装配式剪力墙抗震性能仿真分析

陈圣斌

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

目前，我国各行业都在进行技术升级，许多地区已摒弃了传统的现浇建筑模式开始采用装配式建筑，装配式剪力墙的抗震性能受到重点关注。王树伟等[1]通过改变齿键高度对齿槽型连接装配式钢筋混凝土剪力墙的抗震性能进行研究，发现将齿键高度增高，齿槽型连接的装配式钢筋混凝土剪力墙承载力在后期略有提高；许冠超等[2]设计了一种环筋扣合锚接混凝土剪力墙，此种连接形式的装配式剪力墙钢筋能有效传递应力，耗能能力呈现增大趋势；王卫永等[3]通过ABAQUS 有限元分析软件对一种适用于装配式建筑的新型抗侧力结构钢桁架-混凝土组合剪力墙进行分析，轴压比在0.3～0.5之间，钢桁架混凝土剪力墙的抗剪承载力较大，增大型钢柱的含钢率比增大型钢腹杆的含钢率对抗剪承载力提升效果明显；李妍等[4]发现两种干式连接（焊接、直螺纹机械套筒连接）剪力墙与现浇混凝土剪力墙整体性能较为接近，闪光对焊处与现浇整体钢筋的刚度大致相同，机械套筒对连接局部有强化的效果。

本文根据具体的工程实例建立3 种有限元模型，通过对比抗震性能的优劣，为建筑装配式剪力墙实际应用及试验模型提供数据参考。

1 剪力墙模型

1.1 结构模型

3 个剪力墙模型不同之处在于构件间的连接方式：XJ1是经常见到的施工现场进行现浇，剪力墙钢筋之间进行绑扎连接；GJ1为装配式剪力墙中最常见、应用最多的灌浆套筒剪力墙，连接方式为上下剪力墙钢筋之间利用套筒进行连接，之后套筒内灌注混凝土使其成为整体，为了简化模型设计，将梅花形分布的灌浆套筒简化为上下贯通的通长钢筋；XG1 为两边以及中间放置型钢的预制型钢装配式剪力墙，通过贯通型钢外伸用螺栓进行连接，连接处使用后浇混凝土，实现整体快速安装。3个剪力墙都只是研究单个墙体结构，弱化了整体之间的连接性能。

模型墙体为矩形截面，外形尺寸完全相同，墙高2 740 mm、墙长2 400 mm、墙厚200 mm，见图1。

图1 剪力墙模型

图2 XG1型钢位置

1.2 材料参数

墙体材料选用C40 标准混凝土，密度2 500 kg/m3,弹性模量3.25×104N/mm2，泊松比0.3[5]。墙内钢筋均为HRB400 级钢筋，钢材选用强度为Q235 的H 型钢，密度为7 800 kg/m3，弹性模量2×105N/mm2，泊松比取0.3，屈服强度、抗拉强度取标准值。剪力墙模型中的轴压比均设为0.3。

1.3 单元划分及加载方式

在ABAQUS 有限元分析软件中对预制混凝土、钢筋、型钢分别进行独立建模，混凝土采用C3D8R 实体单元，钢筋、型钢均采用T3D2 桁架单元。将墙体划分尺寸为100 mm×100 mm，加载梁以及地梁划分尺寸为200 mm×200 mm。试验为拟静力加载试验，进行低周往复加载，施加竖向550 kN 的力，加载梁上部水平面左右方向采用位移加载方式[6]，见图3。

图3 加载方式

2 有限元模拟分析

2.1 模拟结果

XJ1现浇剪力墙的混凝土最大应力值在墙体的右下角端部位置，墙体破坏从端部位置斜向发展，下方端部钢筋发生较大面积的屈服；GJ1 灌浆套筒装配式剪力墙与现浇剪力墙的混凝土最大应力出现位置大致相同，都在墙体下方端部底角位置，两者裂缝展开方向也基本相似，但灌浆套筒装配式剪力墙的混凝土最大承载力比现浇剪力墙承载力要大，其钢筋应力分布及应力最大值与现浇剪力墙也非常相似；XG1 型钢装配式剪力墙的混凝土最大应力值出现在边缘型钢与混凝土交界处，型钢最大应力位于下方端部与地梁相交位置，而中间型钢两侧的中部钢筋发生较大屈服。见图4-图6。

图5 GJ1应力

图6 XG1应力

2.2 结果分析

2.2.1 滞回曲线

3种剪力墙的滞回曲线反映了反复加载过程中的变形特征、刚度退化和耗能情况，3 者的形成过程相似，都是在位移加载过程中试件由弹性状态到塑性状态最后到不可恢复的塑性状态。XG1 的极限承载力最高，XJ1 的极限承载力略大于GJ1。初始加载试样在弹性阶段，曲线所形成的回环细长、面积小。随着水平方向的加载、卸载，滞回环逐渐饱满，3 种剪力墙中XG1 的滞回曲线更加饱满，耗能能力最好；虽然GJ1 的承载力略小于XJ1，但其滞回曲线面积更饱满，说明GJ1的耗能能力比XJ1好。型钢的安装不仅在承载力方面对剪力墙有提高作用，也对剪力墙的变形、耗能能力起到了增强的作用。见图7。

图7 滞回曲线

2.2.2 骨架曲线

骨架曲线是循环加载得到滞回曲线每个滞回环上最大峰值的轨迹，反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性，是确定构件抗震性能的重要依据[7]。

初始阶段3 种剪力墙骨架曲线均是直线，但是经过对比发现XJ1 与GJ1 的斜率基本一致，XG1 的骨架直线斜率大于二者，说明XJ1、GJ1 的初始刚度基本一致，XG1 的初始刚度明显高于二者。XJ1 的极限承载大于GJ1，极限承载后XJ1 曲线一直处于下降状态，GJ1趋于平稳，说明XJ1的极限承载力、刚度大于GJ1，延性低于GJ1。XG1的极限承载力最高，刚度最大，但延性最低。见图8。

图8 骨架曲线

2.2.3 刚度折减（刚度退化曲线）

刚度是结构在受力时抵抗变形的能力，随着加载力度不断增大，剪力墙的整体结构不断损伤，刚度逐渐退化。

式中：Ki为第i 级循环荷载加载下的环线刚度；Pi为第i级循环时的峰值荷载；Δi为第i级循环时的峰值点位移。

剪力墙的刚度随着位移的发展不断减小，3 种剪力墙都有相同的退化趋势，初始阶段刚度下降幅度较大，后期下降缓慢。XG1在加载初期刚度最大，XJ1与GJ1 的初始刚度基本相同，这是由于XG1 试件设置型钢连接，因此远远大于后两者。加载后期，3种剪力墙的刚度退化都较缓慢，下降速率逐渐趋于平缓。整个加载过程XG1 刚度都大于XJ1、GJ1，最终3 种剪力墙的刚度较为相似。见图9。

图9 刚度退化曲线

3 结论

1）对于现浇剪力墙与灌浆套筒装配式剪力墙，两者的极限承载力、骨架曲线、刚度退化曲线都大致相同，滞回曲线后者比前者更加饱满一些，在抗震性能方面灌浆套筒装配式剪力墙略好于现浇剪力墙。

2）放置了型钢的装配式剪力墙承载力远大于现浇和灌浆套筒装配式剪力墙，总体刚度始终大于后两者，滞回曲线也更加饱满，耗能能力增强，抗震性能获得显著提升。