段良杰 ，張永震

(1.淄博市經(jīng)濟(jì)開發(fā)投資有限公司，山東 淄博255022；2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction)指預(yù)裝修模塊化箱體,是將一個(gè)可運(yùn)輸尺度內(nèi)的完整房間在預(yù)制工廠進(jìn)行組裝加工、裝修、安裝固定設(shè)備,達(dá)到模塊內(nèi)精裝修入住前的程度后再運(yùn)到工地進(jìn)行現(xiàn)場吊裝[1]。箱式模塊現(xiàn)場施工作業(yè)部分較少,只需進(jìn)行現(xiàn)場安裝,對于環(huán)境保護(hù)十分有利。不同模塊箱體之間的連接主要靠墻體預(yù)埋件以及連接件[2],此拼裝剪力墻主要靠軟鎖拉環(huán)以及插筋和灌漿料,墻體厚度在9 cm左右,在其結(jié)合面處采用花紋鋼板做底模,以增加結(jié)合面的粗糙程度。不同模塊箱體在拼裝過程中產(chǎn)生大量拼縫,拼縫連接可靠性對結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者對裝配式墻體不同拼縫的連接進(jìn)行了大量研究。李妍等[3]采用ABAQUS軟件對螺栓-鋼板拼縫連接的裝配式混凝土剪力墻進(jìn)行有限元模擬并與試驗(yàn)中的現(xiàn)澆剪力墻進(jìn)行對比,研究結(jié)果表明螺栓-鋼板裝配式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻的抗震性能基本一致;曾華益[4]設(shè)計(jì)制作了3片螺栓連接的全裝配式混凝土框式墻體并對其進(jìn)行了有限元分析,研究結(jié)果表明框內(nèi)采用砌筑蒸壓加氣混凝土砌塊的結(jié)構(gòu)形式對承載力的提升作用更為明顯,滯回曲線較為飽滿,有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致;郭艷芳[5]采用ABAQUS軟件對帶水平及豎向拼縫裝配式剪力墻的抗震性能進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明拼縫部位為裝配式墻體的薄弱部位,先于墻體進(jìn)入破壞狀態(tài);劉凱[6]設(shè)計(jì)制作了預(yù)制鋼筋混凝土墻板和現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件組成的預(yù)制裝配式墻體并對其進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明剪跨比為1.25時(shí),墻體的滯回曲線飽滿,變形能力及延性較好;黃遠(yuǎn)等[7]對采用3個(gè)墻與墻軟索連接以及3個(gè)樓板與樓板軟索連接的試件進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明拼縫抗剪承載力主要由軟索受拉產(chǎn)生的界面抗剪摩擦力和軟索自身的銷栓力組成; Belleri等[8]研究了預(yù)制墻體中采用灌漿套筒連接的抗震性能,研究結(jié)果表明采用灌漿套筒連接的墻體其抗震性能與傳統(tǒng)墻體基本一致。

目前PPVC還未在我國大力發(fā)展,其不同箱體模塊之間的連接節(jié)點(diǎn)是否能夠滿足安全性的要求還需要進(jìn)一步驗(yàn)證[9-10]。本文重點(diǎn)研究其破壞形態(tài)、荷載位移曲線和滑移位移等力學(xué)性能,同時(shí)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過有限元軟件ABAQUS對采用軟索拉環(huán)連接形式的墻體進(jìn)行有限元分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)概況

壓剪試驗(yàn)試件由4塊墻體組成,尺寸及配筋如圖1所示。先對墻體下半部分進(jìn)行拼裝,將墻體下半部分軟索拉環(huán)扣出,如圖2(a)所示;其次在對接位置處插入插筋,控制墻體間隙為20 mm,如圖2(b)所示,利用密封膠將墻體底部四周拼接縫位置處密封,對下半部分墻體進(jìn)行灌漿;然后將插筋插入上半部分墻體拉環(huán)對接處,并采用槽鋼將其與下半部分墻體暫時(shí)固定,墻體上下拼縫之間預(yù)留20 mm空隙,在拼縫位置處進(jìn)行密封處理并進(jìn)行灌漿,如圖2(c)所示;試件的豎向荷載由試件頂部的液壓千斤頂施加,軸壓比為0.1,水平荷載由液壓伺服作動器施加,加載方向?yàn)橛勺笙蛴?試驗(yàn)現(xiàn)場裝置圖如圖2(d)所示。

(a)上半墻體側(cè)立面圖 (b)上半墻體正立面圖

(a)單片墻體 (b)下部墻體拼裝

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)水平位移荷載加載到6 mm左右時(shí),墻體無明顯裂縫。在水平位移加載到7 mm左右時(shí),墻體左側(cè)水平縫位置處開始出現(xiàn)一條水平裂縫,并隨著位移的增加不斷延伸發(fā)展。當(dāng)水平位移荷載加載至10 mm左右時(shí),墻體左側(cè)與水平縫相交處上半部分墻體開始局部出現(xiàn)豎向裂縫,并伴隨著混凝土脫落,與此同時(shí),墻體右側(cè)下半部分墻體局部出現(xiàn)混凝土鼓裂壓碎現(xiàn)象。水平位移荷載加載到13 mm左右時(shí),墻體左側(cè)水平縫處開始出現(xiàn)一定的滑移,墻體左側(cè)上部分墻體向上翹曲,同時(shí)伴隨著混凝土大量脫落,墻體右側(cè)底部混凝土開始被壓碎。水平荷載加載到15 mm左右時(shí),墻體承載力下降到極限承載力的85%,停止加載,此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。壓剪試驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

(a)正立面圖 (b)側(cè)立面圖 (c)底部混凝土壓碎圖3 壓剪試驗(yàn)現(xiàn)象

3 試驗(yàn)結(jié)果及承載力分析

由荷載位移曲線(圖4)可以看出,在加載階段初期曲線斜率基本呈線性分布,表明此階段墻體還處于彈性階段;隨著位移的增加,曲線斜率有所改變,墻體的最大水平抗剪承載力為203 kN。

圖4 壓剪試驗(yàn)荷載位移曲線

下面對拼縫處節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能進(jìn)行分析。由墻體壓剪試驗(yàn)可以看出,在水平位移荷載作用下,墻體上下連接部位出現(xiàn)水平裂縫并出現(xiàn)水平滑移,由于水平拼縫處的滑移,使得水平拼縫位置處的豎向插筋承受拉(壓)剪復(fù)雜內(nèi)力,造成了此位置處的鋼筋過早屈服;墻體右側(cè)水平縫位置處混凝土也承受了較大的壓剪內(nèi)力,過早發(fā)生了壓碎而提前退出工作,墻體的薄弱位置在水平拼縫處;拼縫位置處主要靠界面之間的粘結(jié)力、鋼筋的銷栓作用力、混凝土與灌漿料之間的界面摩擦力來抵抗水平剪力。墻體受力情況如圖5所示,由圖5可知,墻體水平縫位置處左側(cè)混凝土承受拉應(yīng)力,右側(cè)承受壓應(yīng)力,因此水平裂縫由左側(cè)向右側(cè)延伸且左側(cè)部分墻體向上翹曲。

圖5 墻體受力情況

4 壓剪試件有限元模型及參數(shù)分析

4.1 有限元模型

通過ABAQUS有限元軟件建立壓剪試驗(yàn)有限元模型?；炷敛捎?C3D8R 六面體線性縮減積分實(shí)體單元;預(yù)制墻體鋼筋均采用 T3D2 二節(jié)點(diǎn)三維桁架單元;考慮插筋因剪切和彎曲產(chǎn)生的剪切應(yīng)力與正應(yīng)力,插筋采用B31兩節(jié)點(diǎn)空間線性梁單元,以體現(xiàn)水平相對滑移對縱向鋼筋造成的銷鍵剪切作用?；炷僚c灌漿料采用塑性損傷本構(gòu)模型,鋼筋采用二折線性的彈性強(qiáng)化模型。從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,在試件的水平連接部位未發(fā)現(xiàn)明顯的豎向裂縫,故可以采用tie約束;對于試件的上下連接部位,其結(jié)合面位置處出現(xiàn)較為明顯的水平滑移,故采用面與面接觸,法向采用“硬接觸”,切向采用“罰摩擦接觸”,在達(dá)到其臨界應(yīng)力之前,界面處于臨界摩擦狀態(tài),當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力之后,界面處于滑動摩擦狀態(tài),摩擦系數(shù)取1;墻體、加載梁、地梁之間采用tie約束,約束地梁底端的位移。有限元模型如圖6所示。

(a)裝配體模型 (b)鋼筋骨架 (c)網(wǎng)格劃分圖6 有限元模型

4.2 荷載位移曲線對比

試驗(yàn)與模擬的荷載位移曲線對比如圖7所示,由圖7可知:

圖7 荷載位移曲線對比

1)在初始加載階段,有限元模擬初始剛度大于試驗(yàn)試件的剛度,分析其原因?yàn)?試件在制作過程中存在初始缺陷,如存在灌漿料灌漿不充分和運(yùn)輸過程中出現(xiàn)損傷等;有限元模擬為有限自由度,試驗(yàn)試件中為無限自由度,因此有限元計(jì)算剛度大于真實(shí)剛度。

2)兩者之間的變化趨勢存在差異。試驗(yàn)試件在達(dá)到峰值荷載時(shí),承載力下降迅速;有限元模擬達(dá)到峰值荷載時(shí),承載力下降較為緩慢。

3)承載力方面,試驗(yàn)中其抗剪承載力為203 kN,而有限元模擬的抗剪承載力為194 kN,試驗(yàn)與有限元模擬在承載力方面相對誤差為4.4%。

4.3 破壞形態(tài)對比

墻體破壞圖如圖8所示。由圖8可知,墻體上下連接部位發(fā)生了水平滑移,同時(shí)在墻體左側(cè)產(chǎn)生了翹曲;墻體右側(cè)下半部分混凝土發(fā)生了大面積脫落壓碎現(xiàn)象。有限元破壞云圖如圖9所示。由圖9(a)、圖9(b)可知,在墻體左側(cè)水平縫連接部位及右側(cè)下半部分混凝土塑性應(yīng)變較大;由圖9(c)可知,在水平縫連接部位處的鋼筋存在較大的剪切變形,水平縫位置處及右側(cè)墻趾部位鋼筋存在較大的應(yīng)力;由圖9(d)可以看出,墻體的水平側(cè)移主要存在于上部墻體,下部墻體側(cè)移較小,試驗(yàn)與有限元模型破壞形態(tài)相吻合。

(a)墻體整體破壞圖 (b)墻體側(cè)面破壞圖圖8 墻體破壞圖

(a)最大主塑性應(yīng)變云圖及變形 (b)水平裂縫及變形

5 結(jié)論

通過對預(yù)制預(yù)裝修模塊化箱體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓剪試驗(yàn)及有限元分析可得到如下結(jié)論:

1)從壓剪試驗(yàn)結(jié)果可知,墻體在其水平縫位置處發(fā)生了較大的滑移,水平縫為墻體的薄弱部分,上半部分墻體位移較大,豎向鋼筋承擔(dān)較大的剪切應(yīng)力,試驗(yàn)的破壞形態(tài)與有限元模擬具有高度吻合性。

2)從荷載位移曲線對比中可以看出,有限元模擬的初始剛度較高,曲線在下降階段較為平緩。

3)通過有限元分析及試驗(yàn)可知,影響墻體水平承載力的因素主要有混凝土與灌漿料界面之間的粘結(jié)力、摩擦力和鋼筋的銷栓作用力,因此可通過提高兩者之間的粘結(jié)力和摩擦力、增大鋼筋直徑及強(qiáng)度的方式提高墻體的水平承載力。