裝配式混凝土剪力墻水平受力的多線性簡化分析

裝配式混凝土剪力墻水平受力的多線性簡化分析

新安裝的混凝土墻結(jié)構(gòu)（rcm）是一種適應(yīng)中國國情的新住宅結(jié)構(gòu)形式。其主要組成部分為rcm墻、u梁和重疊板。預(yù)埋連接鋼筋，后混凝土填充至整個構(gòu)件。符合建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的趨勢，并可實現(xiàn)綠色施工，具有廣闊的應(yīng)用前景。NPC剪力墻通過分層預(yù)制、豎向連接鋼筋漿錨間接搭接連接,形成整體剪力墻。NPC剪力墻連接節(jié)點相對上、下層預(yù)制剪力墻板,強度和剛度明顯偏低,在水平荷載作用下,此處變形集中,形成薄弱部位。國內(nèi)外學者對類似剪力墻節(jié)點的試驗及理論研究均驗證了這一現(xiàn)象。因此,NPC剪力墻連接節(jié)點應(yīng)通過合理設(shè)計及構(gòu)造,以便可靠傳遞水平荷載作用下產(chǎn)生的剪力、壓力及拉力。本文在既有試驗成果的基礎(chǔ)上,提出了NPC剪力墻在水平荷載作用下的多線性簡化分析模型(multi-linearsimplifiedmodel,MLSM),以便應(yīng)用于NPC剪力墻的分析、設(shè)計及抗震性能評價中。1試驗結(jié)果的總結(jié)1.1試驗構(gòu)件及試件參數(shù)為掌握NPC剪力墻在水平荷載(地震作用)下的受力性能和抗震能力,對2個NPC剪力墻足尺試件進行了低周反復荷載試驗,試件編號分別為ZP1和ZP2,兩者尺寸、配筋及連接構(gòu)造均相同,僅試驗軸壓比不同,ZP1試件為0.10,而ZP2試件為0.15。試件制作詳圖及加載簡圖如圖1所示。1.2試件破壞形態(tài)1)試件ZP1加載初期(荷載絕對值<100kN),試件處于未裂彈性階段,加、卸載荷載位移曲線基本重合;至110kN荷載等級階段,在試件受拉側(cè)拼縫處出現(xiàn)水平裂縫,進入拼縫張開階段,隨著荷載等級提高,試件根部出現(xiàn)水平裂縫,拼縫處水平裂縫向根部傾斜,并向?qū)茄由?至150kN荷載等級階段,受拉側(cè)連接鋼筋屈服,試件進入屈服階段;至40mm位移等級階段,拼縫處連接鋼筋和金屬波紋管裸露,混凝土壓碎,試件破壞。2)試件ZP2加載初期(荷載絕對值<120kN),試件處于未裂彈性階段,加、卸載荷載位移曲線基本重合;至120kN荷載等級階段,在試件受拉側(cè)拼縫處出現(xiàn)水平裂縫,進入拼縫張開階段,隨著荷載等級提高,試件根部出現(xiàn)水平裂縫,拼縫處水平裂縫向根部傾斜,并向?qū)茄由?至180kN荷載等級階段,受拉側(cè)連接鋼筋屈服,試件進入屈服階段;至32mm位移等級階段,拼縫處混凝土受壓側(cè)出現(xiàn)開裂楔形塊,剛度突降,試件破壞。試驗實測滯回曲線及試件最終破壞形態(tài)如圖2所示。從圖中可以看出,NPC剪力墻破壞形態(tài)與現(xiàn)澆剪力墻理論破壞形態(tài)完全不同,NPC剪力墻變形主要集中于水平拼縫處,上部剪力墻基本完好,下部剪力墻呈現(xiàn)剪切破壞形態(tài)。本次試件僅在墻肢端部設(shè)置了較粗連接鋼筋進行連接,取消了墻體中部分布鋼筋的連接,使拼縫面成為潛在的抗剪薄弱截面,在低周反復荷載作用下,拼縫面及下部剪力墻剪切破壞明顯,使得滯回環(huán)出現(xiàn)了一定程度的捏縮,影響了墻體耗能能力的發(fā)揮。2連接構(gòu)造的建立根據(jù)試驗成果及理論分析,并結(jié)合NPC結(jié)構(gòu)剪力墻豎向連接節(jié)點的特殊連接構(gòu)造,建立NPC結(jié)構(gòu)剪力墻在水平荷載作用下的受力全過程分析方法,即建立多線性簡化模型(MLSM)逼近NPC剪力墻實際的非線性骨架曲線,以近似反映NPC剪力墻在水平荷載作用下的荷載-變形規(guī)律。2.1混凝土預(yù)壓refres根據(jù)試驗成果及理論分析,認為NPC剪力墻豎向節(jié)點在墻肢頂部單調(diào)水平荷載作用下,將經(jīng)歷以下關(guān)鍵受力狀態(tài):(1)混凝土最外側(cè)受壓纖維消壓(decompressionintheextremeconcretefiber,DCC);(2)受拉連接鋼筋消壓(decompressionintheextremeconnectionsteelbar,DCS);(3)混凝土保護層剝落(spallingofconcretecoverintheconnection,SCC);(4)受拉連接鋼筋屈服(yieldingofthetensileconnectionsteelbar,YTS);(5)約束混凝土壓碎(crushingofconfinedconcrete,CCC)。若能確定上述5個關(guān)鍵受力狀態(tài)的荷載及位移,并作為關(guān)鍵點的縱、橫坐標,依次連接各關(guān)鍵點,即可繪制出節(jié)點受力全過程的荷載-位移曲線。2.2下層預(yù)制剪力墻板參數(shù)分析為實現(xiàn)及簡化MLSM的建立,采用下列合理假設(shè)和近似:(1)在水平荷載作用下,NPC剪力墻節(jié)點僅發(fā)生面內(nèi)變形;(2)鑒于灌漿料的強度較高且試驗中未發(fā)生破壞,為方便計算,偏于安全地將截面灌漿料部分用同面積的混凝土取代;(3)混凝土的破壞主要發(fā)生在下層預(yù)制剪力墻板中,因此,分析中相關(guān)參數(shù)采用下層預(yù)制剪力墻板的截面和材料特性;(4)摩擦抗剪機制的作用約束了上、下層預(yù)制剪力墻板沿水平拼縫的相對滑移;(5)預(yù)制剪力墻板彈性階段(DCC階段)后的彎曲變形增量忽略不計;(6)連接鋼筋錨固良好,可充分發(fā)揮其抗拉強度;(7)灌漿料坐漿層較薄(15mm),不能約束連接鋼筋的變形,可認為在坐漿層厚度內(nèi)連接鋼筋是無黏結(jié)的;(8)對于拼縫張開后混凝土界面的接觸部分,平截面假定仍然適用;(9)不考慮連接鋼筋的應(yīng)變強化效應(yīng),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3a所示;(10)素混凝土本構(gòu)關(guān)系采用文獻提供的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,約束混凝土本構(gòu)關(guān)系采用文獻根據(jù)軸壓大小、矩形箍筋約束情況確定的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,建立的本構(gòu)模型如圖3b所示。(11)為計算方便,“Z”防水水平拼縫截面用平截面代替。2.3計算和分析簡單圖根據(jù)試驗中試件破壞形態(tài)確定圖4所示計算簡圖,作為MLSM的建立基礎(chǔ)。2.4導出mlmm的過程2.4.1剪力墻頂水平位移該階段的典型特征為受水平荷載引起的彎矩影響,離轉(zhuǎn)動點最遠側(cè)混凝土的壓應(yīng)力消失,這標志著水平拼縫即將張開。類似于未開裂混凝土,引入截面應(yīng)變線性分布假定,該階段末的消壓荷載(Fl,dcc)可通過下列過程計算:式中:hwu為上層剪力墻板高度(mm);lw為剪力墻截面高度,即剪力墻長度(mm);tw為剪力墻截面寬度,即剪力墻厚度(mm);σini為由總豎向荷載(包括軸向壓力Na和上層墻板自重Wwu)產(chǎn)生的水平拼縫截面初始壓應(yīng)力;Iw為根據(jù)毛截面計算的剪力墻截面慣性矩;cini為由轉(zhuǎn)動點量測的初始中性軸位置。在DCC階段,考慮到水平拼縫間隙還未產(chǎn)生,且混凝土壓應(yīng)力較小,仍處于線彈性范圍,NPC剪力墻在頂部水平荷載作用下的變形則類似于在自由端豎向荷載作用下的懸臂梁。因此,該階段NPC剪力墻頂部水平位移(Δdcc)可計算如下:式中:hwl為下層剪力墻板高度(mm);Ec為混凝土彈性模量(N/mm2)。通過式(1)~(4),DCC階段的特征點(Δdcc,Fl,dcc)已經(jīng)確定。同時,根據(jù)平截面假定,靠近混凝土消壓點的連接鋼筋的應(yīng)力值(σs1,dcc)也可簡單確定,這一應(yīng)力值將在下一階段作為重要的初始條件。2.4.2混凝土接觸本構(gòu)模型當水平荷載逐漸增大,NPC剪力墻將從DCC階段進入DCS階段,在該過程中,水平拼縫已經(jīng)產(chǎn)生間隙,盡管其寬度很小。因此,與現(xiàn)澆混凝土開裂階段類似,此階段NPC剪力墻剛度將有比較明顯的下降過程。該階段的典型特征為有受拉趨勢的最外側(cè)連接鋼筋由初始受壓變?yōu)闊o應(yīng)力狀態(tài),并且水平拼縫處產(chǎn)生了細微的間隙,導致水平拼縫處混凝土處于不完全接觸狀態(tài)。根據(jù)前文已給假設(shè)和近似,同時,鑒于此時混凝土應(yīng)力較小,合理假定混凝土接觸部分截面應(yīng)變呈線性分布。由于該階段僅有微小的轉(zhuǎn)動和變形,為簡化計算,力的平衡方程仍然建立在變形前的幾何位置上,即不考慮二階效應(yīng)。該階段的連接鋼筋消壓荷載(Fl,dcs)可取上層剪力墻板為隔離體,并根據(jù)對轉(zhuǎn)動點的彎矩平衡條件通過式(5)計算求得:式中:MR,dcs代表由受壓混凝土總壓力(Rc,dcs)和受壓連接鋼筋壓力(Rs,dcs)提供的反應(yīng)力矩,而Rc,dcs和Rs,dcs可簡單地根據(jù)豎向力的平衡條件并基于應(yīng)變線性分布假定及混凝土、鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線計算得到。該階段的NPC剪力墻頂部水平位移計算包含了上層剪力墻板繞轉(zhuǎn)動點轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的剛體位移部分。因此,該階段總的水平位移可通過下列過程計算:式中:θdcs為上層剪力墻板相對下層剪力墻板的剛體轉(zhuǎn)動角度;Es為鋼筋的彈性模量。通過式(5)~(7)可以獲得DCS特征點數(shù)值(Δdcc,Fl,dcc)。2.4.3剪力墻變形控制計算方法為簡化和實現(xiàn)該過程的計算,提出了附加的合理假設(shè):(1)保護層混凝土完全剝落;(2)截面中部約束混凝土及受壓連接鋼筋仍然處于線彈性狀態(tài),水平拼縫接觸部分混凝土應(yīng)變?nèi)匀环暇€性分布假定;(3)受壓側(cè)最邊緣混凝土纖維應(yīng)變達到無約束混凝土極限壓應(yīng)變εcu。其中,假設(shè)(1),(2)將適用于之后所有階段的計算。下面詳細給出水平拼縫混凝土接觸部分長度cscc,并根據(jù)cscc計算SCC特征點數(shù)據(jù)(Δscc,Fl,scc)。1)計算由水平拼縫處間隙張開引起的上層剪力墻板繞轉(zhuǎn)動點的剛體轉(zhuǎn)動計算受壓側(cè)最邊緣混凝土纖維的壓縮變形,并假定上、下墻板水平拼縫處應(yīng)變等效計算長度為約束混凝土截面寬度,即(tw-2a),則壓縮變形為2εcu(tw-2a),轉(zhuǎn)角θscc可根據(jù)下式計算:式中:a為混凝土保護層厚度;εcu為無約束混凝土極限應(yīng)變。2)計算受拉連接鋼筋(圖4中bar1)的總拉力式中:Es為連接鋼筋彈性模量(N/mm2);ds,i為第i排連接鋼筋重心至轉(zhuǎn)動點的距離(mm);hu為連接鋼筋無黏結(jié)長度(mm),等于灌漿料坐漿層厚度;As,i為處于同一截面高度處的第i排連接鋼筋總面積(mm2)。3)計算水平拼縫接觸混凝土及受壓連接鋼筋(圖4中bar2)的總壓力:式中:Rc,scc,Rs,scc分別表示SCC階段接觸混凝土及連接鋼筋的壓力,可根據(jù)應(yīng)變分布、材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線,采用積分方法計算得到。4)取上層剪力墻板為隔離體,計算水平拼縫處總合力:5)建立上層剪力墻板豎向力的平衡方程:其中,式(12)僅有未知量cscc,因此,可直接求解得cscc。6)根據(jù)所求cscc,計算SCC特征點數(shù)據(jù):式中:∑MR,scc代表由Rscc產(chǎn)生的彎矩,可通過積分方法計算?？紤]到混凝土保護層的剝落,此時的轉(zhuǎn)動點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到剪力墻鋼筋邊緣,即向內(nèi)側(cè)移動了距離a,且此時的彎矩平衡方程式建立在變形后的幾何位置上,即考慮了二階效應(yīng)。通過上述系列過程,可最終確定SCC特征點數(shù)據(jù)(Δscc,Fl,scc)。2.4.4縫處混凝土接觸部分的確定在此階段,受拉側(cè)連接鋼筋(圖4中bar1)將達到其屈服強度,同時,根據(jù)連接鋼筋的伸長,NPC剪力墻頂部水平位移(Δyts)及剛體轉(zhuǎn)動角度(θyts)可分別通過式(15),(16)簡單計算得到:式中:fy為連接鋼筋屈服強度(N/mm2);cyts為該階段水平拼縫處混凝土接觸部分的長度。下面給出一系列計算程序確定cyts,并最終確定該階段的水平荷載Fl,yts。1)計算受壓混凝土最外側(cè)纖維的壓應(yīng)變(εc,yts):根據(jù)式(16)~(17),εc,yts可表示為cyts的函數(shù)。2)根據(jù)εc,yts計算混凝土接觸部分壓力及受壓連接鋼筋壓力之和:式中:Rc,yts,Rs,yts分別表示YTS階段接觸混凝土及連接鋼筋的壓力,同樣可根據(jù)應(yīng)變分布、材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線,采用積分方法計算得到。3)取上層剪力墻板為隔離體,計算水平拼縫處總合力:4)建立上層剪力墻板豎向力的平衡方程:根據(jù)式(18)~(20),cyts和εc,yts可最終確定,再通過式(15),(16),Δyts同樣可計算得到。5)計算水平荷載:式中:∑MR,yts代表由Ryts產(chǎn)生的彎矩,同樣可通過積分方法計算得到。通過上述系列過程,可最終確定YTS特征點數(shù)據(jù)(Δyts,Fl,yts)。2.4.5c階段的水平拼接縫混凝土接觸由于忽略了連接鋼筋的應(yīng)變強化效應(yīng),水平荷載在YTS階段至CCC階段保持恒定,即Fl,ccc=Fl,yts。同樣地,CCC階段的水平拼縫混凝土接觸長度可近似假定與YTS階段相同,即cccc=cyts。因此,該階段NPC剪力墻頂部水平位移(Δccc)可簡單計算如下:其中,εccc=εccu,εccu為約束混凝土極限應(yīng)變。至此,包括DCC,DCS,SCC,YTS及CCC5個關(guān)鍵受力狀態(tài)的水平荷載及水平位移數(shù)據(jù)均已計算得到,依次連接各點,即可得到近似的NPC剪力墻受力全過程曲線。3mlsm模型根據(jù)試驗中試件尺寸及所用材料實測力學性能,建立驗證性的MLSM模型,并與試驗結(jié)果進行對比。需要說明的是,MLSM計算過程中未包含實際試驗中由于試驗設(shè)備及其連接、錨固裝置間隙引起的剛體滑移,通過圖5可以看出試件ZP1,ZP2的初始剛體位移分別約為1.5,2.0mm,雖數(shù)值較小,但由于MLSM初始幾個階段(DCC,DCS階段)位移結(jié)果本身很小。因