改進疊合板式剪力墻受力性能分析

張文瑩,余少樂

(同濟大學 土木學院，上海 200092)

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改進疊合板式剪力墻受力性能分析

張文瑩,余少樂

(同濟大學 土木學院，上海 200092)

疊合剪力墻結構是一種新型的裝配式結構，適應建筑工業化生產的要求，在建筑領域運用越來越廣泛。現場常用的疊合剪力墻有兩種形式，一種是邊緣構件現澆的疊合墻體，一種是邊緣構件預制的疊合墻體。邊緣構件預制的疊合剪力墻施工更加方便，工廠化生產更具有優勢，因此更加值得推廣。針對邊緣構件預制的疊合墻體，本文提出了一種改進形式。基于OpenSEES采用對改進后的疊合板式剪力墻的受力性能進行模擬。模擬結果表明，改進的疊合剪力墻不僅能夠提高疊合剪力墻的極限承載力，還能夠增強墻疊合剪力墻界面抗剪能力。

建筑工業化；疊合剪力墻；改進構造；OpenSEES

建筑工業化是目前國家大力推行的綠色建筑改革方式，建筑構件在工廠里流水線式制作，運至現場進行拼裝，不僅能夠節省大量的勞動力，而且施工現場能夠減少建筑垃圾、改善施工場地及周邊的環境。疊合剪力墻是預制裝配式結構中的一種新的產品，它融合了預制構件和現澆構件的特點，既能夠工廠化生產，又保留了現澆結構整體性的優點。因此受到越來越多的關注。現在施工現場的疊合剪力墻有兩種常用的形式，一種是邊緣構件現澆的疊合墻體，一種是邊緣構件預制的疊合墻體。邊緣構件預制的疊合剪力墻施工更加方便，工廠化生產更具有優勢，因此更加值得推廣。目前國內外針對疊合剪力墻開展了一系列的研究工作[1-6]，但對構造形式研究的還較少。本文利用OpenSEES程序對改進的邊緣構件預制的疊合剪力墻的受力性能進行分析。

1　疊合剪力墻的制作過程

疊合板式剪力墻的工廠化制造過程一般如下：首先在工廠模板上擺放受力鋼筋及預埋件，然后澆筑一側的混凝土，養護后再在模板上澆筑另一側混凝土，使用翻轉機將已經養護好的墻板壓進混凝土中，養護后運到指定場地堆放。

改進模型的思想是用箍筋和豎向鋼筋構成的連接鋼筋替代桁架鋼筋，文獻[6]中證明了疊板式剪力墻中的桁架鋼筋不僅起連接作用，邊緣構件處桁架鋼筋還參與受力。因此采用暗柱形式的連接方式不僅增加了邊緣構件中豎向鋼筋數量，還能夠增強墻疊合剪力墻界面抗剪能力。

2　基于OpenSEES的疊合板式剪力墻非線性有限元分析

利用開源程序OpenSEES(Open System for Earthquake Engineering Simulation)，采用兩種不同模型對疊合板式剪力墻進行模擬。第一種是考慮彎曲剪切耦合的模型，第二種是模型是纖維截面模型。首先通過對文獻[1]中原模型(W3)進行模擬，模擬結果和試驗的對比，驗證有限元模型的正確性，進而分析改進模型。對比改進模型分析結果和原模型分析結果，分析改進模型的特點。

2.1考慮彎曲-剪切耦合模型

為了考慮剪力墻結構受力過程中的彎曲和剪切相互作用的效果，Orakcal 提出了一個分析模型[7]，通過在多垂直單元模型中添加轉動彈簧的方法考慮剪力墻的面內受力性能。這個可以考慮彎剪耦合模型是在Petrangeli et al.提出的多垂直桿單元方法上通過對MVLEM模型中每一個豎向桿單元添加一個剪切彈簧，這時豎向桿單元就能夠表達剪力墻面內受力行為，具有殼單元的屬性。如圖1所示。

(1)單元模型

在OpenSEES中纖維模型是最常用的，Orakcal et al.在Displacement-Based Beam-Column單元基礎上進行改進，提出了可以考慮彎剪耦合模型的dispBeamColumnInt單元，這個單元只能用于二維的單調加載分析，不能用于模擬剪力墻在低周反復荷載作用下的受力行為。

(2)材料模型

Orakcal et al.創建了concrete06本構模擬混凝土，concrete06本構通過引入受壓軟化參數和受拉硬化參數，可以考慮混凝土雙軸受壓軟化和受拉硬化效應。Concrete06本構如圖2所示，受壓骨架曲線采用的是Thorenfeldt-based曲線。鋼筋通過Steel02本構來模擬，Steel02本構是基于Giuffre-Menegotto-Pinto的修正模型，如圖3所示，能夠考慮鋼筋等向應變硬化影響，還可以很好的反映包興格效。

(3)截面模型

Orakcal et al.在OpenSEES中添加了一個稱為“FiberInt”的修正纖維截面，這個截面分成許多條帶(strips)，每一個條帶由代表鋼筋和混凝土的豎向纖維和代表水平鋼筋的水平纖維來表示，如圖4所示。

(4)分析結果

沿著剪力墻高度分成10個單元，每個單元有15個條帶。分析過程分兩步，第一步添加豎向壓力，分成十個荷載步完成；第二步施加單調的水平荷載，位移增量為0.5mm。對原模型的疊合剪力墻的模擬結果和試驗的骨架曲線對比見圖5。

從上面的分析結果可以看出，考慮彎曲-剪切耦合模型在0.1軸壓比預測疊合剪力墻的極限承載力上可以達到很好的效果。疊合構件W-3的試驗測得的極限承412kN，OpenSEES模擬結果為423kN，二者相差2.7%。模擬結果表明，彎曲-剪切耦合模型能夠準確的預測疊合剪力墻的極限承載力。對改進后的疊合剪力墻進行模擬，其替代桁架鋼筋的暗柱中的豎向鋼筋直徑取6 mm，保持與W-3中桁架鋼筋中豎向鋼筋直徑一致。模擬結果如上圖6所示，改進后的疊合剪力墻極限承載力為436.4kN，未改進的疊合剪力墻為423kN，二者相差很小。其原因是在低軸壓比下，受壓區高度較小，改進后的疊合墻中邊緣構件和原來的疊合墻邊緣構件相比豎向鋼筋面積只多了28.3mm2。增大暗柱鋼筋直徑到10 mm，其模擬結果如上圖7所示。對比結果顯示，增大起連接作用的暗柱豎向鋼筋直徑到10 mm，疊合剪力墻的極限承載力為521kN，未改進的疊合剪力墻為423kN，提高了23.2%。

2.2纖維截面模型

OpenSEES中纖維截面模型，最早是由Taucer et al.開發了，是目前模擬框架結構和剪力墻結構靜力和動力性能使用最為廣泛的方法之一。在這個模型中，沿著截面分成很多混凝土纖維和鋼筋纖維，分別賦予鋼筋纖維和混凝土纖維各自的單軸本構。如圖8所示。

(1)單元模型

纖維截面模型中有基于剛度的纖維模型和基于柔度的纖維模型，基于剛度的纖維模型把單元劃分為若干個積分區段，積分點處截面的位移通過3次Hermit多項式差值求得，在線性和近似線性的響應下可以得到較為準確的結果，局限于3次差值函數，在不能很好的描敘非線性行為，要到達需要的效果，需要在非彈性區域使用非常細的劃分；基于柔度的纖維模型，同樣把單元劃分為若干個區段，積分點處的截面力通過線性差值求得，在模擬彎曲型梁柱構件時，可以達到很好的收斂效果，在混凝土構件非線性分析時能到取得理想的效果。

(2)材料模型

Concrete01本構受壓骨架曲線采用的是修正的Kent-Park模型，沒有考慮混凝土的受拉力學性能。受壓骨架曲線分為三段：上升段、下降段和平臺段。鋼筋通過Steel02本構來模擬。

(3)剪切變形

由于纖維單元無法指定抗剪剛度，因此無法考慮剪力的影響。在OpenSEES中通過截面組裝(Section Aggregator)，將定義的抗剪本構與纖維截面進行組裝以考慮剪切變形的影響。為了考慮剪切滯回性能，剪力墻的剪切本構選用Hirosawa經驗公式[8]，使用Hysteretic材料來描述。

(4)分析結果

沿著剪力墻高度分成10個單元，分析過程分為兩步，第一步添加豎向壓力，分成十個荷載步完成。第二步施加單調的水平荷載，位移增量為5mm。對未改進疊合剪力墻在0.1軸壓比下的模擬結果和試驗對比如下圖9所示。

從以上的分析可知，基于柔度法的纖維單元在0.1軸壓比下模擬疊合剪力墻在低周反復荷載作用下的強度降低，剛度退化和捏攏效應，均能夠取得較好的效果。疊合構件的極限承412kN，OpenSEES模擬結果為371.8 kN，二者相差9.7%。纖維截面模型在0.1軸壓比下模擬現澆剪力墻和疊合剪力墻的極限承載力和試驗誤差在10%以內，證明模型能夠準確的模擬疊合剪力墻的滯回特性。對改進后的疊合剪力墻進行模擬，其替代桁架鋼筋的暗柱中的豎向鋼筋直徑取6 mm，保持與W-3中桁架鋼筋中豎向鋼筋直徑一致。模擬結果如上圖10所示，改進后的疊合剪力墻極限承載力為387.4kN，未改進的疊合剪力墻為371.8 kN，二者相差4.2%。增大起連接作用的暗柱豎向鋼筋直徑到10 mm，其模擬結果如上圖16所示。對比結果顯示，增大起連接作用的暗柱鋼筋直徑到10 mm，疊合剪力墻的極限承載力為444kN，未改進的疊合剪力墻為371.8 kN，提高了19.4%。

3　高軸壓比下分析

在文章[6]中論證了邊緣構件預制的疊合墻在高軸壓比下承載力更具有優勢，因此進一步考察改進后的構件在高軸壓比下的抗震性能。《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.14條規定：一、二、三級剪力墻底層墻肢截面的軸壓比大于規定時，應在底部加強部位及相鄰上一層設置約束邊緣構件。約束邊緣構件滿足規程7.2.15條的要求，其體積配箍率ρv=λvfc/fyv，并且剪力墻約束邊緣構件陰影部分的豎向鋼筋除了應該滿足正截面受壓承載力計算外，其配筋率一、二、三級時分別不應小于1.2%、1.0%和1.0%，并分別不少于8 16、6 16、6 14的鋼筋。而試件W-3邊緣構件中豎向鋼筋的配筋率為0.39%。W-3剪力墻中豎向和水平分布鋼筋的配筋分別為0.15%、0.39%。不滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.17條規定：一、二、三級剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率不應小于0.25%的要求。未改進的W-3構件，由于桁架鋼筋改動麻煩因此配筋很難滿足要求。而改進構件采用箍筋和豎向鋼筋構成的暗柱形式的連接鋼筋，配筋易于改動。因此對改進后的W-3構件配筋情況進行改進，將約束邊緣構件中的所有豎向鋼筋改為直徑14mm，中間分布鋼筋并不改動，如下圖12所示。

改進后的試件W-3邊緣構件中豎向鋼筋的配筋率分別為1.54%，豎向和水平分布鋼筋的配筋分別為0.314%、0.5%。滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.17條規定，一、二、三級剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率不應小于0.25%的要求。使用纖維截面模型，改進后的構件在0.4和0.5高軸壓比下的滯回特性見圖13、圖14。

從上面的分析可以看出，改進后的構件在高軸壓比下的滯回環較未改進的構件飽滿。改進后的W-3構件在0.4軸壓比下的極限承載力為997.124kN，未改進的構件極限承載力為773kN，提高了29%；在0.5軸壓比下改進后的W-3構件極限承載力為1076.81kN，未改進的構件極限承載力為859.492kN，提高了25.3%。由于未改進的W-3構件中配筋沒有增加，導致了高軸壓比下和改進的構件極限承載力相差較多。

4　結論

1)用箍筋和豎向鋼筋構成的暗柱替代桁架鋼筋，不僅能夠提高疊合剪力墻的極限承載力，還能夠增強墻疊合剪力墻界面抗剪能力。

2)用箍筋和豎向鋼筋構成的暗柱替代桁架鋼筋，不僅方便施工，而且增大起連接作用的暗柱中的豎向鋼筋直徑到10mm，不同模型下的分析結果均表明疊合剪力墻的極限承載力較未改進的疊合剪力墻提高在10%以上。

3)在高軸壓比下，改進的疊合剪力墻形式更具有優勢，承載力提高幅度更大。

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(責任編輯李軍)

Mechanical performance analysis of the structural improved superimposed shear walls

ZHANG Wenying,YU Shaole

(College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

The superimposed shear wall is a new assembly-type RC structure, it has been found more and more applications in building construction because of its adaptation to building industrialization. There are two common forms of superimposed shear wall: the superimposed shear wall with prefabricated boundary element and with cast-in-situ boundary element. The superimposed shear wall with prefabricated boundary element is more convenient to the construction than superimposed shear wall with cast-in-situ boundary element. The superimposed shear wall with prefabricated boundary element is of much more practical value in actual production. The structural improvement of superimposed shear wall is proposed. A simulation with OPENSEES finite element software was given to analyze the behavior of improved superimposed shear wall. The analysis shows that the improved superimposed shear wall not only has higher ultimate bearing capacity than unimproved superimposed shear wall, but also increases shear capacity of the interface of new-to-old concrete.

building industrialization; superimposed shear wall; structural improvement; OpenSEES

2016-04-07

上海市科委重大課題(14DZ1202100)

張文瑩(1987-)，女，陜西西安人，博士研究生，研究方向薄壁鋼結構、裝配式結構。

1673-9469(2016)03-0067-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.014

TU375;TU312

A