張東升，董錦坤，李 茜

灌漿套筒連接裝配式剪力墻抗震性能有限元分析

張東升1，董錦坤1，李 茜2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 100000）

基于國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的新型剪力墻邊緣構(gòu)造，建立了一種減少灌漿套筒接頭個(gè)數(shù)的裝配式剪力墻。在使用通用有限元分析軟件ABAQUS驗(yàn)證了材料參數(shù)和建模方法的可行性后，建立了該灌漿套筒裝配式剪力墻的有限元模型，通過(guò)改變軸壓比、高寬比、縱筋強(qiáng)度3種參數(shù)，分析其對(duì)抗震性能的影響。結(jié)果表明，增大軸壓比可以提高剪力墻的承載力和初始剛度；增大高寬比卻會(huì)降低剪力墻的承載力與初始剛度；使用高強(qiáng)度鋼筋作為縱筋雖然可以提高剪力墻的承載力，但是初始剛度的變化不明顯。

灌漿套筒連接；有限元分析；參數(shù)分析；抗震性能

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆混凝土施工方式在實(shí)際施工過(guò)程中暴露出噪聲大、材料利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多弊病。剪力墻作為主要受力構(gòu)件，主要承擔(dān)風(fēng)荷載和地震作用引起的水平荷載，是抗震結(jié)構(gòu)最重要的組成部分。裝配式剪力墻如今也在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

墻體底部與底梁水平接縫連接方式主要有灌漿套筒連接、螺栓連接、后澆帶連接、水平漿錨連接等，其中灌漿套筒連接應(yīng)用最廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灌漿套筒連接性能及灌漿套筒剪力墻都進(jìn)行了相應(yīng)的研究。東南大學(xué)研發(fā)出一種變形鋼管套筒，通過(guò)單向拉伸和反復(fù)拉壓試驗(yàn)研究新型套筒連接的可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明，新型套筒制作的接頭承載力主要取決于鋼筋和套筒抗拉強(qiáng)度的最小值、鋼筋與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度，且套筒的內(nèi)腔構(gòu)造也對(duì)接頭的承載力有影響，增加內(nèi)腔的環(huán)肋數(shù)量和凸起高度可提高接頭的承載力，但是隨著環(huán)肋數(shù)量和凸起高度的增加，接頭的連接性能的提升不再明顯[1-2]。余瓊等[3]對(duì)2種使用新型套筒連接的預(yù)制剪力墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，并與現(xiàn)澆剪力墻的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為預(yù)制剪力墻的承載能力和現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)，雖然延性略差，但是耗能能力比現(xiàn)澆構(gòu)件更優(yōu)；2種套筒都可以有效傳遞應(yīng)力；預(yù)制構(gòu)件的破壞主要集中在套筒部位的上部，而現(xiàn)澆構(gòu)件則集中于兩側(cè)的根部。Soudki等[4]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了擠壓套筒與灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，擠壓套筒連接的承載力比灌漿套筒連接低大約25%，變形能力也不及灌漿套筒連接。Seo等[5]研發(fā)出一種將套筒安置在水平接縫以下的HSS套筒，對(duì)使用HSS套筒制作的接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)端頭的試件在屈服前發(fā)生了脆性破壞，而端頭尺寸合適的試件則表現(xiàn)出足夠的延性，并在端部出現(xiàn)鋼筋破壞。

灌漿套筒連接雖然應(yīng)用廣泛，但是對(duì)安裝精度要求較高，單根造價(jià)較昂貴，所以在保證墻體承載力符合規(guī)范要求的情況下，減少套筒數(shù)量成為研究的重點(diǎn)。本文基于清華大學(xué)韓文龍等[6]提出的新型剪力墻邊緣構(gòu)件配筋構(gòu)造的基礎(chǔ)上，建立了一種減少套筒個(gè)數(shù)裝配式剪力墻模型，使用ABAQUS軟件建立模型，通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)對(duì)剪力墻的抗震性能進(jìn)行分析。

1 有限元模型的驗(yàn)證

1.1 試件概況

選取驗(yàn)證試驗(yàn)的模型為文獻(xiàn)[7]中的試件TTQ。墻身長(zhǎng)1 400 mm；厚度200 mm；高度2 800 mm，墻身底部有20 mm的座漿層。墻身內(nèi)配置的鋼筋均為HRB400，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度42.1 MPa。試件頂部軸向壓力為970 kN，軸壓比0.3，高寬比2.0，采用位移控制加載。

1.2 有限元模型建立

混凝土及座漿層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，本構(gòu)采用混凝土塑性損傷模型，混凝土泊松比為0.2，彈性模量按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式計(jì)算。鋼筋和套筒本構(gòu)均采用雙折線模型，鋼筋的彈性模量取2.0×105N/mm2，套筒的彈性模量取2.06×105N/mm2，泊松比均為0.3。模型采用分離式建模，將加載梁、剪力墻、底梁等部件分別建模，之后再裝配模塊將所有的部件裝配在一起。單元類別選擇上，加載梁、剪力墻和底梁均采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元，套筒采用S4R殼單元。建立的模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

圖2為試驗(yàn)和模擬得出的骨架曲線對(duì)比，由圖可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合情況較好。骨架曲線與試驗(yàn)相比在于到達(dá)峰值點(diǎn)后下降段不明顯，這是因?yàn)樵谀M的后期，無(wú)法較好地模擬出墻角處混凝土破碎導(dǎo)致的承載力下降。模擬結(jié)果得出的峰值荷載為402.08 kN，與試驗(yàn)得出的峰值荷載407.00 kN之間的誤差為-1.21%，誤差絕對(duì)值在10%以內(nèi)，充分說(shuō)明了所建立的模型和材料參數(shù)的選取是可行的。

圖2 骨架曲線對(duì)比

2 剪力墻設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[6]提出的剪力墻邊緣構(gòu)件的構(gòu)造如圖3所示。此類構(gòu)造適用于長(zhǎng)度不大于400 mm的剪力墻邊緣構(gòu)件。構(gòu)件的內(nèi)側(cè)配置4根10 mm的HRB400鋼筋，均在墻底部斷開(kāi)，4根鋼筋中部配置1根20 mm鋼筋，使用接頭連接并深入到底梁內(nèi)，邊緣處配置2根使用鋼筋接頭連接的受力鋼筋。

基于前面提出的新型剪力墻邊緣構(gòu)造，設(shè)計(jì)出如圖4所示的預(yù)制灌漿套筒剪力墻。

3 剪力墻參數(shù)分析

影響灌漿套筒剪力墻抗震性能的影響有鋼筋的強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、底部座漿層的厚度等。本節(jié)選取軸壓比、高寬比、縱筋強(qiáng)度3種參數(shù)，通過(guò)有限元模擬的方式，研究這3種參數(shù)對(duì)灌漿套筒剪力墻抗震性能的影響。

3.1 加載方式

對(duì)模型施加2種荷載：一種是在剪力墻加載梁的頂部施加大小為970 kN的豎向荷載，另一種是水平方向施加往復(fù)荷載，位移加載制度如表1所示。

表1 水平位移加載制度

加載位移/mm循環(huán)次數(shù) 32 62 92 122 182 242 302 362 422 452 482 512 542 602

3.2 軸壓比對(duì)抗震性能的影響

軸壓比的定義為軸向壓力與墻體截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值，對(duì)剪力墻構(gòu)件的承載能力、剛度等指標(biāo)的影響不可忽視。本節(jié)分別取軸壓比為0.2、0.3、0.4，比較3種軸壓比下灌漿套筒剪力墻的抗震性能。

3.2.1 軸壓比對(duì)承載能力的影響

3種軸壓比下試件的骨架曲線如圖5所示。由圖可以看出，軸壓比對(duì)試件承載力有一定的影響，軸壓比越大，試件的承載力隨著軸壓比的增大而增大，且隨著軸壓比的增大，試件在達(dá)到峰值荷載后，承載力下降的幅度也更明顯些。

圖5 不同軸壓比的骨架曲線

3.2.2 軸壓比對(duì)剛度的影響

剛度是衡量構(gòu)件抵抗變形能力的重要指標(biāo)，也是體現(xiàn)構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)。3種軸壓比下試件的剛度退化曲線如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試件的初始剛度與軸壓比呈正相關(guān)。3條曲線的變化趨勢(shì)基本一致，都是在初始階段剛度退化明顯，在加載的后期階段趨于平穩(wěn)；軸壓比越大，初始剛度也越大。

圖6 不同軸壓比的剛度退化曲線

3.3 高寬比對(duì)抗震性能的影響

高寬比的不同會(huì)導(dǎo)致墻的受力情況發(fā)生較大變化，隨著高寬比的增大，剪力墻受彎的比重會(huì)增加。本節(jié)通過(guò)設(shè)計(jì)高寬比為1.5、2.0、2.5的剪力墻，通過(guò)有限元模擬，對(duì)比3種高寬比下灌漿套筒剪力墻的承載力和剛度的變化規(guī)律。

3.3.1 高寬比對(duì)承載能力的影響

不同高寬比下裝配式剪力墻的骨架曲線如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)相比于軸壓比，高寬比對(duì)剪力墻的承載力能力的影響更顯著，在高寬比為1.5時(shí)，峰值荷載超過(guò)了500 kN，但是承載力在達(dá)到峰值之后，承載力的下降幅度相比于另外2個(gè)高寬比較小的剪力墻更大。而高寬比為2.0和2.5的剪力墻，峰值荷載僅在420 kN和350 kN左右。

圖7 不同高寬比的骨架曲線

3.3.2 高寬比對(duì)剛度的影響

圖8為3種高寬比的剛度退化曲線。3條剛度退化曲線變化趨勢(shì)都是相似的。高寬比為1.5的剪力墻試件初始剛度最大，超過(guò)了120 kN/mm，高寬比為2.5的剪力墻試件初始剛度大約為50 kN/mm，但是剛度退化的趨勢(shì)相比于其他2個(gè)會(huì)稍緩和一些。所以，剪力墻的高寬比是影響抗震性能的重要因素之一，實(shí)際工程中，在墻體長(zhǎng)度不變的情況下，應(yīng)控制墻體的高度，墻體過(guò)高，承載能力、剛度都會(huì)有所降低。

圖8 不同高寬比的剛度退化曲線

3.4 縱筋強(qiáng)度對(duì)抗震性能的影響

剪力墻的縱向鋼筋也是影響剪力墻抗震性能的重要因素。本節(jié)通過(guò)分析縱向鋼筋類型為HRB335、HRB400、HRB500的3種剪力墻，對(duì)比3種縱筋強(qiáng)度下灌漿套筒剪力墻的承載力的變化規(guī)律。

3.4.1 縱筋強(qiáng)度對(duì)承載能力的影響

不同縱筋強(qiáng)度下裝配式剪力墻的骨架曲線如圖9所示，由圖可知，縱筋強(qiáng)度對(duì)剪力墻承載力有一定影響，鋼筋強(qiáng)度越高，承載力越大，縱向鋼筋分別為HRB335、HRB400時(shí)的峰值承載力大約為380、420 kN，增幅相較于HRB335增加了約10.52%，縱向鋼筋為HRB500時(shí)峰值承載力大約是430 kN，增幅相較于HRB400增加了2.38%，可以看出峰值承載力提高的幅度隨著縱向鋼筋強(qiáng)度的增加而有所降低，且3條骨架曲線的變化趨勢(shì)基本一致。

圖9 不同縱筋強(qiáng)度的骨架曲線

3.4.2 縱筋強(qiáng)度對(duì)剛度的影響

圖10為3種縱筋強(qiáng)度的剛度退化曲線。通過(guò)剛度退化曲線不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪力墻的縱向鋼筋強(qiáng)度不同時(shí)，初始剛度基本沒(méi)有變化，3種縱筋強(qiáng)度的剛度退化曲線形狀上無(wú)明顯區(qū)別。

圖10 不同縱筋強(qiáng)度的剛度退化曲線

4 結(jié)論

首先通過(guò)使用ABAQUS軟件，驗(yàn)證了剪力墻材料參數(shù)和建模方法的可行性，再通過(guò)ABAQUS建立了灌漿套筒剪力墻的有限元模型，通過(guò)分析軸壓比、高寬比、縱筋強(qiáng)度3種參數(shù)對(duì)灌漿套筒剪力墻抗震性能的影響，得出以下結(jié)論。

(1)本文采用的材料參數(shù)和單元的選取都是可行的，模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本吻合。

(2)軸壓比對(duì)承載能力和初始剛度都有一定的影響，兩者都與軸壓比呈正相關(guān)；軸壓比越大，骨架曲線的下降段會(huì)更明顯；剛度退化曲線的趨勢(shì)基本一致。

(3)高寬比也是影響剪力墻抗震性能的因素之一，且影響的幅度比軸壓比更大；高寬比越小，承載能力和初始剛度越大，但是小的高寬比會(huì)讓剪力墻承載力的下降幅度在到達(dá)峰值后變快。實(shí)際工程中，在墻體長(zhǎng)度不變的情況下，應(yīng)控制墻體的高度，以免造成承載力和剛度不足的現(xiàn)象。

(4)縱筋強(qiáng)度對(duì)剪力墻的承載力有一定的影響，縱筋強(qiáng)度大，相應(yīng)的承載力也會(huì)增大，但是隨著強(qiáng)度的提高，這種增加的幅度會(huì)減小；縱筋強(qiáng)度對(duì)剪力墻的初始剛度影響不大。

(5)本文提出的灌漿套筒剪力墻減少了套筒接頭的個(gè)數(shù)，可以降低灌漿套筒剪力墻的施工難度，同時(shí)減少造價(jià)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] 鄭永峰. GDPS灌漿套筒鋼筋連接技術(shù)研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2016.

[2] 鄭永峰, 郭振興, 張新. 套筒內(nèi)腔構(gòu)造對(duì)鋼筋套筒灌漿連接黏結(jié)性能的影響[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2018, 39(9): 158-166.

[3] 余瓊, 孫佳秋, 許雪靜, 等. 鋼筋套筒灌漿搭接連接的預(yù)制剪力墻抗震試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2018, 46(10): 1348-1359, 1373.

[4] Soudki K A, Rizkalla S H, LeBlanc B. Horizontal Connections for Precast Concrete Shear Walls Subjected to Cyclic Deformations Part 1：Mild Steel Connections[J]. PCI Journal, 1995, 40(4): 78-96.

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[6] 韓文龍, 趙作周, 肖明. 新型配筋構(gòu)造預(yù)制剪力墻受力性能及成本分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2019, 49(11): 14-19.

[7] 廖東峰. 豎向鋼筋不同連接方式的裝配式鋼筋混凝土剪力墻抗震性能[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2016.

Finite Element Analysis of Seismic Performance of Precast Shear Wall Connected by Grouting Sleeves

ZHANG Dong-sheng1, DONG Jin-kun1, LI Qian2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.North Engineering Company, China Communication Construction of Road and Bridge Co, Ltd, Beijing 100000, China）

An innovative boundary element of precast shear wall was proposed by domestic scholar, a precast shear wall with grouting sleeves that decrease the number of grouting sleeve joints was established. The feasibility of material parameters and modeling methods was verified by using ABAQUS. The finite element model of precast shear wall with grouting sleeves was established. The influence of axial compression ratio, height-width ratio and the strength of longitudinal bars on seismic performance was analyzed by changing three parameters. The results indicate that increase of the axial compression ratio can improve the bearing capacity and initial stiffness of shear walls and increase of the aspect ratio will reduce the bearing capacity and initial stiffness of the shear wall. Although use of high-strength steel bars as longitudinal bars can improve the bearing capacity of shear walls, the change in initial stiffness is not significant.

grouting sleeve connection; finite element analysis; analysis of parameters; seismic performance

10.15916/j.issn1674-3261.2023.02.008

TU352.1

A

1674-3261(2023)02-0113-05

2022-08-25

遼寧省專業(yè)學(xué)位研究生聯(lián)合培養(yǎng)示范基地項(xiàng)目

張東升(1997-)，男，安徽合肥人，碩士生。

董錦坤(1969-)，男，遼寧凌海人，教授，博士。

責(zé)任編輯：孫 林