潘尚杰

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 引言

傳統(tǒng)建筑行業(yè)不斷升級(jí)， 住宅產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化大勢所趨。 疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)簡單，施工方便快捷且對(duì)環(huán)境影響較小，得到國家和地方大力支持。 該結(jié)構(gòu)是由疊合墻板和其他預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式進(jìn)行連接并與現(xiàn)場后澆混凝土形成整體的裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。 針對(duì)疊合板式剪力墻水平拼縫處兩種不同的構(gòu)造措施方式，結(jié)合同等條件下全現(xiàn)澆構(gòu)件，利用有限元軟件ABAQUS 建立模型并分析其在單向加載情況下混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變和受力傳遞情況。

1 本構(gòu)關(guān)系

本模型受疊合面摩擦機(jī)制影響，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和歸納， 在ABAQUS 軟件中對(duì)各材料參數(shù)的設(shè)置來近似模擬構(gòu)件在加載過程中的工作性能和破壞形態(tài)［1］。

1.1 混凝土本構(gòu)

對(duì)于不同的模型，本構(gòu)關(guān)系的選擇將直接影響數(shù)據(jù)和結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了將理論模型與實(shí)際模型相對(duì)應(yīng)，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010），提出了分析模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具體參數(shù)的設(shè)置情況。

ABAQUS 軟件中存在彌散裂縫模型和塑性損傷兩種混凝土本構(gòu)模型。疊合板式剪力墻板混凝土本構(gòu)關(guān)系選用塑性損傷模型[2]（圖1）。

圖1 混凝土本構(gòu)模型

1.2 損傷因子

根據(jù)實(shí)際情況，引入損傷因子的概念，通過損傷因子來描述卸載時(shí)材料剛度退化等現(xiàn)象。具體按式（1）求得損傷因子數(shù)值：

式中：t，c 分別代表拉伸和壓縮損傷因子； β 為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時(shí)取0.35～0.7，受拉時(shí)取 0.5～0.95；E0為混凝土彈性模量； α 為混凝土單軸受拉或受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段的參數(shù)值；εin為混凝土拉壓下的非彈性階段應(yīng)變[3]。

1.3 鋼筋本構(gòu)

剪力墻中的鋼筋本構(gòu)模型關(guān)系采用雙折線應(yīng)力—應(yīng)變曲線，參照我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）附錄C 中鋼筋本構(gòu)關(guān)系與準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.4 材料性能參數(shù)

構(gòu)件中混凝土和鋼筋的材料性能參數(shù)見表1、2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

2 模型參數(shù)

根據(jù)水平拼縫處搭接鋼筋的不同構(gòu)造措施，選取單排插筋和雙排插筋方式，具體操作見圖2。

圖2 水平拼縫鋼筋搭接方式

本模型由預(yù)制層、 現(xiàn)澆層和搭接鋼筋組成，根據(jù)不同插筋方式與搭接鋼筋的直徑， 確定截面為200 mm×200 mm×648 mm 的雙排構(gòu)件與截面為200 mm×200 mm×864 mm 的單排構(gòu)件，兩側(cè)預(yù)制墻板混凝土層厚50 mm，中間夾芯混凝土層厚100 mm，構(gòu)件兩端鋼筋伸出300 mm。構(gòu)件尺寸如圖3 所示，圖3 中，G-1 為預(yù)制單排構(gòu)件，G-2 為預(yù)制雙排構(gòu)件，G-3 與G-4 為與之對(duì)應(yīng)的全現(xiàn)澆構(gòu)件。

圖3 構(gòu)件尺寸

3 有限元結(jié)果分析

3.1 加載制度

此構(gòu)件采用ABAQUS 模擬動(dòng)力學(xué)分析方式，加載制度為單向加載， 構(gòu)件下端兩條縱向鋼筋固定，上端搭接鋼筋采用向上位移加載，預(yù)加載至搭接鋼筋斷裂。 經(jīng)計(jì)算分析，擬定向上加載100 mm。

3.2 鋼筋破壞形態(tài)及應(yīng)力分析

有限元分析結(jié)果和構(gòu)件縱截面中搭接鋼筋受拉破壞形態(tài)及其受力情況見圖4。 由圖4 可以看出，受垂直向上力的影響，加載初期試件加載端鋼筋應(yīng)力急速增大，下端鋼筋受反作用力應(yīng)力同時(shí)增大，隨著位移增大，兩端鋼筋向混凝土中傳力，混凝土中鋼筋應(yīng)力向中間傳遞。 由于鋼筋搭接較長，鋼筋與混凝土之間的握裹力遠(yuǎn)大于鋼筋所能承受的極限拉應(yīng)力，所以鋼筋不會(huì)被拔出。 最終，隨著加載位移的不斷增大，4 組構(gòu)件上部搭接鋼筋都在距頂端10 cm 左右被拉斷。

圖4 有限元分析鋼筋受拉破壞形態(tài)

鋼筋位移荷載曲線見圖5， 由圖5 可知，4 組構(gòu)件在位移加載初期，其上部搭接鋼筋應(yīng)力增長迅速，并很快到達(dá)鋼筋的屈服點(diǎn)， 鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，并隨著位移增大，鋼筋逐漸達(dá)到極限強(qiáng)度，最終拉斷。構(gòu)件主要特征參數(shù)如表3 所示。 由表3 可知，構(gòu)件中鋼筋的屈服點(diǎn)和受拉破壞時(shí)的極限點(diǎn)與鋼筋自身材料屬性有關(guān)，鋼筋本身直徑越大，屈服點(diǎn)越高，而預(yù)制構(gòu)件中鋼筋破壞時(shí)的位移要稍大于現(xiàn)澆構(gòu)件。

表3 鋼筋破壞時(shí)主要參數(shù)

圖5 鋼筋荷載位移曲線

3.3 混凝土破壞形態(tài)及應(yīng)力分析

構(gòu)件縱截面混凝土有限元分析結(jié)果如圖6 所示。 由于帶肋鋼筋與混凝土之間存在鋼筋與混凝土接觸面上的膠結(jié)力， 混凝土收縮握裹鋼筋產(chǎn)生的摩阻力以及帶肋鋼筋嵌入混凝土產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，當(dāng)兩端鋼筋受拉時(shí)，混凝土內(nèi)部發(fā)生受壓破壞。混凝土發(fā)生破壞部位位于混凝土與鋼筋的接觸面， 并主要集中在兩端鋼筋超出混凝土的位置， 混凝土應(yīng)力隨鋼筋應(yīng)力的傳遞同時(shí)向混凝土中部傳遞。 因?yàn)閹Ю咪摻钆c混凝土接觸面凹凸不平， 混凝土應(yīng)力隨之波動(dòng)。雙排插筋方式混凝土受力較為集中，上部搭接鋼筋與混凝土內(nèi)部接觸3 cm 處混凝土所受應(yīng)力變化如圖7 所示，兩組預(yù)制構(gòu)件在相同位置上混凝土所受應(yīng)力峰值略大于現(xiàn)澆構(gòu)件，受鋼筋直徑大小影響，鋼筋所受應(yīng)力會(huì)隨之改變，從而決定混凝土所受應(yīng)力大小。

圖6 有限元分析混凝土受壓破壞形態(tài)

圖7 混凝土中某點(diǎn)應(yīng)力變化

4 結(jié)論

（1）四組構(gòu)件搭接鋼筋都發(fā)生受拉破壞，受拉破壞的位置大致相同，其位移荷載曲線走勢基本相同，但屈服點(diǎn)和受拉破壞時(shí)所受的極限拉應(yīng)力取決于鋼筋自身屬性，與鋼筋強(qiáng)度、直徑有關(guān)。

（2）預(yù)制構(gòu)件中現(xiàn)澆部分受力會(huì)隨搭接鋼筋受力方向發(fā)生細(xì)微移動(dòng)，而由于預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分粘結(jié)性能良好，摩擦阻力較大，使得現(xiàn)澆部分只發(fā)生細(xì)小位移。

（3）混凝土內(nèi)部發(fā)生受壓破壞，破壞位置主要集中在鋼筋超出混凝土部位，并隨著鋼筋在混凝土內(nèi)部延伸，破壞在鋼筋與混凝土接觸面?zhèn)鬟f，現(xiàn)澆構(gòu)件整體性略好于預(yù)制構(gòu)件，雙排插筋方式性能稍大于單排插筋方式。