预制预装修模块化箱体连接节点力学性能试验研究及有限元分析

段良杰 ，张永震

(1.淄博市经济开发投资有限公司，山东 淄博255022；2.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction)指预装修模块化箱体,是将一个可运输尺度内的完整房间在预制工厂进行组装加工、装修、安装固定设备,达到模块内精装修入住前的程度后再运到工地进行现场吊装[1]。箱式模块现场施工作业部分较少,只需进行现场安装,对于环境保护十分有利。不同模块箱体之间的连接主要靠墙体预埋件以及连接件[2],此拼装剪力墙主要靠软锁拉环以及插筋和灌浆料,墙体厚度在9 cm左右,在其结合面处采用花纹钢板做底模,以增加结合面的粗糙程度。不同模块箱体在拼装过程中产生大量拼缝,拼缝连接可靠性对结构的安全至关重要。国内外学者对装配式墙体不同拼缝的连接进行了大量研究。李妍等[3]采用ABAQUS软件对螺栓-钢板拼缝连接的装配式混凝土剪力墙进行有限元模拟并与试验中的现浇剪力墙进行对比,研究结果表明螺栓-钢板装配式剪力墙与现浇剪力墙的抗震性能基本一致;曾华益[4]设计制作了3片螺栓连接的全装配式混凝土框式墙体并对其进行了有限元分析,研究结果表明框内采用砌筑蒸压加气混凝土砌块的结构形式对承载力的提升作用更为明显,滞回曲线较为饱满,有限元模拟结果与试验结果基本一致;郭艳芳[5]采用ABAQUS软件对带水平及竖向拼缝装配式剪力墙的抗震性能进行有限元分析,结果表明拼缝部位为装配式墙体的薄弱部位,先于墙体进入破坏状态;刘凯[6]设计制作了预制钢筋混凝土墙板和现浇边缘构件组成的预制装配式墙体并对其进行低周往复加载试验,试验结果表明剪跨比为1.25时,墙体的滞回曲线饱满,变形能力及延性较好;黄远等[7]对采用3个墙与墙软索连接以及3个楼板与楼板软索连接的试件进行了静力加载试验,试验结果表明拼缝抗剪承载力主要由软索受拉产生的界面抗剪摩擦力和软索自身的销栓力组成; Belleri等[8]研究了预制墙体中采用灌浆套筒连接的抗震性能,研究结果表明采用灌浆套筒连接的墙体其抗震性能与传统墙体基本一致。

目前PPVC还未在我国大力发展,其不同箱体模块之间的连接节点是否能够满足安全性的要求还需要进一步验证[9-10]。本文重点研究其破坏形态、荷载位移曲线和滑移位移等力学性能,同时在试验的基础上通过有限元软件ABAQUS对采用软索拉环连接形式的墙体进行有限元分析,并与试验结果进行对比。

1 试验概况

压剪试验试件由4块墙体组成,尺寸及配筋如图1所示。先对墙体下半部分进行拼装,将墙体下半部分软索拉环扣出,如图2(a)所示;其次在对接位置处插入插筋,控制墙体间隙为20 mm,如图2(b)所示,利用密封胶将墙体底部四周拼接缝位置处密封,对下半部分墙体进行灌浆;然后将插筋插入上半部分墙体拉环对接处,并采用槽钢将其与下半部分墙体暂时固定,墙体上下拼缝之间预留20 mm空隙,在拼缝位置处进行密封处理并进行灌浆,如图2(c)所示;试件的竖向荷载由试件顶部的液压千斤顶施加,轴压比为0.1,水平荷载由液压伺服作动器施加,加载方向为由左向右,试验现场装置图如图2(d)所示。

(a)上半墙体侧立面图 (b)上半墙体正立面图

(a)单片墙体 (b)下部墙体拼装

2 试验现象

当水平位移荷载加载到6 mm左右时,墙体无明显裂缝。在水平位移加载到7 mm左右时,墙体左侧水平缝位置处开始出现一条水平裂缝,并随着位移的增加不断延伸发展。当水平位移荷载加载至10 mm左右时,墙体左侧与水平缝相交处上半部分墙体开始局部出现竖向裂缝,并伴随着混凝土脱落,与此同时,墙体右侧下半部分墙体局部出现混凝土鼓裂压碎现象。水平位移荷载加载到13 mm左右时,墙体左侧水平缝处开始出现一定的滑移,墙体左侧上部分墙体向上翘曲,同时伴随着混凝土大量脱落,墙体右侧底部混凝土开始被压碎。水平荷载加载到15 mm左右时,墙体承载力下降到极限承载力的85%,停止加载,此时试验结束。压剪试验现象如图3所示。

(a)正立面图 (b)侧立面图 (c)底部混凝土压碎图3 压剪试验现象

3 试验结果及承载力分析

由荷载位移曲线(图4)可以看出,在加载阶段初期曲线斜率基本呈线性分布,表明此阶段墙体还处于弹性阶段;随着位移的增加,曲线斜率有所改变,墙体的最大水平抗剪承载力为203 kN。

图4 压剪试验荷载位移曲线

下面对拼缝处节点力学性能进行分析。由墙体压剪试验可以看出,在水平位移荷载作用下,墙体上下连接部位出现水平裂缝并出现水平滑移,由于水平拼缝处的滑移,使得水平拼缝位置处的竖向插筋承受拉(压)剪复杂内力,造成了此位置处的钢筋过早屈服;墙体右侧水平缝位置处混凝土也承受了较大的压剪内力,过早发生了压碎而提前退出工作,墙体的薄弱位置在水平拼缝处;拼缝位置处主要靠界面之间的粘结力、钢筋的销栓作用力、混凝土与灌浆料之间的界面摩擦力来抵抗水平剪力。墙体受力情况如图5所示,由图5可知,墙体水平缝位置处左侧混凝土承受拉应力,右侧承受压应力,因此水平裂缝由左侧向右侧延伸且左侧部分墙体向上翘曲。

图5 墙体受力情况

4 压剪试件有限元模型及参数分析

4.1 有限元模型

通过ABAQUS有限元软件建立压剪试验有限元模型。混凝土采用 C3D8R 六面体线性缩减积分实体单元;预制墙体钢筋均采用 T3D2 二节点三维桁架单元;考虑插筋因剪切和弯曲产生的剪切应力与正应力,插筋采用B31两节点空间线性梁单元,以体现水平相对滑移对纵向钢筋造成的销键剪切作用。混凝土与灌浆料采用塑性损伤本构模型,钢筋采用二折线性的弹性强化模型。从试验现象可以看出,在试件的水平连接部位未发现明显的竖向裂缝,故可以采用tie约束;对于试件的上下连接部位,其结合面位置处出现较为明显的水平滑移,故采用面与面接触,法向采用“硬接触”,切向采用“罚摩擦接触”,在达到其临界应力之前,界面处于临界摩擦状态,当达到临界应力之后,界面处于滑动摩擦状态,摩擦系数取1;墙体、加载梁、地梁之间采用tie约束,约束地梁底端的位移。有限元模型如图6所示。

(a)装配体模型 (b)钢筋骨架 (c)网格划分图6 有限元模型

4.2 荷载位移曲线对比

试验与模拟的荷载位移曲线对比如图7所示,由图7可知:

图7 荷载位移曲线对比

1)在初始加载阶段,有限元模拟初始刚度大于试验试件的刚度,分析其原因为:试件在制作过程中存在初始缺陷,如存在灌浆料灌浆不充分和运输过程中出现损伤等;有限元模拟为有限自由度,试验试件中为无限自由度,因此有限元计算刚度大于真实刚度。

2)两者之间的变化趋势存在差异。试验试件在达到峰值荷载时,承载力下降迅速;有限元模拟达到峰值荷载时,承载力下降较为缓慢。

3)承载力方面,试验中其抗剪承载力为203 kN,而有限元模拟的抗剪承载力为194 kN,试验与有限元模拟在承载力方面相对误差为4.4%。

4.3 破坏形态对比

墙体破坏图如图8所示。由图8可知,墙体上下连接部位发生了水平滑移,同时在墙体左侧产生了翘曲;墙体右侧下半部分混凝土发生了大面积脱落压碎现象。有限元破坏云图如图9所示。由图9(a)、图9(b)可知,在墙体左侧水平缝连接部位及右侧下半部分混凝土塑性应变较大;由图9(c)可知,在水平缝连接部位处的钢筋存在较大的剪切变形,水平缝位置处及右侧墙趾部位钢筋存在较大的应力;由图9(d)可以看出,墙体的水平侧移主要存在于上部墙体,下部墙体侧移较小,试验与有限元模型破坏形态相吻合。

(a)墙体整体破坏图 (b)墙体侧面破坏图图8 墙体破坏图

(a)最大主塑性应变云图及变形 (b)水平裂缝及变形

5 结论

通过对预制预装修模块化箱体节点进行压剪试验及有限元分析可得到如下结论:

1)从压剪试验结果可知,墙体在其水平缝位置处发生了较大的滑移,水平缝为墙体的薄弱部分,上半部分墙体位移较大,竖向钢筋承担较大的剪切应力,试验的破坏形态与有限元模拟具有高度吻合性。

2)从荷载位移曲线对比中可以看出,有限元模拟的初始刚度较高,曲线在下降阶段较为平缓。

3)通过有限元分析及试验可知,影响墙体水平承载力的因素主要有混凝土与灌浆料界面之间的粘结力、摩擦力和钢筋的销栓作用力,因此可通过提高两者之间的粘结力和摩擦力、增大钢筋直径及强度的方式提高墙体的水平承载力。