预制装配整体式混凝土剪力墙结构墙板节点非线性有限元分析.pdf

第 1 2卷第 2期 2 0 1 5年 4月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i lwa y Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g Vo l u me 1 2 Nu mb e r 2 Ap r i l 2 01 5 预 制装配整体式 混凝 土剪力墙 结构墙板 节点非线性有 限元分 析 陆铁坚。 王鹏皓， 杨诗龙 ， 宋宁 (中南大学 土木工程 学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 0 ) 摘要： 节点之间如何连接 、 传力、 协同工作是装配式钢筋混凝土结构所需研究的核心问题， 具体来说就是节点之间的钢筋 连接和混凝土界面的处理。在已有试验的基础上， 采用 A N S YS有限元分析软件 中的弹簧单元模拟混凝土界面模型， 对墙 板节点进行非线性有限元分析 ， 并与试验结果进行比较， 结果符合较好， 验讧了有限元模型和计算参数的合理性。并对连 接钢筋强度和锚 固形式对节点受力性能的影响进行比较。研究结果表明： 预制装配整体式剪力墙结构墙板节点具有良好 的承载力， 在节点连接可靠的情况下可以达到与现浇结构构件相当的抗震性能。 关键 词 ： 装配式剪 力墙结构 ； 墙板 节点 ； 界 面模型 ； 非线性 有限元分析 ； 抗震性能 中图分类号 ： T U 3 9 8 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 0 1 5) 0 2 0 3 4 2 0 6 N o n l in e a r f i n it e e le me n t a n a ly s is o f wa l l s l a b j o i n t s o f p r e c a s t c o n c r e t e s h e a r wa l l s t r u c t u r e s L U T i e j i a n ， WA N G P e n g h a o ，Y A N G S h i l o n g ，S O NG N i n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： H o w t o c o n n e c t ， t r a n s f e r f o r c e ， w o r k c o l l a b o r a t i v e l y b e t w e e n t h e j o i n t s i s t h e k e y p r o b l e m f o r t h e p r e c a s t r e i n for c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s S p e c i fi c a l l y，i t i s ma i n l y i n v o l v e d w i t h t h e c o n n e c t i o n o f t h e s t e e l b a r a n d t h e d i s p o s a l o f t h e c o n c r e t e i n t e rfa c e Ba s e d O i l t h e e x i s t i n g e x p e r i me n t s ，t h e s p r i n g e l e me n t i n ANS YS s o f t wa r e wa s u t i l i z e d t o s i mu l a t e t h e i n t e r l a c e mo d e l o f c o n c r e t e a n d c o n d u c t a n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f w a l l s l a b j o i n t s C o m p a r e d w i t h t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， t h e s i m u l a t e d r e s u l t s s h o w g o o d a g r e e me n t ， w h i c h v a l i d a t e s t h e r a t i o n a l i t y o f t h e fin i t e e l e me n t mo de l a n d t h e c a l c u l a t i o n p a r a me t e r s Th e i n flu e n c e o f s t r e n g t h a n d a n c h o r for ms o f c o n n e c t i n g s t e e l b a r s o n t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f j o i n t s w a s a l s o i n v e s t i g a t e d T h e r e s e a r c h r e s u h s d e m o n s t r a t e t h a t t h e w a l l s l a b j o i n t s o f p r e c a s t s h e a r w a l l s t r u c t u r e s p o s s e s s a g o o d b e a ri n g c a p a c i t y ， w h i c h c a n a c h i e v e a s i m i 1 a r s e i s m i c p e rf o r m a n c e w i t h t h e c a s t i n s i t u s t ruc t u r e c o m p o n e n t s fo r t h e c a s e o f r e l i a b l e j o i n t s c o n n e c t i o n Ke y w o r d s ： p r e c a s t s h e a r w a l l s t r u c t u r e s ；w a l l s l a b j o i n t s ；i n t e rf a c e m o d e l ；n o n l i n e a r fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ； s e i s mi c p e rfo r ma n c e 随着我国经济迅猛发展 ， 人们需求不断提 高， 公共住宅大规模建设 ， 实行住宅产业化 已是不可阻 挡的趋势。其 中中南集 团已将从澳大利亚康诺 克 公司引进的 N P C( N e w p r e c a s t c o n c r e t e ) 技术 ， 即新 型预制混凝土装 配技术 ， 成功运用于实际工程 ， 很 好的促进 了这一趋势的发展。预制装配整体式混 收稿 日期 ： 2 0 1 40 81 0 通 讯作者 ： 陆铁 坚( 】 9 6 3一) ， 男 ， 湖南岳阳人 ， 教授 ， 博士 ， 从事高层 结恂抗震 研究 ； Em a i l ： t i e j i a n ma i l e s u e d u c n 第 2期 陆铁坚， 等： 预制装配整体式混凝土剪力墙结构墙板节点非线性有限元分析 3 4 3 凝土剪力墙结构是一种新的符合我 国住宅产业化 的结构形式 ， 属于 N P C技术的一种 ， 其原理是采用 预制钢筋混凝土墙 、 叠合梁、 叠合板代替现浇构件 ， 通过预埋连接件或预 留插孔连接钢筋 以及后浇混 凝土将墙 、 梁 、 板及节点连接形成整体 j 。 目前 ， 国内外对于预制装配式混凝土剪力墙结 构的研究都还不是很完善 ， 仅有 K u r a ma等 主 要对混合预应力装 配式连肢剪力墙结构进行 了大 量试验研究和理论分析。而 国内研究多集 中在装 配式框架结构体系和装配式短肢剪力墙结构体 系 上 。本文在文献 7 的试验基础上 ， 采用 A N S Y S有限元分析软件 ， 对试验模型进行非线性模拟 分析 ， 对 比试 验及模 型的承载力 、 变形 、 破坏形态 等 ， 验证有限元模型计算参数的合理性及预制装配 式混凝土剪力墙结构墙板节点的抗震性能 。并分 析连接钢筋强度和锚 固形式对节点受力性能的影 响， 为这种新型装配式住宅结构体系的后续研究及 推广应用提供理论基础。试验原型如图 1 所示。 1 A N S Y S有限元模型建立 1 1 单元类型选取 根据钢筋处理方式的不同， 钢筋混凝土结构有 限元模型主要分 为分离式 、 整体式和组合式 3种 ， 而 A N S Y S主要采用分离式和整体式 2种模型进行 建模分析。由于预制墙和叠合板内配筋比较均匀， 所以采用整体式建模， 其单元采用专为混凝土开发 的带筋 S O L I D 6 5单元 。装配式混凝土剪力墙墙板 通过节点接缝连接 ， 是其与现浇剪力墙墙板节点最 大的区别 ， 实际就是节点接缝处 的连接钢筋 _ 8 ， 如 图 1 。为区别 连接钢筋与墙、 板 内分 布钢筋 ， 采用 三维杆 L I N K 8单元对连接钢筋进行模拟。由于分 析模型仅考虑弹性阶段 的精确性 ， 因此假定钢筋与 混凝土位移完全协调 ， 即不考虑钢筋与混凝土之间 的黏结滑移。 图 1 试验原型 Fi g 1 Ex p e r i me n t a l mo d e l 预制混凝土构件之 间的钢筋连接和界面模拟 是装配式结构非线性有 限元分析所 需重点考虑 的 问题 ， 而文献 7 所建立 的有 限元模型并没有考虑 墙板节点 的界面接触 问题。为更精确 的模拟预制 墙板节点之间的受力关系， 本文考虑了新老混凝土 可能发生剥离破坏时 的非线性性能 ， 采用 A N S Y S 中的弹簧单元 C O MB I N 3 9来定义界面上属于不 同 混凝土单元但几何位置相 同的节点的切向及法 向 的非线性界面力和相对位移的关 系。有限元模型 中， 参照 2 2节界面 的剪应力 一位移 曲线 、 正应力 一 位移曲线和界面上每个节点所 占的面积 ， 等效为 界面上节点弹簧单元的切 向力 一相对位移、 法向力 一 相对位移关系。 预制板预留坑槽，与墙体伸出拉筋对应 L 卫 墼 卜 L一 1 2材料本构关系 混凝土力 学模 型采 用 多线性 等 向强 化模 型 MI S O， 其受压应力 一应变曲线上升段参照 混凝土 结构设 计规范( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) E9 的单轴 受压 应力 一应变 曲线 ， 下 降段则采用 H o n g n e s ta d的处 理方法 l。 。 ， 将其简化 为一条斜率为 1 5 的斜直线 ( 见图 2 ( a ) ) 。由于混凝土的抗拉强度较低 ， 因此 假定混凝土的受拉应力 一应变关系为一条直线 ， 其 斜率取 为混 凝 土受 压初 始 弹性 模量 ( 见 图 2 ( b ) ) 。混凝土破坏准则采用 A N S Y S默认 的 Wi l l i a m Wa r n k e r 5参数准则。钢筋的本构关 系采用 理想弹塑性模型 ， 将钢筋屈服后的应力 一 应变关系 简化为一条平直线( 见图 2 ( c ) ) ， 其力学模 型采用 j L _ ， 引 H f 3 4 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年4月 2 3 连接钢筋强度影响 文献 7 讨论 了连接钢筋直径对节点受力性 能的影响， 本文对连接钢筋强度对节点的受力性能 进行 进一 步分析 。试 验模 型采 用 的钢 筋型 号为 H R B 4 0 0 ， 本 文模 型 在 试 验 的 基 础 上 还 考 虑 了 HR B 3 3 5和 HR B 5 0 0 2种 型号 ， 计算 结 果 见 图 8 所示 8 O 7 O 6 0 z 5 0 ；4 o 3 ( ) 2 0 l 0 0 图 8 连接 钢筋强度影响 Fi g 8 I n flu e n c e o f c o n n e c t i n g s t e e l ba r s t r e ng t h 经过对 比可以发现 ， 随着 连接钢筋 强度 的提 高， 墙板节点屈服荷载和极 限荷载也随之 提高 ， 说 明连接钢筋强度对节点承载力影响较为显著 。而 节点的变形几乎不变 ， 说 明连接钢筋的强度对节点 变形影响不大。 2 4 连接钢筋锚固形式影响 文献 7 中连接钢筋采用的直线锚固形式 ， 锚 固长度为 5 0 0 m m。本文模型还考虑 了 混凝土结 构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 1 6 中的 9 0 。 弯钩和 1 3 5 。 弯钩 2种锚固形式 ， 9 0 。 弯钩弯后直段长度为 1 2 d ， 即 1 4 4 m m， 1 3 5 。 弯钩弯后 直段长度为 5 d ， 即 6 0 m m 。纵向受拉钢筋采用弯钩锚固时锚固长度 可取为基本锚 固长度 的 6 0 ， 本文考虑试验 中连 接钢筋锚固长度的 6 0 ， 也就是 3 0 0 mm。受压钢 筋仍采用直线锚固。计算结果见图 9 。 图 9 连接钢 筋锚 固形 式影 响 Fi g 9 I n flu e n c e o f c o n n e c t i n g s t e e l a nc h o r f o r ms 由图可知， 9 0 。 弯钩和 1 3 5 。 弯钩 的骨架曲线几 乎重合 ， 且与试验原型 曲线整体趋势一致 ， 承载力 稍低于试验原 型， 说 明这 2种锚 固形式均较为可 靠 。由于分析未考虑钢筋与混凝土的黏结滑移 ， 所 以连接钢筋弯钩锚固与直线锚固相差并不大， 而连 接钢筋锚固长度的缩短导致 了模型承载力的降低 。 从经济和安全的角度方面考虑 ， 建议连接钢筋采用 弯钩锚固。 3 结论 1 ) 采用弹簧单 元及本文界面法 向、 切 向本构 关系能较好地模拟装配式钢筋混凝土结构的新老 混凝土界面模型 ， 对 于弹性阶段结果较为准确 ， 进 入弹塑性阶段以后 ， 计算结果略大于实测结果。为 得到较准确的弹塑性结果 ， 建议考虑连接钢筋与混 凝土之 问的黏结滑移 。 2 ) 从实验结果和非线性有 限元分析来看 ， 由 于连接钢筋的存在 ， 装配式剪力墙结构墙板节点相 比于现浇构件具有更 高的承载力 ， 相 近的变形能 力。 3 ) 对于装 配式结 构墙 板节点来说 ， 接缝处 的 抗剪性能并不是影响节点承载力的主要因素 ， 只要 连接可靠 ， 装配式构件可以达到与现浇构件同样的 抗震性能。如果能够优化节点构造 ， 其抗震性能应 该可以得到进一步提高。 4 ) 有 限元模 型的破坏 模式 和试验 中现 浇构 件、 装配构件的破坏模式一样， 均为板端部形成塑 性铰区， 发生弯曲破坏， 构件的裂缝分布均匀， 利于 抗震耗能。 5 ) 分析证明 ， 连接钢筋强度 的提高可 以提高 墙板节点的承载力 ， 而对节点变形影响不大。连接 钢筋采用弯钩锚固能较好 的满足节点承载力要求 ， 并能有效的节省钢筋 ， 在今后的研究 中可以对节点 和连接钢筋的构造进行进一步优化研究 ， 以便得到 更为合理且经济的节点构造形式。 参考文献 ： 1 陆建忠， 郭正兴， 董年才 ， 等 全预制装配整体式剪力墙 结构抗震性能研究 J 施工技术 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 3 4 2 ) ： 1 6 一 l 9 第 2期 陆铁坚 ， 等： 预制装配整体式混凝土剪力墙结构墙板节点非线性有限元分析 3 4 7 L U J i a n z h o n g， GUO Z h e n g x i n ， DON G Ni a n c a i ， e t a 1 S e i s mi c pe rfo r ma n c e s t ud y o n t he ne w pr e c a s t c o n c r e t e s he a r w a l l s t r u c t u r e J C o n s t ruc t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 3 4 2)： 1 6一l 9 2 K u r a m a Y C， S h e n g Q P o s t t e n s i o n e d h y b ri d c o u p l e d w a l l s u n d e r l a t e r a l l o r d s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 1 3 0 ( 2 ) ： 2 9 73 0 9 3 S h e n g Q， K u r a ma Y C ， We l d o n B S e i s mi c d e s i g n a n d a n a l y t i e a l mo d e l i ng o f p o s t t en s i o ne d h y br i d c o up l e d wa l l s u b a s s e m b l a g e s J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 1 3 2 ( 7 ) ： 1 0 3 01 0 4 0 4 K u r a ma Y C， S h e n g Q S e i s m i c d e s i g n a n d r e s p o n s e e v a u a t i o n o f u n b o n d e d p o s tt e n s i o n e d h y b r i d c o u p l e d wa l l s t ruc t u r e s J E a rt h q u a k e E n g i n e e r i n g& S t ruc t u r a l D y n a mi c s ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 1 4 ) ： 1 6 7 71 7 0 2 5 范力， 吕西林 ， 赵斌， 等 装配式预制混凝土框架结构拟 动力试验研究 J 地震工程与工程震 动， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 9 71 0 5 F AN L i ， L U Xi l i n， Z HAO B i n， e t a 1 P s e u d o d y n a mi c t e s t o n j o i n t e d p r e c a s t c o n c r e t e fl a m e s t r u c t u r e s J J o u rna l o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d E n g i n e e r i n g Vi b r a t i o n ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 9 7 1 0 5 6 刘华 预制预应力短肢剪力墙结构抗震能力试验研究 D 扬州 ： 扬州大学， 2 0 0 7 L I U Hu a E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s e i s mi c c a p a c i t y o f p r e c a s t p r e s t r e s s e d s h o r t p i e r s h e a r w a l l s t ruc t u r e D Ya ng z h o u： Ya ng z h o u Uni v e r s i t y， 2 00 7 7 朱张峰， 郭正兴 预制装配式剪力墙结构墙板节点抗震 性能研究 J 地震工程与工程震动， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 3 5 4O Z HU Z h a n g f e n g ， GUO Z h e n g x i n g S e i s mi c p e rfo r ma n c e r e s e a r c h o n w a l l s l a b j o i n t s o f n e w p r e c a s t c o n c r e t e s h e a r w a l l s t r u c t u r J J o u r n al o f E a rt h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d E n g i n e e r i n g V i b r a t i o n ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 3 5 4 0 8 朱张峰， 郭正兴 预制装配式剪力墙结构节点抗震性能 研究 J 土木工程学报， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 1 ) ： 6 9 7 6 Z HU Z h a n g f e n g， GUO Z h e n g x i n g S e i s mi c t e s t a n d a n aly s i s o f j o i n t s o f n e w p r e c a s t c o n c r e t e s h e a r w a l l s t r u c t u r e s J C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 1 ) ： 6 9 7 6 9 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 S G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0， C o d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t ru c t u r e s S 1 0 江 见 鲸 ， 陆 新 征 ， 叶列 平 混 凝 土 结 构 有 限 元 分 析 M 北京 ： 清华大学出版社， 2 0 0 5 J I A N G J i a n j i n g ， L U X i n z h e n g ， Y E L i e p i n g F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s M B e i j i n g ： T s i n g h u a Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 5 1 1 张微敬 ， 孟涛， 钱稼茹 预制圆孔板剪力墙非线性有限 元分析 J 建筑结构 ， 2 0 1 0， 4 0 ( 1 ) ： 1 51 8 Z HA N G We i j i n g ， ME N G T a o ， Q I A N J i a r u N o n l i n e a r fi ni t e e l e me n t a na l y s i s o f pr e f a b r i c a t e d ho l l o w c o r e r e i n - f o r c e c o n c r e t e s h e a r w al l s J B u i l d i n g S t ruc t u r e ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 1 ) ： 1 5一l 8 1 1 2 S e i b l e F ， L a t h a m C T A n a l y s i s a n d d e s i g n mo d e l s f o l s t r u c t u r a l c o n c r e t e b r i d g e d e c k o v e r l a y s J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 1 0 ) ： 2 7 1 1 2 7 2 8 1 3 彭媛媛 预制钢筋? 昆 凝土剪力墙抗震性能试验研究 D 北京 ： 清华大学， 2 0 1 0 P E NG Yu a n y u a n Ex p e r i me n t a l s t u d y o n s e i s mi c b e h a v i o u r o f p r ec a s t r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r w a l l s D B e i j i n g ： T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 1 4 E N 1 9 9 211 ： 2 0 0 4， E u r o c o d e 2 ： D e s i g n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s Pa r t 1 1： Ge n e r a l rul e s a n d rul e s f o r b ui l d i n g s S 1 5 王新敏 A N S Y S工程结构数值分析 M 北京： 人民 交通出版社 ， 2 0 0 7 W ANG Xi n mi nNume r i c a l a n a l ys i s o f ANSYS s t ru c t u r e s M B e i j i n g ： C h i n a C o mm u n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 7 1 6 郝省玲 装配整体式预制预应力L型短肢剪力墙的抗 震性能分析 D 西安： 长安大学， 2 0 1 2 H A O S h e n i n g S h e a r c a p a c i t y a n a l y s i s o f a s s e mb l e d mo n o l i t h i c p r e c a s t p r e s t r e s s e d L s h a p e d s h o r t s h e a r w a l l D X i a n ： C h a n g a n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ( 编辑蒋学东)