洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響

彭 斌，楊隨新

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州510060)

剪力墻以抗側剛度大、抗剪性能好而在高層建筑結構中得到了廣泛的應用。但是由于建筑門、窗洞口的需要，使得實際工程中聯肢剪力墻子墻體出現了截面高度過小的情況。因此，有必要深入分析洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響。許多學者對聯肢剪力墻的抗震性能做了大量有價值的研究，陳云濤等人［1］從試驗和理論角度深入地研究了聯肢剪力墻的抗震性能;蔣勤等人［2］對短連梁和長連梁雙肢剪力墻試件進行了靜力彈塑性分析，得到了短、長連梁的計算模型;李宏男等人［3］進行了鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復力模型及試驗研究;童根樹等［4］采用連續化模型，對雙肢剪力墻結構平面內穩定性進行了研究，求得了頂部作用集中壓力時臨界荷載的精確顯式表達式和顯式屈曲波形。

馬志林等人［5］的研究表明，影響聯肢剪力墻抗震性能的主要因素有軸壓比、墻體分布鋼筋配筋率、墻體邊緣構件配筋率以及連梁縱向鋼筋配筋率等。本文通過ABAQUS采用殼單元模擬剪力墻和連梁，主要分析在以上各種不同因素和不同墻體高度條件下，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能和破壞形式的影響，為實際工程設計提供參考。

1 剪力墻模型

以典型的雙肢剪力墻為研究對象，墻肢總長度為6.2 m，墻體厚度為250 mm，層高為3m，總共20層，洞口截面尺寸為2 m×2.4 m，通過改變洞口位置形成不同的分析模型，單層墻體尺寸如圖1所示。

剪力墻混凝土強度等級為C40，鋼筋均為HRB400，截面配筋如圖2所示，墻體分布鋼筋為雙向φ12@200，所有墻肢端部約束構件尺寸為250 mm×400 mm，配筋為6φ16。連梁截面尺寸為250 mm×600 mm，上下各配3φ20鋼筋。每層施加線荷載q=70 kN/m，對應的底層墻肢的軸壓比為0.517。

根據洞口位置的變化建立的分析模型尺寸如表1所示，側向力加載模式為倒三角形式。由于洞口位置變化使得雙肢剪力墻是不對稱的。本文側向力加載按兩個方向分別進行，如圖3所示，每層側向力作用在樓層位置。其中，B1、C1、D1側向力加載方向為從左向右，B2、C2、D2側向力加載方向為從右向左，模型A由于對稱關系兩方向側向力加載得到的分析結果一致。

圖1 單層剪力墻尺寸(單位:mm)

圖2 墻肢截面配筋

圖3 側向力加載模式(單位:mm)

表1 聯肢剪力墻尺寸

2 有限元分析模型及計算參數

有限元分析中，混凝土彈性模量E=3.25×104MPa，泊松比為0.2，單軸抗壓強度標準值為26.8 MPa，單軸抗拉強度標準值為2.39 MPa。混凝土本構采用損傷塑性模型，該模型能夠較好地模擬混凝土在各種荷載類型下的拉伸開裂和壓碎破壞形態，并且可以考慮材料拉壓強度的差異、剛度和強度的退化以及拉壓循環的剛度恢復，混凝土進入塑性狀態伴隨著剛度的降低，其剛度損傷分別由受壓損傷因子dc和受拉損傷因子dt表達。本文損傷因子的計算參考文獻［6］的成果，得到C40混凝土受壓及受拉塑性損傷因子與應力的對應關系如圖4所示。對于受壓損傷，當混凝土達到極限壓應力時，損傷因子為0.3左右;對于受拉損傷，當拉應變達到0.000 25時，混凝土強度降低到峰值的50%左右，此時受拉損傷因子為0.55左右，可認為混凝土受拉破壞。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，采用雙線性隨動強化模型，考慮包辛格效應，在循環過程中，無剛度退化。鋼材的屈服強度標準值為 400 MPa，強屈比為 1.2，極限應變為0.025。

圖4 C40混凝土塑性損傷因子與應力對應關系

剪力墻和連梁均采用減縮積分殼單元S4R模擬，其中沙漏控制加強，單元尺寸控制在0.4～0.6 m之間，通過Rebar layer給墻體及連梁配筋，集中側向力通過分布耦合的方式作用到每一樓層。由于ABAQUS不支持給殼單元的非自由邊施加shell edge load，墻體的恒載通過body force等效添加。整個分析過程中假設剪力墻不發生平面外失穩，并考慮P－Δ效應。整體推覆分析之前做了模態分析，得到各模型第一階模態對應的周期如表2所示?？梢钥闯?，隨著洞口兩邊墻肢截面高度差距的增大，結構整體剛度逐漸減小。

表2 各結構模型第一周期

3 數值模擬結果及分析

3.1 不同軸壓比作用

為研究不同軸壓比作用下洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響，在前文原始模型的基礎上，只改變每層的恒載為20 kN/m，得到底層墻肢軸壓比為0.208，對應的模型編號分別為Aa～D2a。圖5和圖6分別給出了側向力兩方向加載不同軸壓比對應的各模型基底剪力－頂點位移關系曲線。

圖5 從左向右加載不同軸壓比各結構基底剪力－頂點位移曲線

圖6 從右向左加載不同軸壓比各結構基底剪力－頂點位移曲線

由圖5、圖6可知，當墻肢軸壓比較小為0.208時，無論側向力加載方向為從左向右還是從右向左，洞口位置對聯肢剪力墻抗剪承載能力和變形能力的影響較小。但當墻肢軸壓比為0.517時，從左向右加載得到的各模型基底剪力－頂點位移曲線差異較大。隨著洞口兩邊墻肢截面高度差距的增大，聯肢剪力墻極限承載能力明顯降低，延性變差，尤其是當子墻體截面高厚比小于4時，極限承載力降幅增大;從右向左得到的各模型基底剪力－頂點位移曲線除了屈服剪力有一定差異外，極限承載力和變形能力受洞口位置的影響較小。

根據前文分析結果可知，在不同軸壓比下，當側向力作用方向為從右向左時，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響較小，承載能力主要由受壓側墻肢控制，故后續分析側向力加載方向均為從左向右，即由肢長較長墻肢向肢長較短墻肢方向。

3.2 不同墻體分布鋼筋

只改變墻體分布鋼筋由雙向φ12@200變為φ12@150，對應的模型編號為Ab～D1b。圖7給出了不同墻體分布鋼筋對應的各模型基底剪力－頂點位移曲線。

圖7 不同墻體分布鋼筋各模型基底剪力－頂點位移曲線

由圖7可知，在不同墻體分布鋼筋配筋率的條件下，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響有相似規律，提高墻體分布鋼筋配筋率能在一定程度上提高墻體的抗剪承載力，但并不突出。

3.3 不同墻體邊緣構件配筋率

只改變墻體邊緣構件配筋由6φ16變為6φ20，對應的模型編號為Ac～D1c。圖8給出了不同墻體邊緣構件配筋率對應的各模型基底剪力－頂點位移曲線。

圖8 不同邊緣構件配筋率各模型基底剪力－頂點位移曲線

由圖8可知，提高邊緣約束構件的配筋率能夠較大幅度地提升墻體的抗剪承載力和變形能力，并且在由于洞口的存在使得子墻體截面高度較小時，提升墻體邊緣構件配筋率是非常直接有效的方法。

3.4 不同連梁縱向鋼筋配筋率

圖9給出了改變連梁縱向配筋為上下3φ25后得到的不同連梁縱筋配筋率的各模型基底剪力－頂點位移曲線，對應的模型編號為Ad～D1d。

圖9 不同連梁縱向鋼筋配筋率各模型基底剪力－頂點位移曲線

由圖9可知，就推覆分析結果而言，增大連梁縱向鋼筋配筋率對提高聯肢剪力墻抗剪承載能力作用很小，并不能改善洞口不利位置引起的聯肢剪力墻抗震性能變差的問題。

3.5 不同墻體高度

改變模型A～D1樓層層數為33層，墻體總高度為99 m。通過修改每層線荷載q，使得底層墻肢軸壓比仍然保持在0.517，其他參數不變，對應的模型編號為Ae～D1e。圖10給出了不同墻體高度條件下，洞口位置對聯肢剪力墻基底剪力－頂點位移曲線的影響。

圖10 不同墻體高度各模型基底剪力－頂點位移曲線

由圖10可知，隨著墻體總高度的增加，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響有相似規律，當聯肢剪力墻一側子墻體截面高度與厚度之比小于4時，墻體抗剪承載能力降幅明顯增大。

4 墻肢破壞結果

取基底剪力下降到最大承載力的85%對應的基底剪力－頂點位移曲線上的點為極限點［7］，圖11和圖12分別給出了A、D1和D2在各自極限點對應的墻體混凝土受壓損傷因子和豎向鋼筋mises應力云圖。

由圖11可知，達到極限狀態時，各模型受壓側墻肢混凝土受壓破壞均較嚴重，其中從左向右加載方式模型D1受壓側混凝土全部壓碎，破壞最嚴重。對比模型A與D1、D2可以看出，D1和D2連梁混凝土破壞較輕，意味著洞口兩邊墻肢截面高度差距較大的聯肢剪力墻的連梁在抵抗地震作用時不能充分地耗能，起不到第一道防線的作用。

圖11 極限點對應的墻體混凝土受壓損傷分布

圖12 極限點對應的墻體豎向鋼筋mises應力

由圖12可以得出，達到極限狀態時，各模型底部墻肢受拉及受壓鋼筋屈服嚴重。其中洞口兩邊墻肢截面高度差距較大的模型D1和D2，當側向力加載方向為從左向右時，受壓側底部墻肢縱向鋼筋全截面達到極限強度;當側向力加載方向為從右向左時，受拉側底部墻肢縱向鋼筋全截面達到極限強度?？傮w而言，洞口兩邊截面高度差距較大的模型達到限狀態時，底部墻肢鋼筋屈服更為嚴重。

5 結論

本文采用ABAQUS軟件討論了在不同軸壓比、墻體和邊緣構件配筋率等條件下，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響，主要得到以下結論。

(1)當墻肢軸壓比較小時，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響較小，但當軸壓比較大時，洞口位置的變化會引起聯肢剪力墻抗震性能的較大差異。隨著墻體總高度的增加，洞口位置對聯肢剪力墻抗震性能的影響有相似規律。

(2)改善洞口不利位置引起的聯肢剪力墻抗震性能下降的有效措施是降低墻肢軸壓比和提高邊緣構件配筋率，而提高墻體分布鋼筋和連梁縱向鋼筋配筋率作用較小。

(3)當聯肢剪力墻一側墻肢截面高度過小時，對地震作用下的此側墻肢受壓極為不利。雖然提升邊緣構件配筋率能一定程度地提高其極限承載能力，但是其連梁在抵抗地震作用過程中破壞較輕，無法充分耗能，起不到第一道防線的作用，子墻體截面高度與厚度之比不宜小于4。

［1］陳云濤，呂西林.聯肢剪力墻抗震性能研究——試驗和理論分析［J］.建筑結構學報，2003，24(4):25－34

［2］陳勤，錢稼茹.鋼筋混凝土雙肢剪力墻靜力彈塑性分析［J］，計算力學學報，2005，22(1):13－19

［3］李宏男，李兵.鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復力模型及試驗研究［J］.建筑結構學報，2004，25(5):35－42

［4］童根樹，蘇健.聯肢剪力墻的剛度、穩定性以及二階效應［J］.工程力學，2012，29(11):115－122

［5］馬志林，史慶軒，王偉.鋼筋混凝土聯肢剪力墻彈塑性分析［J］.建筑科學與工程學報，2010，27(1):60－64

［6］閆曉榮，林皋.基于混凝土應力－應變關系的正交各向異性損傷模型及其應用［J］.水科學與工程技術，2005，(4):39－43

［7］過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.清華大學出版社，2003:334－353