套筒连接混凝土剪力墙有限元分析.pdf

书书书2 0 1 4 年 7 月第30卷 第 4 期沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul2014Vol 30，No 4收稿日期:2014 01 05基金项目:国家十二五科技支撑计划项目(2012BAJ16B05)作者简介:王元清(1963)，男，教授，博士，主要从事钢结构及玻璃幕墙研究文章编号:2095 1922(2014)04 0577 08doi:10 11717/j issn:2095 1922 2014 04 01套筒连接混凝土剪力墙有限元分析王元清1，马佳宝2，张延年2，刘明2(1 清华大学土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084;2 沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)摘要:目的 研究套筒连接混凝土剪力墙的应力、承载力、刚度和变形能力的变化规律 方法 利用 ABAQUS 有限元分析软件，采用位移控制方式，对 14 个不同轴压比、配筋率和套筒长度的混凝土剪力墙进行水平单调加载，并对其受力性能进行分析 结果 发生竖向边缘处钢筋屈服、底部混凝土压碎的压弯破坏，并且破坏大多集中在两侧的竖向边缘且从底面往上 1m 高度区域内 随着轴压比的增大，极限承载力和刚度均增大，而变形能力减小 随着配筋率的增大，极限承载力和变形能力均增大，而刚度基本没有变化 随着套筒长度的增大，极限承载力增大，而刚度和变形能力均基本没有变化 结论 套筒连接混凝土剪力墙有较好的承载力、刚度和变形能力，套筒连接处可以有效传递钢筋的应力关键词:ABAQUS;套筒连接;混凝土剪力墙;位移控制式水平单调加载;受力性能中图分类号:TU375文献标志码:AFinite Element Analysis of Concrete Shear Wall withSleeve ConnectionWANG Yuanqing1，MA Jiabao2，ZHANG Yannian2，LIU Ming2(1 Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Department of CivilEngineering，Tsinghua University，Beijing，China，100084;2 School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu Univer-sity，Shenyang，China，110168)Abstract:This paper studied the mechanical behavior of concrete shear wall with sleeve connec-tion，such as stress state，load capacity，stiffness and deformability by different loadings Using thefinite element software ABAQUS，mechanical properties of 14 concrete shear walls with differentaxial compression ratios，reinforcement ratios and sleeve lengths under horizontal monotonic load-ing by displacement control were analyzed esults show that the yield of vertical edge reinforce-ment and the bending failure of bottom concrete crushing appear and the failure mostly occurs inthe range from bottom to the height of 1m With increase of axial compression ratio，the ultimatecapacity and stiffness increase，but the deformability decreases With increase of reinforcement rati-o，the ultimate capacity and deformability both increase，but the stiffness has no obvious change U-578沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 30 卷sing the larger sleeve，the ultimate capacity increases，but stiffness and deformability have no obvi-ous changes It is concluded that the concrete shear wall with sleeve connection has good load ca-pacity，stiffness and deformability and reinforcement stresses can also be transmitted effectively bythe sleeve connectionKey words:ABAQUS;sleeve connection;concrete shear wall;horizontal monotonic loading withdisplacement control;mechanical behavior预制混凝土结构是先将混凝土构件在工厂制作成型，再在现场进行拼装的一种结构形式，具有施工速度快、质量易保证的优点，符合当代我国建筑工业化的要求1 3 预制混凝土结构中钢筋的连接主要包括套筒连接、浆锚连接和机械连接4 5，钢筋的连接是保证结构整体性能的关键 套筒连接具有施工方便、造价较低等优点 国外对预制混凝土剪力墙做了大量的试验研究6 11，但是关于套筒连接混凝土剪力墙的研究相对较少 国内钱稼茹12 13、朱张峰14 等对套筒连接混凝土剪力墙做了试验性研究，但有限元分析研究的也相对较少 因此笔者利用 ABAQUS有限元分析软件对 14 个套筒连接混凝土剪力墙进行受力分析，研究其应力、承载力、刚度和变形能力的发展规律，为进一步研究套筒连接混凝土剪力墙的受力性能提供依据1有限元模型的建立及验证1 1有限元模型的建立笔者为验证所建立的有限元模型是否合理，首先对文献 5 中的剪力墙 TW1 进行有限元分析，并与文献 5中的试验结果进行对比 文献 5 中的剪力墙 TW1 的钢筋采用套筒连接，所谓套筒连接是先将套筒预埋在上部剪力墙中，现场拼装时再将下部剪力墙预留出的钢筋插入套筒之中，之后将浆料由下部的灌浆孔注入套筒内5(见图 1)剪力墙 TW1 截面尺寸及配筋如图 2 所示1 1 1材料单元的选用及网格的划分混凝土选用 C3D8 单元，钢筋选用T3D2 单元，套筒选用 S4 单元15 混凝土、钢筋和套筒的网格划分尺寸分别为100 mm、200 mm 和 100 mm图 1套筒连接剪力墙构造详图Fig.1Constructional detail of a shear wall withsleeve connection图 2剪力墙 TW1 截面尺寸及配筋Fig.2Section dimensions and reinforcements of shear wall TW1第 4 期王元清等:套筒连接混凝土剪力墙有限元分析5791 1 2材料本构关系的选用混凝土的本构关系选用文献 16中的单轴应力 应变关系曲线 钢筋的本构关系选用双折线弹性 强化模型，为保证计算结果的收敛，其强化段的应力 应变曲线被简化为平缓的斜直线15，同时弹性段的弹性模量为 2.06 105MPa，强化段的弹性模量为2.06 103MPa，泊松比为 0.3 套筒的本构关系选用文献 17中的铸铁的单轴应力 应变关系曲线1 1 3边界条件的确定钢筋和套筒选用 Embedded egion 界面约束，并且不考虑其与混凝土之间的滑移 为避免水平加载点附近的一些单元产生局部应力集中，导致最后计算结果不收敛，特在其端部建立一个独立附加节点(P 1)(见图3)为实现刚性面加载，该附加节点与加载面的所有节点均采用 Coupling 连接，从而约束连梁底面的三个平动自由度图 3水平加载点端部独立附加节点Fig.3Independent additional node at the end of hori-zontal loading point1 1 4加载方式的确定剪力墙 TW1 分两个分析步进行加载，水平方向采用位移控制式进行水平单调集中力加载，其中位移控制为50 mm;竖直方向采用等效均布面荷载加载，轴力为 500 kN(见图4)1 2有限元模型的验证将有限元分析与文献 5 中试验得到的承载力 位移曲线进行对比(见图 5)两者的承载力 位移曲线基本重合 有限元分析和试验中剪力墙 TW1 的极限承载力分别为373 kN 和 346 kN，相对试验结果，有限元分析结果误差为 7.8%，说明有限元分析结果与试验结果非常接近 所以，可以利用该有限元模型进行 14 个剪力墙的有限元分析图 4竖直方向等效均布面荷载Fig.4Equivalent uniform loads in the vertical di-rection图 5承载力 位移曲线有限元分析与试验对比Fig.5Comparison of capacity-displacement curvesbetween the finite element analysis and theexperiment2套筒连接混凝土剪力墙的有限元分析结果利用笔者建立的有限元模型，对 14 个不同轴压比、配筋率和套筒长度的套筒连接混580沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 30 卷凝土剪力墙进行有限元分析，其截面尺寸及配筋如图 6 所示，主要参数及分组见表 1图 6剪力墙截面尺寸及配筋Fig.6Section dimensions and reinforcements of the shear wall表 1剪力墙主要参数及分组Table 1Main parameters and classifications ofshear walls剪力墙编号轴压比配筋率/%套筒长度/mm10.120.3320020.240.3320030.360.3320040.480.3320050.120.3330060.240.3330070.360.3330080.480.3330090.120.33400100.240.33400110.360.33400120.480.33400130.120.27400140.120.224002 1混凝土、钢筋和套筒应力分析图 7 为剪力墙 9 的有限元应力分析结果，可以看出，其发生竖向边缘处钢筋屈服、底部混凝土压碎的压弯破坏 图 7(a)为其混凝土应力云图，可以看出，破坏时混凝土中应力较大的区域集中在两侧的竖向边缘且从底面往上1 m 高度区域内 图7(b)为其钢筋应力云图，在开始加载以后，与水平加载点同一侧的边缘纵筋最先屈服，并且随着加载力的增大，屈服的区域逐渐扩大，最后破坏时屈服的区域集中在套筒上方 1 m 高度区域内;同时，穿过套筒锚入底梁内的纵筋和底梁中的箍筋也多数屈服，破坏较大 因此在实际工程中，可采用在剪力墙的竖向边缘加设纵筋和减小套筒间距的方法，也可以采用在竖向边缘两侧集中布置套筒或者减小梁两侧箍筋间距的方法，从而延缓两侧钢筋的屈服，提高承载力 图 7(c)为其套筒应力云图，可以看出，破坏时套筒中的应力最大区域集中在上下两端，中间部分的应力较小2 2承载力分析将有限元分析得到的剪力墙的极限承载力进行汇总(见表 2)2 2 1轴压比的影响图 8 为不同轴压比下剪力墙 9 12 的承载力 位移曲线，可以看出，加载初期，所有剪力墙承载力 位移曲线基本重合，说明此阶段轴压比对剪力墙承载力基本没有影响随着荷载的增加，所有剪力墙承载力 位移曲线逐渐分开，并且分开的越来越明显，同时第 4 期王元清等:套筒连接混凝土剪力墙有限元分析581轴压比较大的剪力墙，其承载力也较大 达到极限承载力后，所有剪力墙承载力 位移曲线均有不同幅度的下降，并且随着轴压比的增大，承载力的下降幅度也逐渐增大，所以增大轴压比会加快承载力的下降速度，不利于剪力墙的变形 所以仅靠增大轴压比的措施来增大剪力墙的极限承载力，是不可行的图 7剪力墙 9 应力分析Fig.7Stress analysis of the 9th shear wall表 2剪力墙极限承载力Table 2Ultimate capacity of shear walls剪力墙编号极限承载力/kN增大幅度/%1323.872393.95223446.64384481.5495328.976400.08227450.44378484.41479342.4810413.472111463.093512497.724513326.58414324.315同时，随着轴压比的增大，剪力墙极限承载力逐渐增大，增幅也逐渐增大 当轴压比从0.12 增大到 0.24 时，其极限承载力增幅为21%;从 0.12 增大到 0.36 时，增幅为 35%;从0.12 增大到0.48 时，增幅为45%所以随着轴压比的增大，剪力墙的极限承载力逐渐增大，增幅也逐渐增大图 8剪力墙 9 12 承载力 位移曲线Fig.8Capacity-displacement curves of the 9th to12th shear walls2 2 2配筋率的影响图 9 为不同配筋率下剪力墙 9、13 和 14的承载力 位移曲线，可以看出，达到极限承载力前，所有剪力墙承载力 位移曲线基本重合，说明此阶段配筋率对剪力墙承载力基本没有影响 达到极限承载力后，所有剪力墙承载力 位移曲线均有不同幅度的下降，并且随着配筋率的增大，承载力的下降幅度逐渐减小 所以通过增大配筋率可以减缓剪力墙承载力的下降速度，从而有利于剪力墙的582沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 30 卷变形 同时，随着配筋率的增大，剪力墙的极限承载力逐渐增大，但是增大的幅度较小图 9剪力墙 9、13 和 14 承载力 位移曲线Fig.9Capacity-displacement curves of the 9th，the 13th and the 14th shear walls2 2 3套筒长度的影响剪力墙 1、5、9 的套筒长度不同，从表 2可以看出，随着套筒长度从 200 mm 增大到300 mm 再增大到 400 mm，剪力墙的极限承载力从 323.87 kN 增大到 328.97 kN 再增大到 342.48 kN，说明随着套筒长度的增大，剪力墙的极限承载力逐渐增大，但增幅较小2 3刚度分析刚度是衡量构件抵抗变形能力大小的一个量，其可以由承载力 位移曲线上某一时刻的承载力与相对应的位移的比值来确定12 13 2 3 1轴压比的影响图 10 为不同轴压比下剪力墙 9 12 的刚度 位移曲线，可以看出，破坏前随着位移的增大，刚度逐渐减小，并且所有刚度 位移曲线之间的差异也逐渐减小，直到破坏时刚度 位移曲线基本重合，即此时所有剪力墙的刚度基本相同;同时破坏前在相同的位移下，轴压比从 0.12 增大到 0.36 时，剪力墙的刚度逐渐增大，但从 0.36 增大到 0.48 时，刚度却基本没有什么变化，所以增大轴压比到一定的数值以后，再继续增大并不能继续提高剪力墙的刚度图 10剪力墙 9 12 刚度 位移曲线Fig.10Stiffness-displacement curves of the 9th to12th shear walls2 3 2配筋率的影响图 11 为不同配筋率下剪力墙 9、13 和14 的刚度 位移曲线，可以看出，从加载到破坏的过程中，所有剪力墙的刚度 位移曲线均基本重合，所以配筋率对剪力墙的刚度基本没有影响图 11剪力墙 9、13 和 14 刚度 位移曲线Fig.11Stiffness-displacement curves of the 9th，the 13th and the 14th shear walls2 3 3套筒长度的影响图 12 为不同套筒长度下剪力墙 1、5 和9 的刚度 位移曲线，可以看出，从加载到破坏的过程中，所有剪力墙的刚度 位移曲线均基本重合，所以套筒长度对剪力墙的刚度基本没有影响2 4变形能力分析剪力墙需具有良好的变形能力，用来保证在地震作用中不导致倒塌破坏 变形能力主要包括屈服位移角、极限位移角、屈服位第 4 期王元清等:套筒连接混凝土剪力墙有限元分析583图 12剪力墙 1、5 和 9 刚度 位移曲线Fig.12Stiffness-displacement curves of the 1th，the 5th and the 9th shear walls移、极限位移和延性系数，计算式18 为y=y/h(1)u=u/h(2)=u/y(3)式中:y为屈服位移角;u为极限位移角;y为屈服位移;u为极限位移;h 为剪力墙高度;为延性系数将有限元分析得到的剪力墙的变形能力指标汇总(见表 3)表 3剪力墙变形能力指标Table 3Deformability performance indexes ofshear walls剪力墙编号 y/mmyu/mmu11.491/187916.181/17310.8622.231/125613.461/2086.0533.071/91112.611/2224.1143.911/71611.021/2542.8251.481/189216.371/1711162.211/126713.591/2066.1573.061/91512.841/2184.283.881/72211.161/2512.8891.471/190516.571/16911.27102.191/127913.731/2046.27113.021/92712.91/2174.27123.821/73311.21/2502.93131.461/191815.761/17110.79141.451/197214.431/1769.952 4 1轴压比的影响从表 3 可以看出，配筋率和套筒长度一定时，随着轴压比的增大，所有剪力墙的屈服位移和屈服位移角均增大，极限位移和极限位移角均减小，延性系数均减小 所以轴压比对剪力墙的屈服位移、屈服位移角、极限位移、极限位移角和延性系数的影响均较大2 4 2配筋率的影响从表 3 可以看出，轴压比和套筒长度一定时，不同配筋率的剪力墙的屈服位移、屈服位移角基本没有差别，而极限位移、极限位移角和延性系数差别较大，并且随着配筋率的增大，极限位移、极限位移角和延性系数均增大 所以配筋率对屈服位移、屈服位移角基本没有影响，对极限位移、极限位移角和延性系数的影响较大2 4 3套筒长度的影响从表 3 可以看出，轴压比和配筋率一定时，不同套筒长度的剪力墙的屈服位移、屈服位移角、极限位移、极限位移角和延性系数基本没有差别 所以套筒长度对屈服位移、屈服位移角、极限位移、极限位移角和延性系数均基本没有影响3结论(1)套筒连接混凝土剪力墙有较好的承载力、刚度和变形能力，套筒连接处可以有效传递钢筋的应力 剪力墙破坏模式为竖向边缘处钢筋屈服、底部混凝土压碎的压弯破坏，并且破坏大多集中在两侧的竖向边缘且从底面往上 1 m 高度区域内(2)随着轴压比的增大，剪力墙极限承载力和刚度均增大，而变形能力减小，同时轴压比大的剪力墙承载力下降较快，对变形不利，所以仅靠增大轴压比的措施来增大剪力墙的承载力，是不可行的(3)随着配筋率的增大，剪力墙极限承载力和变形能力均增大，而刚度基本没有变化，同时配筋率大的剪力墙承载力下降较缓慢，对变形有利(4)随着套筒长度的增大，剪力墙极限承载力增大，而刚度和变形能力均基本没有变化584沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 30 卷参考文献:1 陈建伟，苏幼坡 预制装配式剪力墙结构及其连接技术 J 世界地震工程，2013，29(1):38 48(Chen Jianwei，Su Youpo Prefabricated con-crete shear wall structure and its connectingtechnologyJ World Earthquake Engineer-ing，2013，29(1):38 48)2 Blandon J J，odriguez M E Behavior of con-nections and floor diaphragms in 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