含FRP约束竖向钢筋搭接的装配式剪力墙数值建模方法研究

含FRP约束竖向钢筋搭接的装配式剪力墙数值建模方法研究

褚军廷1，金 峤2

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168)

摘要：为探究含FRP约束竖向钢筋搭接连接的装配式剪力墙结构的合理模型构建方法和抗震影响因素及规律，本文根据装配式剪力墙背景试验，建立了基于非线性梁柱单元的纤维模型的OpenSees数值模型。通过数值模拟验证分析可知：Concrete02、Concrete04本构模型模拟所得滞回曲线的捏拢效应以及承载力大小与试验更为吻合，其屈服荷载与峰值荷载与试验结果误差在10%以内，模拟精度最高；剪力墙墙身采用Concrete04本构模型一定程度上可提高极限承载力，但滞回曲线更为捏缩，采用未约束混凝土模型更能反映试件的滞回特性。

关键词：装配式剪力墙；FRP约束；竖向钢筋搭接；OpenSees；抗震性能

中图分类号：TU398.1 文献标志码：A

Numerical Analysis of Seismic Performance of Prefabricated Shear Walls with FRP-Constrained Vertical Rebar Lap Splices

Chu Junting1，JinQiao 2

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jian Zhu University, Shenyang, China 110168)

Abstract：To explore the reasonable model construction method and seismic influencing factors and laws of prefabricated shear wall structures with FRP constrained vertical steel bar lap connections, this paper establishes an OpenSees numerical model based on nonlinear beam column elements based on background experiments of prefabricated shear walls. The numerical simulation results show that the pinching effect and bearing capacity of hysteresis curves simulated by the Concrete02 and Concrete04 constitutive models are more consistent with the experimental results. The error of yield load and peak load is within 10%, and the simulation accuracy is the highest. The use of Concrete04 constitutive model can improve the ultimate bearing capacity to some extent, but the hysteresis curve is more pinched, and the use of unconstrained concrete model can better reflect the hysteresis characteristics of specimensKey words：Prefabricated shear wall; FRP confinement; Vertical rebar lap splice; OpenSees; Seismic performance.

0引言

预制装配式剪力墙结构体系是一种高效、节能、环保的建筑结构形式。目前，国内外学者已对灌浆套筒、约束浆锚等常见的装配式结构节点连接方式进行了深入的试验研究[1-2]。OpenSees作为开源地震工程模拟软件，受到了越来越多的学者的重视。陈伟[3]总结归纳了OpenSees现有的滞回本构模型，并探究了轴压比和纵筋率对钢筋混凝土结构滞回性能的影响；赵金刚[4]归纳了OpenSees提供的6种混凝土本构模型具体参数取值，并以此为基础验证了本构模型的适用性。解琳琳[5]采用基于位移的梁柱单元和考虑应变渗透的零长度单元的组合单元，对高宽比较剪力墙进行模拟。

本文以一种新型装配式剪力墙竖向钢筋连接方式[6-7]即“含FRP约束环的钢筋搭接连接”为研究基础，以相应的剪力墙拟静力试验结果[8]为评估标准，深入研究装配式剪力墙的合理建模方法，旨在为这类建筑结构提供可行的数值模拟技术，为程实践和设计提供实质性案例和参考。

1试验设计

试验包含FSW1、FSW2和FSW3三个剪力墙试件。三个试件在外形和尺寸上保持一致，混凝土采用C40，轴压比为0.25，竖向等代钢筋直径分别为12mm、14mm、16mm。试件箍筋和拉筋强度等级为HPB300，其它钢筋强度等级为HRB400。FSW1试件的尺寸及配筋图如图2所示，其它试件几何及配筋参数参见文献[8],钢混凝土力学参数分别见表1和表2。

图2试件FSW1配筋图

Fig.2  reinforcement diagram of specimens FSW1

2有限元建模及结果分析

2.1纤维截面的划分及材料本构

在装配式剪力墙有限元模型中，节点连接区域的截面是材料类型和约束条件最复杂的区域（见图3），以此为例来阐述纤维截面的本构构成。

由图3可见，该区域的纤维截面被划分为五类：①无约束混凝土纤维截面（保护层区域），采用单轴混凝土材料Concrete02本构模型（Kent-Scott-Park[9]本构模型）；②箍筋约束混凝土纤维截面（两端暗柱区域），采用能够考虑箍筋对核心区环箍作用的Concrete04模型（Mander[10]约束混凝土本构模型）；③箍筋和FRP共同约束混凝土纤维截面（FRP约束环灌浆料区域），采用FRPConfinedConcrete模型。④钢筋纤维截面（纵向受力钢筋），采用Steel02模型；⑤中部墙身混凝土纤维截面，考虑其约束条件选用Concrete04本构模型。以上部分关键材料本构关系可参考文献[4].

3精确化模型

精确化建模是分析影响剪力墙抗震性能参数的基础。以下通过本构模型的选择，是否考虑应变渗透效应以及是否考虑墙身混凝土约束两方面探究如何更精确模拟构件的受力性能。研究工况如表3所示，材料本构模型可参考文献[4]。FSW1

为试验结果其试验参数见上文。对于模拟的精度采用误差均方根评价公式衡量，计算公式为：

误差平方根对比表如图4所示。

3.1本构模型

利用OpenSees提供的材料本构，根据不同的混凝土和钢筋特性，采取不同的本构模型组合建立有限元数值模拟，对比不同组合的滞回差异。本构的选取见表3，滞回曲线如图4所示。

采取5种材料建立6个有限元模型进行滞回性能分析，6个基于不同材料本构的滞回曲线形状及发展趋势相近。前期施加荷载构件处于弹性阶段，6个模型都能较好地模拟构件的受力性能，当荷载逐步增大后，当以Concrete01作为保护层混凝土的本构模型时，模拟滞回曲线更为捏缩，且出现正反向承载力不对称的状况。对于钢筋本构，使用Steel01和Steel02对滞回曲线承载力的影响较小，但使用Steel02本构滞回环更加饱满。当保护层混凝土采用Concrete02模型、约束混凝土采用Concrete04模型、钢筋采用Steel02模型模拟其承载力与滞回曲线的饱满程度都与试验误差最小，能精确反映构件的受力性能。

3.2滞回结果分析

为考虑剪力墙墙身混凝土的约束作用，

分别采用约束混凝土模型和无约束混凝土模型探究不同混凝土模型的影响。模拟滞回曲线对比如图5所示。

由图5可知采用约束混凝土模型提高了混凝土抗压强度，构件的初始刚度影响较小，但其峰值承载力提升了7.5%，屈服荷载提高了5.1%。前期弹性阶段并无明显差别，随着位移增大，约束混凝土模型峰值荷载高于混凝土模型，根据误差分析采用未约束混凝土精度更高。

4结论

1、采用Concrete01、Concrete02、Steel01等本构模型组合方式模拟均能较好地反映构件的滞回特性。

2、采用Concrete02、Concrete04、Steel02本构模型组合与试验误差最小模拟精度最高。

3、剪力墙中部区域混凝土采用未约束混凝土模型较好地的模拟出滞回曲线的发展趋势，更能反映构件的滞回特性。

参考文献

[1]钱稼茹,杨新科,秦珩,等.竖向钢筋采用不同连接方法的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(6): 51-59.

(Qian Jiaru, Yang Xin-Ke, Qin Heng, et al. Seismic performance test of Prefabricated reinforced concrete shear wall with different Connection methods [J]. Journal of Building Structures, 2011, 32(6): 51-59.) 

[2]焦安亮,张鹏,李永辉,等.环筋扣合锚接连接预制剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(5):103-109.

(Jiao Anliang, Zhang Peng, Li Yonghui, et al. Experimental study on seismic performance of precast shear wall connected with ring reinforcement and anchor [J]. Journal of Building Structures,2015,36(5):103-109. )

[3]陈伟.基于OpenSees平台开发的混凝土滞回本构模型在结构分析中的应用[D].重庆大学,2012.

(Chen Wei. Application of concrete hysteretic constitutive model developed based on OpenSees platform in structural analysis [D]. Chongqing University,2012. )

[4]赵金钢,杜斌,占玉林等.OpenSees中混凝土本构模型用于模拟结构滞回性能的对比[J].桂林理工大学学报,2017,37(01):59-67.

(Zhao Jinguang, Du Bin, ZHAN Yulin et al. Comparison of concrete constitutive model used to simulate hysteretic properties of structures in OpenSees [J]. Journal of Guilin University of Technology,2017,37(01):59-67. )

[5]解琳琳.基于OpenSees的RC构件抗震性能数值模拟及验证[D].合肥工业大学,2012.

(Xie Linlin. Numerical simulation and verification of seismic performance of RC components based on OPENSEES [D]. Hefei University of Technology,2012. )

[6]温学彬.含FRP约束环钢筋锚固性能试验研究[D]. 沈阳：沈阳建筑大学, 2017.

(Wen Xuebin. Experimental study on anchorage performance of steel Bars with FRP confined ring[D]. Shenyang: Shenyang University of Architecture, 2017.)

[7]高猛.含FRP约束的装配式剪力墙钢筋搭接连接研究[D]. 沈阳：沈阳建筑大学, 2018年.

(Gao Meng. Study on the overlapping connection of reinforcements in prefabricated shear wall with FRP confined rings[D]. Shenyang: Shenyang University of Architecture, 2018.)

[8]李京龙.含FRP约束竖向钢筋连接的装配式剪力墙抗震性能研究[D]. 沈阳建筑大学, 2019.

(Li Jinglong.  Seismic behavior of assembled shear wall with FRP constrained vertical reinforcement Connections [D]. Shenyang: Shenyang University of Architecture, 2019.)

[9]SCOTT B D，PARK R，PRIESTLEY M J N． Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates［J］． Journal Proceedings，1982，79 ( 1) : 13-27

[10]MANDER J B， PRIESTLEY M J N， PARK R． Theoretical stress-strain model for confined conc［J］． Journal of Structural Engineering，1988，114 ( 8 ) : 1804-1826

