整體式拼縫連接的預制樓板

向洪 劉英達 郝潤霞

關鍵詞：預制樓板一預制剪力墻節(jié)點;非線性分析;有限元

整體式拼縫連接的預制樓板一預制剪力墻節(jié)點是一種新型的裝配式結構，其在拼裝過程中各預制部件的鋼筋部分可利用灌漿套筒擠壓連接、機械連接等方式連接，混凝土部分則可通過后澆帶進行連接。

在預制樓板一預制剪力墻節(jié)點的研究方面，鄭先超、李青寧等人通過對無后澆面層的預制樓蓋——鋼板剪力墻結構模型進行振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，這種結構能夠有效地傳遞水平力以及在空間上具有良好的整體性。李寧波、錢稼茹等研究了鋼筋套筒擠壓連接的預制剪力墻試件，結果表明試驗試件均滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGI3-2010）中對結構抗震性能的要求。朱東烽、潘忠堯等通過對一種鋼筋套筒擠壓連接的預制梁柱節(jié)點構件進行研究，試驗結果表明梁柱節(jié)點當中的受力鋼筋使用鋼筋套筒擠壓連接是可靠的。

文獻通過試驗證明了在整體式拼縫連接的預制樓板一預制剪力墻節(jié)點當中應用鋼筋套筒擠壓連接技術是可靠的，但試驗考慮的影響因素較少。本文在已有研究的基礎上利用ABAQUS有限元分析軟件對試驗進行了模擬，并進一步考慮了軸壓比和樓板含鋼率對節(jié)點試件的影響。

1有限元模型的建立

1.1模型參數(shù)

1.1.1試件幾何尺寸

預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試件由上預制剪力墻、下預制剪力墻、現(xiàn)澆段、預制樓板、地梁組成，詳細參數(shù)如下圖所示。

1.1.2有限元模型及邊界條件

預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試件的有限元模型如下圖所示。試件地梁的邊界條件為與地面完全約束，剪力墻約束其左右轉動，剪力墻頂部在模擬全過程都承受400KN的豎向的集中荷載。

荷載的施加點距離樓板邊緣200mm處，荷載施加方式為荷載一位移混合加載制度，在鋼筋屈服前以每5KN為一個級別進行加載，鋼筋屈服后每集以3mm為一個加載級別進行加載，試件有限元模型如下圖所示。

1.2單元選取

本文中對于混凝土樓板、混凝土剪力墻部分使用三維實體單元C3D8R，因為三維實體單元能夠通過其表面和其他類型的單元進行連接且利于計算，模擬中對于鋼筋部分利用桁架單元3DTruss進行模擬，連接套筒選擇使用三維實體單元進行模擬。

1.3材料本構

混凝土的本構關系按照《混凝土結構設計規(guī)范》（CJB50010-2010）取用，本文中混凝土的彈性模量取32500MPa，泊松比為0.24。

套筒的本構關系選擇劉金海、李國祿等提出的鑄鐵單軸應力一應變關系曲線，鋼筋的本構方程使用Esmaeilv-xiao模型。

1.4相互作用關系

對于鋼筋和混凝土之間的相互接觸關系經(jīng)過分析選擇了利用內置區(qū)域命令（Emhecled Region）將鋼筋內置到混凝土結構當中。對于鋼筋連接套筒和連接鋼筋之間的相互接觸關系，選擇將鋼筋通過內置區(qū)域命令（EmbededRegion）內置到套筒當中去。對于現(xiàn)澆混凝土和預制混凝土之間的相互接觸關系，本文通過在預制構件和現(xiàn)澆混凝土之間引入“接觸對”的辦法來模擬。在設置接觸屬性時，將接觸面的滑移公式選擇為“小滑移”，法向作用設置為“硬接觸”，切線方向選擇“罰函數(shù)”并將摩擦系數(shù)設置為0.5，其他的保持默認值。

2數(shù)值模擬與實驗結果對比分析

2.1豎向荷載一撓度曲線

本文利用ABAQUS有限元分析軟件對文獻[4]里的預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試驗進行了模擬，模擬試件與試驗試件的板端豎向荷載一撓度（P-A）曲線如圖3所示，P為板端加載處的反力，△為板端加載處的豎向位移。

由圖2可知模擬所得的豎向荷載一撓度曲線和實驗所得的豎向荷載一撓度曲線大體趨勢一致?？偟膩碚f模擬得到的結果相對于試驗得到的板端豎向荷載一撓度曲線來說要偏小一些，這是由于在實驗中混凝土的強度偏高，特別是現(xiàn)澆混凝土部分，強度比預制混凝土部分還要大。本文中為了排除不同的混凝土強度對結果的干擾，故而沒有考慮新舊混凝土之間的強度差異。對于WSJ2試件來說，模擬的結果中剪力墻兩邊樓板的板端豎向荷載一撓度曲線幾乎重合，這與實際情況一致，也與試驗得到的結果相符，WSJ2的板端豎向荷載一撓度曲線在后期出現(xiàn)了明顯的承載力下降現(xiàn)象，這是由于樓板里面的鋼筋受拉屈服導致的。對于WSJ3試件來說，模擬的結果當中N邊的樓板板端豎向荷載一撓度曲線要明顯大于S邊樓板的板端豎向荷載一撓度曲線，這與試驗得到的剪力墻兩邊樓板的板端豎向荷載一撓度曲線有所區(qū)別。在模擬當中之所以剪力墻兩邊的板端豎向荷載一撓度曲線會有區(qū)別，這是由于現(xiàn)澆混凝土與預制樓板的交接處是整個構件的薄弱處，在WSJ3試件當中N邊樓板當中套筒連接的位置及現(xiàn)澆混凝土與預制構件的連接處離板端更近，在模擬當中新舊混凝土界面處在同樣荷載作用下產(chǎn)生的彎矩_N端比s端小，因而在N端要用更大的荷載才能讓樓板里新舊混凝土界面處的鋼筋屈服，這也就導致N端樓板擁有比S端樓板更強的承受荷載的能力。

2.2破壞形態(tài)對比分析

為進一步驗證ABAQUS有限元模擬結果的可靠性，本文還將通過有限元模擬得到試件破壞情況與試驗得到的試件破壞情況進行對比，對比結果如下圖4所示。

通過對比可知：（1）試件WS12在試驗破壞時，樓板上表面靠近剪力墻的地方出現(xiàn)開裂，現(xiàn)澆混凝土與預制樓板的交界面出現(xiàn)張開現(xiàn)象，剪力墻兩側樓板破壞形態(tài)基本相同，混凝土主要是受拉開裂。在有限元模擬結果當中混凝土的破壞形態(tài)通過混凝土的受拉損傷云圖可以看出在試驗中裂縫出現(xiàn)的地方與模擬結果一致，這說明模擬結果可靠。（2）試件WSJ3在破壞時，破壞區(qū)域主要出現(xiàn)在預制樓板的上表面和現(xiàn)澆混凝土中屬于樓板的部分的上表面，現(xiàn)澆混凝土與預制樓板的交界面出現(xiàn)張開現(xiàn)象，剪力墻兩側樓板破壞形態(tài)基本相同。在有限元模擬結果當中混凝土的破壞形態(tài)與試驗結果一致。

3有限元參數(shù)分析

3.1剪力墻軸壓比的變化

為分析剪力墻軸壓比的變化對預制樓板一預制剪力墻節(jié)點力學性能的影響，分別選取軸壓比為0. 13、0.16、0. 19。不同軸壓比下的板端荷載位移曲線如圖5所示。在三種不同的軸壓比下，試件的板端的荷載位移曲線如下圖5所示。

通過上圖5可以看出，軸壓比由0. 13提升到0.19，試件的承載力提升了不到1%。在本文的模擬的軸壓比范圍內，軸壓比的變化對預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試件的力學性能基本上沒有影響。

3.2樓板縱筋配筋率變化

為分析樓板縱筋配筋率的變化對預制樓板一預制剪力墻節(jié)點力學性能的影響，樓板縱向配筋率分別選擇0. 71%、0.89%、1.03%。在不同配筋率下板端的荷載位移曲線如圖6所示。

隨著樓板縱向配筋率的增大，預制樓板一預制剪力墻節(jié)點的承載力明顯提升，當樓板縱向配筋率由0. 71%提升到0. 89%時（提高樓板上縱筋的配筋率），試件剪力墻左右兩側樓板的極限承載力分別提升了56. 08%、50. 89%。當樓板縱向配筋率由0. 89%提升到1.03%時（提高樓板下縱筋的配筋率），樓板承載力僅僅提升了3. 0%。這說明提高樓板的上端縱向配筋率能夠極大地提升預制樓板一預制剪力墻節(jié)點的承載力，樓板下端縱向配筋率的提升對于整個節(jié)點的板端承載力影響不大。

4結論

本文基于ABAQUS軟件對預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試件進行非線性有限元分析，將仿真結果與實驗結果對比，得到以下結論：

（1）在模擬當中鋼筋套筒很好地傳遞了連接鋼筋的力，采用實體單元對連接套筒進行模擬的可行性，可以利用套筒擠壓連接的裝配式構件的模擬提供參考。

（2）通過對有限元參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，剪力墻的軸壓比對預制樓板一預制剪力墻節(jié)點試件的承載力影響不大，通過提高樓板上端的縱向配筋率可以極大地提高試件的板端承載力。

（3）通過模擬結果與實驗結果對比，模擬的結果與試驗結果基本一致，說明本文當中的模擬方法是可靠的。

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