装配式混凝土剪力墙水平受力的多线性简化分析

装配式混凝土剪力墙水平受力的多线性简化分析

新安装的混凝土墙结构（rcm）是一种适应中国国情的新住宅结构形式。其主要组成部分为rcm墙、u梁和重叠板。预埋连接钢筋，后混凝土填充至整个构件。符合建筑工业化和住宅产业化的趋势，并可实现绿色施工，具有广阔的应用前景。NPC剪力墙通过分层预制、竖向连接钢筋浆锚间接搭接连接,形成整体剪力墙。NPC剪力墙连接节点相对上、下层预制剪力墙板,强度和刚度明显偏低,在水平荷载作用下,此处变形集中,形成薄弱部位。国内外学者对类似剪力墙节点的试验及理论研究均验证了这一现象。因此,NPC剪力墙连接节点应通过合理设计及构造,以便可靠传递水平荷载作用下产生的剪力、压力及拉力。本文在既有试验成果的基础上,提出了NPC剪力墙在水平荷载作用下的多线性简化分析模型(multi-linearsimplifiedmodel,MLSM),以便应用于NPC剪力墙的分析、设计及抗震性能评价中。1试验结果的总结1.1试验构件及试件参数为掌握NPC剪力墙在水平荷载(地震作用)下的受力性能和抗震能力,对2个NPC剪力墙足尺试件进行了低周反复荷载试验,试件编号分别为ZP1和ZP2,两者尺寸、配筋及连接构造均相同,仅试验轴压比不同,ZP1试件为0.10,而ZP2试件为0.15。试件制作详图及加载简图如图1所示。1.2试件破坏形态1)试件ZP1加载初期(荷载绝对值<100kN),试件处于未裂弹性阶段,加、卸载荷载位移曲线基本重合;至110kN荷载等级阶段,在试件受拉侧拼缝处出现水平裂缝,进入拼缝张开阶段,随着荷载等级提高,试件根部出现水平裂缝,拼缝处水平裂缝向根部倾斜,并向对角延伸;至150kN荷载等级阶段,受拉侧连接钢筋屈服,试件进入屈服阶段;至40mm位移等级阶段,拼缝处连接钢筋和金属波纹管裸露,混凝土压碎,试件破坏。2)试件ZP2加载初期(荷载绝对值<120kN),试件处于未裂弹性阶段,加、卸载荷载位移曲线基本重合;至120kN荷载等级阶段,在试件受拉侧拼缝处出现水平裂缝,进入拼缝张开阶段,随着荷载等级提高,试件根部出现水平裂缝,拼缝处水平裂缝向根部倾斜,并向对角延伸;至180kN荷载等级阶段,受拉侧连接钢筋屈服,试件进入屈服阶段;至32mm位移等级阶段,拼缝处混凝土受压侧出现开裂楔形块,刚度突降,试件破坏。试验实测滞回曲线及试件最终破坏形态如图2所示。从图中可以看出,NPC剪力墙破坏形态与现浇剪力墙理论破坏形态完全不同,NPC剪力墙变形主要集中于水平拼缝处,上部剪力墙基本完好,下部剪力墙呈现剪切破坏形态。本次试件仅在墙肢端部设置了较粗连接钢筋进行连接,取消了墙体中部分布钢筋的连接,使拼缝面成为潜在的抗剪薄弱截面,在低周反复荷载作用下,拼缝面及下部剪力墙剪切破坏明显,使得滞回环出现了一定程度的捏缩,影响了墙体耗能能力的发挥。2连接构造的建立根据试验成果及理论分析,并结合NPC结构剪力墙竖向连接节点的特殊连接构造,建立NPC结构剪力墙在水平荷载作用下的受力全过程分析方法,即建立多线性简化模型(MLSM)逼近NPC剪力墙实际的非线性骨架曲线,以近似反映NPC剪力墙在水平荷载作用下的荷载-变形规律。2.1混凝土预压refres根据试验成果及理论分析,认为NPC剪力墙竖向节点在墙肢顶部单调水平荷载作用下,将经历以下关键受力状态:(1)混凝土最外侧受压纤维消压(decompressionintheextremeconcretefiber,DCC);(2)受拉连接钢筋消压(decompressionintheextremeconnectionsteelbar,DCS);(3)混凝土保护层剥落(spallingofconcretecoverintheconnection,SCC);(4)受拉连接钢筋屈服(yieldingofthetensileconnectionsteelbar,YTS);(5)约束混凝土压碎(crushingofconfinedconcrete,CCC)。若能确定上述5个关键受力状态的荷载及位移,并作为关键点的纵、横坐标,依次连接各关键点,即可绘制出节点受力全过程的荷载-位移曲线。2.2下层预制剪力墙板参数分析为实现及简化MLSM的建立,采用下列合理假设和近似:(1)在水平荷载作用下,NPC剪力墙节点仅发生面内变形;(2)鉴于灌浆料的强度较高且试验中未发生破坏,为方便计算,偏于安全地将截面灌浆料部分用同面积的混凝土取代;(3)混凝土的破坏主要发生在下层预制剪力墙板中,因此,分析中相关参数采用下层预制剪力墙板的截面和材料特性;(4)摩擦抗剪机制的作用约束了上、下层预制剪力墙板沿水平拼缝的相对滑移;(5)预制剪力墙板弹性阶段(DCC阶段)后的弯曲变形增量忽略不计;(6)连接钢筋锚固良好,可充分发挥其抗拉强度;(7)灌浆料坐浆层较薄(15mm),不能约束连接钢筋的变形,可认为在坐浆层厚度内连接钢筋是无黏结的;(8)对于拼缝张开后混凝土界面的接触部分,平截面假定仍然适用;(9)不考虑连接钢筋的应变强化效应,其应力-应变曲线如图3a所示;(10)素混凝土本构关系采用文献提供的单轴受压应力-应变曲线,约束混凝土本构关系采用文献根据轴压大小、矩形箍筋约束情况确定的单轴受压应力-应变曲线,建立的本构模型如图3b所示。(11)为计算方便,“Z”防水水平拼缝截面用平截面代替。2.3计算和分析简单图根据试验中试件破坏形态确定图4所示计算简图,作为MLSM的建立基础。2.4导出mlmm的过程2.4.1剪力墙顶水平位移该阶段的典型特征为受水平荷载引起的弯矩影响,离转动点最远侧混凝土的压应力消失,这标志着水平拼缝即将张开。类似于未开裂混凝土,引入截面应变线性分布假定,该阶段末的消压荷载(Fl,dcc)可通过下列过程计算:式中:hwu为上层剪力墙板高度(mm);lw为剪力墙截面高度,即剪力墙长度(mm);tw为剪力墙截面宽度,即剪力墙厚度(mm);σini为由总竖向荷载(包括轴向压力Na和上层墙板自重Wwu)产生的水平拼缝截面初始压应力;Iw为根据毛截面计算的剪力墙截面惯性矩;cini为由转动点量测的初始中性轴位置。在DCC阶段,考虑到水平拼缝间隙还未产生,且混凝土压应力较小,仍处于线弹性范围,NPC剪力墙在顶部水平荷载作用下的变形则类似于在自由端竖向荷载作用下的悬臂梁。因此,该阶段NPC剪力墙顶部水平位移(Δdcc)可计算如下:式中:hwl为下层剪力墙板高度(mm);Ec为混凝土弹性模量(N/mm2)。通过式(1)~(4),DCC阶段的特征点(Δdcc,Fl,dcc)已经确定。同时,根据平截面假定,靠近混凝土消压点的连接钢筋的应力值(σs1,dcc)也可简单确定,这一应力值将在下一阶段作为重要的初始条件。2.4.2混凝土接触本构模型当水平荷载逐渐增大,NPC剪力墙将从DCC阶段进入DCS阶段,在该过程中,水平拼缝已经产生间隙,尽管其宽度很小。因此,与现浇混凝土开裂阶段类似,此阶段NPC剪力墙刚度将有比较明显的下降过程。该阶段的典型特征为有受拉趋势的最外侧连接钢筋由初始受压变为无应力状态,并且水平拼缝处产生了细微的间隙,导致水平拼缝处混凝土处于不完全接触状态。根据前文已给假设和近似,同时,鉴于此时混凝土应力较小,合理假定混凝土接触部分截面应变呈线性分布。由于该阶段仅有微小的转动和变形,为简化计算,力的平衡方程仍然建立在变形前的几何位置上,即不考虑二阶效应。该阶段的连接钢筋消压荷载(Fl,dcs)可取上层剪力墙板为隔离体,并根据对转动点的弯矩平衡条件通过式(5)计算求得:式中:MR,dcs代表由受压混凝土总压力(Rc,dcs)和受压连接钢筋压力(Rs,dcs)提供的反应力矩,而Rc,dcs和Rs,dcs可简单地根据竖向力的平衡条件并基于应变线性分布假定及混凝土、钢筋的应力-应变本构曲线计算得到。该阶段的NPC剪力墙顶部水平位移计算包含了上层剪力墙板绕转动点转动产生的刚体位移部分。因此,该阶段总的水平位移可通过下列过程计算:式中:θdcs为上层剪力墙板相对下层剪力墙板的刚体转动角度;Es为钢筋的弹性模量。通过式(5)~(7)可以获得DCS特征点数值(Δdcc,Fl,dcc)。2.4.3剪力墙变形控制计算方法为简化和实现该过程的计算,提出了附加的合理假设:(1)保护层混凝土完全剥落;(2)截面中部约束混凝土及受压连接钢筋仍然处于线弹性状态,水平拼缝接触部分混凝土应变仍然符合线性分布假定;(3)受压侧最边缘混凝土纤维应变达到无约束混凝土极限压应变εcu。其中,假设(1),(2)将适用于之后所有阶段的计算。下面详细给出水平拼缝混凝土接触部分长度cscc,并根据cscc计算SCC特征点数据(Δscc,Fl,scc)。1)计算由水平拼缝处间隙张开引起的上层剪力墙板绕转动点的刚体转动计算受压侧最边缘混凝土纤维的压缩变形,并假定上、下墙板水平拼缝处应变等效计算长度为约束混凝土截面宽度,即(tw-2a),则压缩变形为2εcu(tw-2a),转角θscc可根据下式计算:式中:a为混凝土保护层厚度;εcu为无约束混凝土极限应变。2)计算受拉连接钢筋(图4中bar1)的总拉力式中:Es为连接钢筋弹性模量(N/mm2);ds,i为第i排连接钢筋重心至转动点的距离(mm);hu为连接钢筋无黏结长度(mm),等于灌浆料坐浆层厚度;As,i为处于同一截面高度处的第i排连接钢筋总面积(mm2)。3)计算水平拼缝接触混凝土及受压连接钢筋(图4中bar2)的总压力:式中:Rc,scc,Rs,scc分别表示SCC阶段接触混凝土及连接钢筋的压力,可根据应变分布、材料应力-应变本构曲线,采用积分方法计算得到。4)取上层剪力墙板为隔离体,计算水平拼缝处总合力:5)建立上层剪力墙板竖向力的平衡方程:其中,式(12)仅有未知量cscc,因此,可直接求解得cscc。6)根据所求cscc,计算SCC特征点数据:式中:∑MR,scc代表由Rscc产生的弯矩,可通过积分方法计算。考虑到混凝土保护层的剥落,此时的转动点已经转移到剪力墙钢筋边缘,即向内侧移动了距离a,且此时的弯矩平衡方程式建立在变形后的几何位置上,即考虑了二阶效应。通过上述系列过程,可最终确定SCC特征点数据(Δscc,Fl,scc)。2.4.4缝处混凝土接触部分的确定在此阶段,受拉侧连接钢筋(图4中bar1)将达到其屈服强度,同时,根据连接钢筋的伸长,NPC剪力墙顶部水平位移(Δyts)及刚体转动角度(θyts)可分别通过式(15),(16)简单计算得到:式中:fy为连接钢筋屈服强度(N/mm2);cyts为该阶段水平拼缝处混凝土接触部分的长度。下面给出一系列计算程序确定cyts,并最终确定该阶段的水平荷载Fl,yts。1)计算受压混凝土最外侧纤维的压应变(εc,yts):根据式(16)~(17),εc,yts可表示为cyts的函数。2)根据εc,yts计算混凝土接触部分压力及受压连接钢筋压力之和:式中:Rc,yts,Rs,yts分别表示YTS阶段接触混凝土及连接钢筋的压力,同样可根据应变分布、材料应力-应变本构曲线,采用积分方法计算得到。3)取上层剪力墙板为隔离体,计算水平拼缝处总合力:4)建立上层剪力墙板竖向力的平衡方程:根据式(18)~(20),cyts和εc,yts可最终确定,再通过式(15),(16),Δyts同样可计算得到。5)计算水平荷载:式中:∑MR,yts代表由Ryts产生的弯矩,同样可通过积分方法计算得到。通过上述系列过程,可最终确定YTS特征点数据(Δyts,Fl,yts)。2.4.5c阶段的水平拼接缝混凝土接触由于忽略了连接钢筋的应变强化效应,水平荷载在YTS阶段至CCC阶段保持恒定,即Fl,ccc=Fl,yts。同样地,CCC阶段的水平拼缝混凝土接触长度可近似假定与YTS阶段相同,即cccc=cyts。因此,该阶段NPC剪力墙顶部水平位移(Δccc)可简单计算如下:其中,εccc=εccu,εccu为约束混凝土极限应变。至此,包括DCC,DCS,SCC,YTS及CCC5个关键受力状态的水平荷载及水平位移数据均已计算得到,依次连接各点,即可得到近似的NPC剪力墙受力全过程曲线。3mlsm模型根据试验中试件尺寸及所用材料实测力学性能,建立验证性的MLSM模型,并与试验结果进行对比。需要说明的是,MLSM计算过程中未包含实际试验中由于试验设备及其连接、锚固装置间隙引起的刚体滑移,通过图5可以看出试件ZP1,ZP2的初始刚体位移分别约为1.5,2.0mm,虽数值较小,但由于MLSM初始几个阶段(DCC,DCS阶段)位移结果本身很小。因