新型装配式剪力墙恢复力模型_樊禹江.pdf

第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：樊禹江（），男，副教授，博士，主要从事新型装配式结构设计及抗震性能研究。：引用本文：樊禹江，葛俊，艾斌平，等新型装配式剪力墙恢复力模型河海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：新型装配式剪力墙恢复力模型樊禹江，葛 俊，艾斌平，丁佳雄，廖 凯（长安大学建筑学院，陕西 西安；长安大学建筑工程学院，陕西 西安）摘要：针对新型装配式剪力墙结构，以轴压比和边缘构件纵筋配筋率为对照参数，设计了 个缩尺比为 的剪力墙试件并进行了拟静力试验。试验结果表明，个试件的最终破坏模式相近，表现为墙体斜裂缝开展至受压区混凝土剥落的弯剪破坏；轴压比的减小或边缘构件纵筋配筋率的降低均对新型装配式剪力墙抗震性能有不利影响，表现为滞回性能减弱和极限承载力降低。结合有限元模拟结果，建立了新型装配式剪力墙的五折线骨架模型及恢复力模型，该模型与试验结果吻合较好，可以为新型装配式剪力墙结构的弹塑性地震反应分析提供参考。关键词：装配式剪力墙；水平连接；抗震性能；数值模拟；恢复力模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；近年来，湿式连接装配式剪力墙在实际工程中得到了广泛的应用，从设计层面到施工层面已基本形成了完善的体系。但由于现场湿作业的存在，湿式连接方法未能充分体现装配式建筑的优势，基于此，干式连接装配式剪力墙成为现阶段诸多学者的研究方向。等提出一种采用型钢接头和高强螺栓组合的干式连接方法，并进行了拟静力试验，结果表明，连接组件传力可靠，能够确保剪力墙强度和延性的充分开展；等在胶合木剪力墙中研究了螺栓的加固效果，通过拟静力试验发现，螺栓加固剪力墙的延性及等效阻尼较未加固墙体均有明显的提升，验证了螺栓连接锚固预制混凝土墙体的可行性；等提出一种采用螺纹钢锚杆连接的预制剪力墙，连接部位的钢锚栓能够作为结构延性熔断器，有效地减少地震作用下混凝土的损伤；赵斌等提出一种螺栓钢连接件套筒形式的剪力墙水平接缝方案，并开展拟静力试验，结果表明，套筒能够有效传递钢筋内力，水平接缝连接性能可靠；韦宏等研究了钢板焊接连接的带水平接缝预制剪力墙的抗震性能，结果表明，剪力墙表现出较好的滞回性、延性和耗能能力；方强等提出一种水平接缝第 期樊禹江，等 新型装配式剪力墙恢复力模型采用螺栓和 型钢框连接、竖向接缝采用有限滑动螺栓连接的新型装配式剪力墙，试验发现，该新型装配式剪力墙工作机制明确，有限滑动螺栓显著提升了剪力墙的延性和耗能能力；黄炜等设计试验综合对比了采用螺图 新型装配式剪力墙构造 栓连接、盒式连接和 型钢板连接预制剪力墙的抗震性能，结果表明，种接缝连接件均为破坏，采用螺栓连接的试件承载能力较强，采用盒式连接的试件变形能力较差，而采用 型钢板连接的试件变形能力最好。上述研究结果表明，基于合理的设计，螺栓、钢板等连接件可解决预制剪力墙水平接缝部位的传力需求，基于此，樊禹江等提出一种具有耗能减震功能的新型装配式剪力墙，其构造设计见图，箱型钢表面预焊锚固短筋，并与剪力墙内纵筋端部焊接连接，再整体浇筑混凝土，最后通过 型钢和螺栓连接装配。剪力墙受到水平荷载时，内外型钢发生相对转动，实现载荷传递与摩擦耗能功能。由于传统的恢复力模型已无法阐述新型装配式剪力墙的受力行为，为此本文在其结构抗震性能试验的基础上，提出一种适用于新型装配式剪力墙的五折线骨架模型。拟静力试验概述 试件制作制作 个新型装配式剪力墙试件，缩尺比为 ，剪跨比为，墙体的长、厚、高依次为 、和。下部水平连接装置采用厚度均为 的箱型钢板和 型钢板，装置中心开设的圆形孔直径为，两侧圆弧形滑道的宽度为，圆弧角度为，颗高强螺栓直径为，性能等级为 级。试件 设计轴压比为，边缘构件纵筋配筋率为.。相较典型试件，试件 设计轴压比为，试件 边缘构件纵筋配筋率为，其余参数与试件 一致。混凝土强度等级为，对 个试件采用同批次混凝土浇筑。剪力墙分布区选用 钢筋，箍筋选用 钢筋，边缘构件纵筋选用直径（试件、）和（试件）的 钢筋，箱型钢表面预焊短筋选用直径 的 钢筋，并做长度为、角度为 的弯钩，底梁的受力纵筋选用直径为 和 的 钢筋。典型试件 的配筋和构造尺寸如图 所示。图 试件 配筋 加载制度 个剪力墙试件均于工厂预制完成，并在加载现场进行螺栓连接装配并施加预紧力。试验采用液压千斤顶施加竖向荷载，作动器施加水平荷载。施加的竖向荷载在试验过程中保持恒定，加载数值由剪力墙设计轴压比确定，试件 和 为，试件 为。水平加载全程采用位移控制，加载制度见图，加载初期控制水平位移为，使用扭矩扳手对高强螺栓施加 的预紧力，增量河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 加载制度 梯度为，位移往复循环 次。加载后期控制预紧力恒定为，依次施加、和 的位移荷载，位移往复循环 次，末级位移荷载加至作动器水平荷载急剧下降时停止。试验结果 破坏性态图 为 个试件的最终破坏模式。从图 可以看出，试件的裂缝分布形态受到轴压比及边缘构件纵筋配筋率的影响。试件 墙身中部交叉斜裂缝分布较广，对称程度较好，斜裂缝开展至约 墙高处；试件 墙身斜裂缝开展角度相对平缓，墙体边缘裂缝走向基本呈水平趋势，且裂缝多分布于 墙高以下的部位，说明轴压比的降低对剪力墙抗剪性能有削弱作用；试件 墙身交叉裂缝主要分布于墙体受压侧（水平作动器外推时），对称程度较差，同时墙角处混凝土受压剥落严重。结合各试件裂缝开展过程，个试件的破坏模式总体表现为斜裂缝萌发及深入开展，接着伴随墙角部位混凝土压溃脱落和边缘构件竖向纵筋屈服，表明 个试件均呈弯剪型破坏。图 各试件破坏模式 典型试件 的墙体构造与文献中普通现浇剪力墙试件 一致，对比其破坏过程发现，二者的承载性能接近且破坏模式相同，但试件 的变形能力更好。试件 底部的连接钢板和螺栓均未出现明显的损伤，仅钢垫片发生变形，其与 型钢接触部位有磨损痕迹，说明试件 的水平连接性能可靠。尽管水平连接装置的相对转动在实现摩擦耗能的同时放大了试件 的侧移，但试件所受重力荷载和竖向荷载的偏心作用对剪力墙承载性能和破坏性态的影响并不明显。滞回曲线和骨架曲线 个试件的荷载 位移（）曲线如图（）（）（）所示，可以看出，各试件滞回曲线饱满，剪力墙所受水平荷载在 的位移加载范围内无明显变化，当位移加载至 时，水平荷载明显增大。总体来看，新型装配式剪力墙的滞回性能良好。相较试件，试件 和试件 的曲线捏缩现象更为显著，说明较低的轴压比或边缘构件纵筋配筋率均会削弱新型装配式剪力墙的滞回性能。图 滞回曲线与骨架曲线 图（）为各试件骨架曲线对比，可以看出：个试件的骨架曲线发展规律一致，分为 个阶段：弹性阶段；墙体协同水平装置摩擦转动，曲线第 期樊禹江，等 新型装配式剪力墙恢复力模型近似水平；墙体受力屈服进入弹塑性阶段；墙体达到极限状态进入破坏阶段。个试件的骨架曲线在阶段和阶段基本重合，说明墙体协同水平装置摩擦转动时，其所受水平荷载与轴压比和边缘构件纵筋配筋率无明显关系。相较于试件，试件 和试件 的极限承载力分别降低了和，说明轴压比或边缘构件纵筋配筋率的减小均会导致新型装配式剪力墙的极限承载力降低。数值模拟及分析 模型建立与验证采用 建立新型装配式剪力墙实体模型。除墙体内部钢筋采用 单元外，其余实体部件均采用 单元。混凝土本构采用 混凝土结构设计规范中建议的塑性损伤模型，材料属性参数则充分考虑混凝土在加载过程中弹性、塑性阶段和循环荷载的损伤累积，并参考材料性能试验结果进行设置，钢筋本构选择文献建议的方法。为避免剪力墙底部连接部位产生滑移，采用绑定约束方式将上部剪力墙与下部箱型钢黏结为整体，并将 型钢底部按照完全固结处理。剪力墙水平连接部位的 个摩擦面（型钢和箱型钢、型钢和钢垫片）均定义为通用接触，摩擦系数取。考虑到水平加载初期，墙体协同水平装置表现为低速转动，将水平装置中心定义为铰以模拟转动效果。为保证加载时水平装置的预紧效果，施加预紧荷载前对水平装置 个接触面的贴合情况进行二次验证。模拟得到试件 的极限状态应力云图如图 所示。由图 可以发现，对于剪力墙而言，应力集中主要表现在剪力墙的受压侧和边缘构件受拉纵筋一侧，而水平装置的应力集中主要表现在装置中心两侧的螺孔周围，从模拟情况来看，模拟结果与试验现象基本吻合。图 试件 应力云图 图 模拟结果与试验结果对比 片试件的试验结果与相应有限元分析结果对比见图。由图 可以看出，模拟所得 曲线变化规律与试验结果基本一致，与试验结果相比，曲线的水平滞回段表现更为明显。有限元分析的 曲线对称程度高，其正负向极限位移基本相等，而试验得到的各试件负向极限位移较正向极限位移明显增大。此外，在往复 的加载初期，模拟结果较试验值偏差仅在 以内，且各试件极限承载力偏差均在 以内，表明所建模型计算精度良好，可以应用于新型装配式剪力墙的模拟分析之中。河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 参数分析为探究轴压比和边缘构件纵筋配筋率对新型装配式剪力墙抗震性能影响的一般规律，依据新型装配式剪力墙实体模型建模方法并以控制单一变量为原则，建立了轴压比（）为、和，边缘构件纵筋配筋率 为、和 共 组有限元模型。加载制度调整如下：控制螺栓预紧力为 ，以 为位移增量施加 位移荷载，每级往复循环 次。随后直接施加 位移荷载，并以 为增量至水平荷载明显下降，每级往复循环 次。参数分析结果如图 所示。由图 可以发现，随着参数数值的增大，轴压比参数模型的极限承载力在模拟范围内提高了，边缘构件纵筋配筋率参数模型的极限承载力提高了，这与试验得到的一般影响规律一致。图 参数模拟分析 恢复力模型图 无量纲化骨架曲线及模型 骨架曲线模型由于试验时工况等因素的限制，未进行水平位移为 的新型装配式剪力墙变位移加载试验，而有限元模拟结果较为理想，因此在建立新型装配式剪力墙无量纲化骨架曲线模型时，水平位移未达 的数据点均采用 模拟结果进行补充。以试件的峰值点作为基准点进行骨架曲线的无量纲化，得到 个试件的无量纲化骨架曲线，见图（）。可以看出，个试件的无量纲化骨架曲线呈现的变化趋势大致相同。由于新型装配式剪力墙循环加载过程中，上部墙体及箱型钢在达到一定的水平荷载后会发生转动滑移，所以第 期樊禹江，等 新型装配式剪力墙恢复力模型其骨架曲线存在 个变化阶段。依据试验及模拟结果建立五折线骨架模型，具体分为剪力墙起滑前的上升段，起滑后的平台段，达到水平装置螺孔限位后的弹性段、弹塑性段及下降段。简化的五折线骨架模型见表 回归确定的五折线骨架模型 加载线段回归方程与 轴夹角（）斜率正向负向（）（）（）（）（）（）（）（）图（），点（）依次对应骨架曲线的起滑点、平台点、屈服点、峰值点和极限点。根据图（）中提供的特征点坐标求解各阶段曲线的斜率，即为无量纲化刚度值，通过线性方程的求解得到适用于本文新型装配式剪力墙的五折线骨架模型，如表 所示。刚度退化规律确定新型装配式剪力墙的恢复力模型除简化无量纲化骨架曲线外，还应明图 刚度退化规律 确其滞回循环规则。分析试验滞回曲线和刚度变化曲线发现，在整个拟静力循环加载的过程中，特别是超过结构的屈服荷载后，加载刚度与卸载刚度均有明显退化。基于试验结果分别对进入弹塑性阶段后的新型装配式剪力墙在相同循环位移下的加卸载刚度变化规律进行研究（图），采用割线刚度代替加卸载刚度值。正向卸载刚度 退化规律循环加载过程中，连接屈服点之后正向开始卸载点及卸至零载时对应点得到线段，以该线段的割线刚度作为，经回归分析得到无量纲化 与 的拟合曲线，见图（）。的退化曲线方程为 （）（）式中：为正向加载初始刚度；为正向卸载位移；为正向加载时的极限位移。图 刚度退化规律曲线 反向加载刚度 退化规律继续加载，连接正向残余卸载点及反向加载最大点得到线段，以该线段的割线刚度作为。经回归分析得到无量纲化 与 的拟合曲线，见图（）。的退化曲线方程为 （）（）式中：为反向加载初始刚度；为反向加载位移；为反向加载时的极限位移。反向卸载刚度 退化规律循环加载过程中，连接反向开始卸载点及卸载至零时对应点得到线