高剪跨比榫卯連接裝配整體式剪力墻受力性能數(shù)值分析

趙士瑞，孫志娟，劉繼良

(1.北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

1 引言

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是目前裝配式混凝土建筑中采用的主要形式之一[1]。榫卯連接裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)（簡稱“榫卯剪力墻”）是一種以“榫卯板”作為基本裝配單元的全預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)[2-4]，榫卯板側(cè)面不出筋的特殊構(gòu)造能夠提高預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化程度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，使結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)應(yīng)用的過程中具備突出優(yōu)勢[5]。

如圖1 所示，榫卯板側(cè)邊間隔設(shè)置橫向凸起作為榫頭，榫頭內(nèi)開設(shè)豎向貫通孔洞作為榫孔，二者相交形成榫卯構(gòu)造。相互連接時需將榫卯板的榫卯構(gòu)造相對布置，在榫頭間橫向凹槽內(nèi)設(shè)置連接鋼筋，在榫孔內(nèi)插入豎向鋼筋，綁扎形成鋼筋骨架，隨后澆筑混凝土實現(xiàn)連接。

裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的剪跨比是決定剪力墻破壞形式的重要參數(shù)[6]。孫志娟[7]等通過對不同剪跨比的榫卯剪力墻進行擬靜力試驗，研究了剪跨比對墻體受力性能的影響，結(jié)果表明，低剪跨比（剪跨比1.0）的榫卯剪力墻沒有發(fā)生剪切破壞，隨著剪跨比的提高，墻體的承載力降低，但抗變形能力提升。曹春利[8]等利用ABAQUS 精細(xì)化數(shù)值分析模型研究了邊緣構(gòu)件縱向鋼筋配筋率對低剪跨比榫卯剪力墻受力性能的影響，結(jié)果表明，隨著邊緣構(gòu)件縱向鋼筋配筋率的提高，低剪跨比墻體承載力顯著提高，但增幅明顯放緩。初明進[9]、李祥賓[10]等通過擬靜力試驗研究了軸壓比和水平鋼筋配筋率對中高剪跨比（剪跨比1.5）榫卯剪力墻的受彎性能的影響，結(jié)果表明提高水平鋼筋配筋率和增大軸壓比，均會使中高剪跨比榫卯剪力墻承載力及剛度有所增大，根部混凝土壓潰區(qū)域面積減小。

綜上，剪跨比對榫卯剪力墻的受力性能和破壞形式均有所影響。但目前研究多以低剪跨比和中高剪跨比榫卯剪力墻為對象，針對高剪跨比（剪跨比2.0）榫卯剪力墻受力性能的研究較少，為進一步探究高剪跨比榫卯剪力墻的受力性能和破壞形式，本文采用ABAQUS 有限元分析軟件建立了高剪跨比榫卯剪力墻的精細(xì)化有限元分析模型，通過分析骨架曲線、破壞形態(tài)等，明晰了高剪跨比榫卯剪力墻的破壞過程，期望對榫卯剪力墻在工程中的生產(chǎn)設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 試驗概況

本文對文獻[11]中榫卯剪力墻試件SCW-R2 進行精細(xì)化有限元建模，通過與試驗現(xiàn)象的對比來進行模型的合理性驗證。

試件SCW-R2 為軸壓比0.15，剪跨比2.0 的榫卯剪力墻試件，其截面尺寸及配筋情況如圖2 所示。墻體截面尺寸為1 500 mm×200 mm，由榫卯板和兩側(cè)現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件組成。試件頂部設(shè)置加載梁，截面尺寸為300 mm×300 mm，試件底部設(shè)置地梁，截面尺寸為600 mm×650 mm。

圖2 試件SCW-R2 截面尺寸及配筋情況

預(yù)制混凝土與后澆混凝土的強度等級均為C30，其中預(yù)制混凝土強度實測值為46.33 MPa，后澆混凝土強度實測值為33.30 MPa，鋼筋均采用HRB400 級，具體力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

3 模型建立

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

對試件SCW-R2 中的預(yù)制混凝土、后澆混凝土以及鋼筋骨架進行分離式模型建立，混凝土采用八節(jié)點線性減縮積分三維實體單元（C3D8R 單元），鋼筋采用取二節(jié)點三維桁架單元（T3D2 單元）。為突出分析重點，對墻體及鋼筋骨架模型以50 mm 進行網(wǎng)格劃分，對加載梁和地梁模型以100 mm 進行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 試件SCW-R2 模型建立

3.2 材料本構(gòu)

試件SCW-R2 的混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型，其中混凝土泊松比取0.2，預(yù)制混凝土和后澆混凝土的初始彈性模量分別為33 905 N/mm2和30 845 N/mm2，混凝土受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線根據(jù)規(guī)范[12]進行定義，受壓、受拉損傷因子參考文獻[13]進行計算，塑性變形參數(shù)設(shè)置見表2，其中fb0/fc0為雙軸屈服強度和單軸初始屈服強度的比值，K 為拉壓子午面第二應(yīng)力不變量。

表2 塑性變形參數(shù)設(shè)置

鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙斜線模型，泊松比取0.3，屈服準(zhǔn)則采用Von Mises 準(zhǔn)則，鋼筋彈性模量在彈性段取Es=2×105N/mm2，在鋼筋屈服后的強化段取E's=0.01 Es。

3.3 新舊混凝土結(jié)合面相互作用

ABAQUS 中的庫倫-摩擦模型、內(nèi)聚力模型以及內(nèi)聚力-摩擦混合模型均可用于新舊混凝土結(jié)合面的模擬[14-15]，但計算結(jié)果有一定差異[16]。

本文結(jié)合試件SCW-R2 的試驗結(jié)果以及各接觸模型的特點，選擇庫侖-摩擦模型來對模型中新舊混凝土結(jié)合面進行模擬，其剪應(yīng)力τ-相對滑移s 曲線如圖4 所示。設(shè)置時，切向行為中摩擦公式采用“罰”，摩擦系數(shù)μ 設(shè)為0.6[17]，法向行為采用“硬接觸”，并在確定主從面時，將剛度較大的表面作為主面。

圖4 庫倫-摩擦模型

3.4 約束及邊界條件

鋼筋與混凝土之間設(shè)置Embedded 約束，不考慮二者之間的滑移。墻體上表面與加載梁之間以及墻體下表面與地梁之間均設(shè)置Tie 約束，地梁底部及側(cè)面設(shè)置完全固定約束。

設(shè)置兩個分析步來實現(xiàn)對試件的單調(diào)加載，Step-1 中設(shè)置集中力來模擬實驗中恒定軸向荷載的施加，Step-2 中一方面存在Step-1 傳遞的集中力，另一方面設(shè)置邊界條件來模擬實驗中水平控制位移的施加。

4 有限元模擬結(jié)果

4.1 骨架曲線

試件SCW-R2 的試驗骨架曲線與有限元模擬骨架曲線的對比如圖5 所示，各特征點數(shù)值見表3，通過對比看出：試件SCW-R2 實際試驗與有限元模擬的骨架曲線基本吻合，屈服荷載和峰值荷載的誤差分別為9.69%和14.51%，屈服位移和峰值位移的誤差分別為2.40%和8.74%，誤差基本控制在10%左右。

表3 各特征點數(shù)值

圖5 試驗與有限元模擬加載點水平力-位移骨架曲線對比圖

4.2 破壞形態(tài)

最大主塑性應(yīng)變云圖能夠直觀的呈現(xiàn)出試件在加載過程中混凝土的開裂情況，可以在有限元模擬中用來表征試件的破壞形態(tài)。試件SCW-R2 在峰值狀態(tài)、破壞狀態(tài)（荷載下降至峰值荷載的85%或試驗結(jié)束）時試驗與模擬中破壞形態(tài)的對比如圖6 和圖7 所示，通過對比可以看出：

圖6 峰值狀態(tài)下的破壞形態(tài)對比

1）峰值狀態(tài)時，墻體中部豎向貫通圓孔處交叉斜裂縫較少；東西兩側(cè)邊緣構(gòu)件出現(xiàn)水平裂縫，部分穿過榫卯接縫延伸至榫卯板表面；榫卯接縫處裂縫沿榫卯接縫的形狀持續(xù)向上開展。

2）破壞狀態(tài)時，墻體裂縫增多，墻體未出現(xiàn)對角斜裂縫，中部豎向貫通圓孔處出現(xiàn)多條交叉斜裂縫，東西兩側(cè)邊緣構(gòu)件水平裂縫持續(xù)沿墻高向上發(fā)展，墻體頂部出出現(xiàn)了與水平軸大概呈45°角的斜裂縫。

3）采用模擬結(jié)果中的最大主塑性應(yīng)變云圖表征的墻體破壞形態(tài)與試驗中墻體的實際破壞形態(tài)基本一致。

5 結(jié)論

采用有限元軟件ABAQUS 建立了高剪跨比榫卯剪力墻的精細(xì)化數(shù)值分析模型，對比了高剪跨比榫卯剪力墻試驗與模擬的骨架曲線和破壞形態(tài)，主要結(jié)論如下。

1）結(jié)合試驗結(jié)果以及各接觸模型的特點，采用庫侖-摩擦模型能夠準(zhǔn)確計算高剪跨比榫卯剪力墻中新舊混凝土結(jié)合面間的相互作用。

2）基于ABAQUS 軟件建立的精細(xì)化數(shù)值分析模型合理，有限元模擬骨架曲線與試驗結(jié)果吻合較好，模型破壞特征與試驗現(xiàn)象基本一致，可用于之后的參數(shù)分析研究。