了试验,试验结果表明其具有良好的抗震性能。基于ETABS剪力了剪力墙有限元模型,该数值模型能准确地预测剪力墙的非线性行为。

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