灌浆缺陷对套筒灌浆连接剪力墙抗震性能影响研究.pdf
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1、Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第3 9 卷第3 期师程构结灌浆缺陷对套筒灌浆连接剪力墙抗震性能影响研究曹栋潘钻峰1,顾征宇2杨毅超(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海2 0 0 0 9 2;2.上海烟草集团有限责任公司,上海2 0 0 0 8 2)摘要灌浆套筒这种湿式连接方法已被广泛应用于装配式结构系统,控制灌浆密实度是保证装配式结构施工质量的关键。为了分析灌浆缺陷对装配式剪力墙抗震性能影响,以灌浆缺陷程度和灌浆缺陷套筒的位置为变化参数,基于OpenSees展开存在套筒灌浆缺陷的装配式混凝土剪力墙有限元模拟,分析灌浆缺陷
2、对剪力墙滞回曲线、承载力、位移延性和能量耗散等重要抗震性能指标的影响规律。结果表明,灌浆缺陷对剪力墙抗震性能存在显著的影响。灌浆套筒连接剪力墙边缘构件对灌浆缺陷的敏感性较高。关键词灌浆套筒,灌浆缺陷,装配式剪力墙,抗震性能Study on the Influence of Grouting Defects on the Seismic Behaviorof Sleeve Grouting Connected Shear WallsCAO DongPAN ZuanfenglGU Zhengyu?YANGYichao2(1.State Key Laboratory for Disaster Red
3、uction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Shanghai Tobacco Group Co.LTD,Shanghai 200082,China)AbstractThe wet connection method of grouting sleeve has been widely used in prefabricated structuresystem,and the control of grouting compactness is the key to ensure the constr
4、uction quality of prefabricatedstructure.In order to analyze the influence of grouting defects on the seismic performance of prefabricatedshear walls,the degree of grouting defects and the location of grouting defect sleeves were taken as thevariation parameters of the study.Finite element simulatio
5、ns of prefabricated shear walls with sleeve groutingdefects were carried out based on OpenSees to analyze the effect of grouting defects on seismic performanceindicators,such as hysteresis curve,bearing capacity,displacement ductility,energy dissipation and so on.The results show that there is a sig
6、nificant effect of grouting defects on the seismic performance of shear walls.The edge members of shear walls are more sensitive to grouting defects.Keywordsgrouting sleeves,grouting defects,fabricated shear walls,seismic performance0引 言灌浆套筒连接因具有制造工艺简单以及连接性能等同现浇等优点,被广泛应用于装配式混凝土剪力墙结构的钢筋连接。灌浆套筒承载力及其失效
7、模式已经引起众多学者的注意在构件层次上,灌浆套筒受拉失效模式包括两种,一种是锚固长度不够导致的粘结失效,另一种是竖向钢筋屈服后拉断1-4。Xu等5 对不同部位的灌浆缺陷套筒进行了试验研究,分析了灌浆缺陷程度对粘结破坏模式和粘结应力滑移曲线的收稿日期:2 0 2 2-12-0 7基金项目:国家自然科学基金(52 0 7 8 3 6 8、52 0 3 8 0 10)作者简介:曹栋(19 9 3-),男,博士研究生,主要研究方向为装配式混凝土结构、无损检测。E-mail:c a o d o n g t o n g j i.e d u.c n*联系作者:潘钻峰(19 8 1-),男,教授,主要研究方向
8、为装配式混凝土结构、预应力混凝土结构。E-mail:55结构工程师第3 9 卷第3 期抗震与抗风影响。Zheng等3 对存在竖向灌浆缺陷的套筒进行了单轴拉伸试验和循环载荷试验。结果表明,钢筋失效模式和拉伸能力与钢筋锚固长度相关。在结构层次上,Li等6 从框架结构的破坏模式、滞回性能、承载能力、延性和耗能能力等方面描述了无灌浆缺陷框架、有灌浆缺陷框架和修补缺陷框架的性能的差异性。Xiao等7 对7 片套筒灌浆剪力墙进行了抗震性能试验。试验结果表明,灌浆密实的剪力墙承载力等同现浇,但是由于刚度较低,延性低于现浇剪力墙;同时,灌浆缺陷剪力墙的承载力明显低于灌浆密实的剪力墙套筒灌浆缺陷对装配式混凝土剪
9、力墙结构的抗震安全性造成了严重威胁,因此研究灌浆缺陷对剪力墙构件力学性能的影响是有必要的。本文基于OpenSees求解器对灌浆套筒连接剪力墙进行模拟分析,研究了灌浆缺陷程度和灌浆缺陷套筒位置对剪力墙力学性能的影响,分析的结果以期给装配式灌浆套筒连接剪力墙的研究提供参考。1其基于OpenSees的有限元模拟1.1节点设置套筒灌浆剪力墙节点的设置主要跟套筒的布置相关,由于需要模拟套筒灌浆缺陷,因此在模型网格布置的时候将套筒的位置切分出来。剪力墙划分段示意图具体见图1。根据OpenSees求解器的试算结果,8 分段灌浆套筒剪力墙滞回曲线符合捏缩饱满状态,且骨架曲线与实验测试结果接近。10 分段剪力墙
10、计算结果精度提高有限,骨架曲线与8 分段灌浆套筒剪力墙相差有限。虽然提高剪力墙划分数目一定程度上可以增加模型的准确性,但划分到一定层次后继续划细网格已没有意义,同时会增大计算的时间8 1.2材料单元剪力墙的钢筋本构采用Steel02材料,Steel02可以考虑重复荷载下钢筋的等向强化。混凝土的本构选择Concrete01材料,定义Concrete01材料时需要明确混凝土峰值抗压强度、峰值压应变、混凝土压碎时的极限抗压强度及与其对应的极限压应变。对于箍筋约束核心区混凝土材料的定义,选择Mander受压箍筋约束混凝土本构。套筒灌浆dispBeamColumn NLDKGQ dispBeamColu
11、mn NLDKGQ dispBeamColumn NLDKGQ暗柱墙片暗柱暗柱墙片暗柱暗柱墙片暗柱(a)6分段(b)8分段(c)10分段图1剪力墙整体节点划分示意图Fig.1Division of shear wall elements剪力墙的模拟采用分层壳单元ShelINLDKGQ建立墙身,剪力墙边缘暗柱采用纤维模型dispBeamColumn建模。1.3灌浆缺陷模拟灌浆缺陷对套筒的拉拔的影响包括承载力和延性的降低9 ,OpenSees模拟灌浆缺陷可以将套筒等效为钢筋材料。从力学等效角度考虑,钢筋材料可以选择steel系列材料、Reinforcing steel材料和DoddRestrepo
12、材料等;从力学行为角度考虑,可以将灌浆缺陷模拟为锚固长度不够导致的粘结滑移失效,用truss单元模拟钢筋,利用Pinching4或者Hysteretic材料等代替不同灌浆程度套筒的拉拔骨架曲线,从而表征灌浆缺陷引起的延性损伤和承载力降低。根据文献10 的方法,存在灌浆缺陷的套筒可以进行承载力强度折减,以模拟灌浆缺陷的影响。本文针对全灌浆套筒进行研究,从力学等效角度仅考虑出浆口灌浆段的缺陷,灌浆缺陷设置如图2 所示。参考文献11 和文献12 对灌浆缺陷状态下拉拔承载力差异性的研究,对于竖向灌浆缺陷长度4d的套筒,承载力折减系数取值0.7 5。因为全灌浆套筒分为灌浆上半段和灌浆下半段,对于竖向灌浆
13、缺陷长度8 d的套筒,则剪力墙内竖向钢筋不连续。考虑到套筒下半段锚固长度内实际上仍然有部分钢筋嵌固在剪力墙内,根据有限元试算结果,承载力折减系数取值0.2。1.4实验对比与验证文献7 关于灌浆缺陷对剪力墙抗震性能的56EarthquakeeandWindRetanceStructural EngineersVol.39,No.3图2套筒灌浆缺陷设置Fig.2Setting of sleeve grouting defects影响进行了对比研究,设置了不同灌浆缺陷组合模式(剪力墙编号PW-0至PW-5)。从图3 中可以发现滞回曲线对比结果较好。图4为模拟计算的剪力墙耗能能力与试验测试数据耗能能力
14、的对比,从图中可看出整体趋势比较吻合。800SIM.600EXP.(PW-O)400NY/体2000-200-400-600-800-80-60-40-2002040 6080水平位移/mm图3模拟与试验7 的滞回曲线对比Fig.3Hysteresis curves comparison2剪力墙灌浆缺陷参数化分析为了研究灌浆缺陷程度和灌浆缺陷套筒位置对剪力墙抗震性能的影响,进行套筒灌浆连接剪力墙灌浆缺陷参数化分析。剪力墙模型整体尺寸设置2.8 m1.4mx0.2m,高宽比为2,混凝土强度等级为C30,边缘约束柱截面为2 0 0 mm200mm,设计轴压比0.2,竖向钢筋直径16 mm,水平8
15、mm直径的分布筋按间距2 0 0 mm布置。剪力墙模型细节和灌浆套筒位置分布见图5,套筒间距设置为2 0 0 mm。2.1灌浆缺陷损伤程度分别设置剪力墙单侧最外两个套筒缺陷长度600500PW-0PW-1400PW-2PW-3300PW-4+PW-5200100010203040506070水平位移/mm(a)模拟结果600CW-0PW-0500PW-1-PW-2400-PW-3-PW-4300+PW-5PW-620010001530456075水平位移/mm(b)试验结果(7)图4耗能曲线对比Fig.4Comparison of energy consumption curves(a)有限元
16、模型(b)模型细节图5套筒灌浆连接剪力墙有限元模型Fig.5Finite element of shear wall models0图6 灌浆缺陷套筒位置Fig.6Location of grouting defective sleeves4d和缺陷长度8 d,剪力墙模型分别编号为JLQ-I-4d和JLQ-I-8d,具体模型如图6 所示。为了评价57结构工程师第3 9 卷第3 期抗震与抗风剪力墙构件的抗震性能,就需要对滞回曲线进行分析,以便得到相关的评价抗震性能的信息。滞回曲线可以表征灌浆套筒剪力墙构件承载力、耗能能力、延性和刚度等力学特征指标。从图7 可以看出灌浆饱满的剪力墙滞回曲线较为饱满
17、,具有较好的耗能能力,随着损伤程度的加剧,峰值荷载逐渐降低,曲线饱满性减弱延性系数用于表征剪力墙构件的变形能力。选用等效能量法计算延性系数,如图8 所示。表1中给出了剪力墙的延性系数,其中D,是等效屈服位移,F,是等效屈服荷载,D.是峰值位移,F,是峰值荷载,D.是极限位移,F.是极限荷载,延性系数入=D./D灌浆饱满剪力墙的等效屈服位移为19mm,而JLQ-I-4d和JLQ-I-8d的等效屈服位移为17.8 mm和17.4mm,均出现了提前屈服的现象。存在灌浆缺陷剪力墙的等效屈服荷载F,、峰值荷载F,和极限荷载F.均出现了下降,JLQ-I-8d相比灌浆饱满剪力墙,三个荷载参数分别降低了13.
18、7%、11.8%和12.2%。对比分析无灌浆缺陷剪力墙、JLQ-I-4d和JLQ-I-8d的延性系数可知,随着灌浆缺陷的增加,延性系数均不断降低,表明灌浆缺陷会减弱灌浆套筒连接剪力墙的延性变形能力。以荷载-位移骨架曲线的割线刚度来定量分析灌浆套筒剪力墙刚度退化过程。图9为三个剪力墙模型的等效刚度,对于无灌浆缺陷剪力墙模型而言,灌浆缺陷会影响构件的刚度,但影响幅度较小。剪力墙耗能能力的强弱是判断构件抗震性能优异性的重要指标。在往复荷载试验中,装配式剪力墙的耗能能力可以通过滞回曲线的包络面积进行等效评价。每次循环期间的累积能量耗散为荷载变形滞回下的累积面积。从图10 可以看出相比于灌浆密实的剪力墙
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