嵌入式剪力墻抗震性能有限元分析

姜長吉，林晨隆，孟 欣，宮霄倩，譚俊溪，魏文暉,2

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070；2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

目前，我國裝配式建筑的發(fā)展剛剛起步，主要集中在民用住宅等領域，在技術和經濟實用價值上還不能與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式混凝土結構相媲美[1]。但是隨著國家相應政策的出臺，以及建筑產業(yè)化的需要，全國各地政府接連出臺政策鼓勵裝配式建筑的發(fā)展，給予裝配式更多的發(fā)展機會。

嵌入式剪力墻，作為“裝配式混凝土結構”的一種構件形式，由預制混凝土構件(預制墻板、疊合梁、疊合板)組成并裝配成為主要承受風荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的構件，其目的是為了減輕結構剪切破壞[2]。傳統(tǒng)剪力墻普遍采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，與周邊梁、柱同時澆筑，整體性好、剛度好，抗震性能良好，是現(xiàn)代建筑產業(yè)所采取的主要建造形式。但是，現(xiàn)澆式混凝土結構存在著鋼材和水泥用量較大，工序較多，所需人力大，施工受季節(jié)環(huán)境因素影響大，對環(huán)境也會造成影響等缺陷。而裝配式結構具有施工周期短，生產效率高，節(jié)能環(huán)保，節(jié)省建造材料，減少施工現(xiàn)場建筑垃圾等特點，總之資源消耗低且環(huán)境影響弱，符合我國當今“建筑工業(yè)化、住宅產業(yè)化”的要求。但是，裝配式結構整體性不如現(xiàn)澆式，構件的裝配組裝是至關重要的一點，需要確保建筑結構達到施工設計的精度要求以及后期性能要求[3]。而嵌入式的裝配方式，其結構預留孔洞凹槽，相應結構通過該孔洞凹槽組裝連接，是一種新的構件形式，目前對于這種新型墻體的研究還相對較少。

有限元分析是將結構力學分析與計算機技術相結合的一種現(xiàn)代計算方法。對于計算機模擬實驗在土木工程方面的應用，相對于具體實際實驗中，對某些大型或因經濟人力等因素不易重復的實驗，其可以利用計算機以定量描述實驗變化規(guī)律的數(shù)學模型為基礎，重復實驗，既經濟同時又能提高實驗可信度。雖然計算機模擬實驗還存在一些局限性，如精確度受數(shù)學模型影響、缺乏實際實驗中的一些偶然因素等，但對工程還是有較大的意義和參考性。ANSYS是工程模擬最常用的有限元分析軟件之一，廣泛地運用于土木工程、機械制造、航空航天、汽車交通等領域。該研究旨在利用通用分析軟件ANSYS進行計算及模擬實驗，根據新型裝配式相關合理設計數(shù)據，建立有限元分析模型，并模擬地震載荷作用，對新型嵌入式剪力墻的抗震相關性能進行研究。

1 材料本構模型

建立嵌入式剪力墻有限元模型的準備工作就是為鋼筋和混凝土兩種材料選取合適的本構模型，其中模型的選取要盡可能地接近鋼筋和混凝土材料的受力性能。

1.1 混凝土本構模型

在利用ANSYS軟件進行有限元模擬的過程中，混凝土受壓破壞準則模型見圖1，采用規(guī)范表達式即：

當εc≤ε0時，

當ε0≤ε≤εcu時，

式中，σc為混凝土壓應變εc時的混凝土壓應力；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；ε0為混凝土壓應力達到fc時的混凝土壓應變；εcu為正截面的混凝土極限壓應變；fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值;n為系數(shù)。

混凝土受壓應力-應變曲線可以采用一系列數(shù)據點擬合，便于輸入混凝土應力應變曲線，此處采用ANSYS軟件材料模型庫中的MKIN雙線性隨動強化準則模擬；混凝土受拉破壞準則采用W-W破壞準則。W-W準則是ANSYS軟件材料模型庫中用于檢查混凝土開裂和壓碎的，而混凝土的塑性可以在開裂和壓碎之前考慮。

1.2 鋼筋本構模型

鋼筋本構模型采用彈性強化二折線模型(見圖2)，在ANSYS軟件中采用BISO雙線性等向強化準則模擬。

2 嵌入式剪力墻的有限元模擬

2.1 有限元模型

為研究嵌入式剪力墻抗震性能，實驗模型模擬某廠房雙柱一榀式嵌入式剪力墻，整體對稱，左右兩柱400 mm×250 mm×2 400 mm，頂梁350 mm×100 mm×1 500 mm，預制板為厚度50 mm、長1 600 mm且四邊為光滑圓角的板。頂梁柱側預設凹槽深度50 mm以便預制板嵌入裝配(見圖3)。其配筋按構造配筋，材料特性按表1選用。

進行有限元分析時，采用三維實體模型。在前處理階段，利用ANSYS對新型嵌入式裝配剪力墻進行建模，大致可以分為以下幾步：定義單元屬性、創(chuàng)建幾何模型、網格劃分控制、邊界接觸面條件定義等；后處理階段包括分析類型定義、荷載定義并加載、計算分析迭代求解、通用后處理等。

2.1.1 單元類型

在ANSYS中，Solid65稱為3D加筋混凝土實體單元，用于模擬無筋或加筋的3D實體結構，具有受拉開裂的性能，符合此次模擬的新型裝配式剪力墻主要特性，并且其實常數(shù)可以模擬鋼筋混凝土結構的配筋率，故選擇該單元類型建模。

該模型采用CONTA173單元(3D 4節(jié)點面面接觸單元)，用于描述3D目標面(TARGE170單元)和該單元所定義的變形面之間的接觸和滑移狀態(tài)，能夠較好地模擬預制板與柱之間的接觸摩擦狀態(tài)。

2.1.2 邊界條件

選取模型的底座底面節(jié)點在空間中定義為三個自由度Ux、Uy、Uz都約束，保證后續(xù)加載荷載過程中底座在各個方向都不發(fā)生位移。

先在左柱和右柱頂面以節(jié)點方式均勻施加382 kN的軸向荷載(軸壓比0.1)，再在整體模型左上角(左柱上部)施加水平位移荷載[4]。

表1 材料特性

2.2 有限元分析結果

2.2.1 荷載-位移曲線分析

對該一榀三塊預制板摩擦系數(shù)為1.0、軸壓比為0.1的嵌入式剪力墻進行非線性有限元分析計算得荷載-位移曲線如圖4所示，曲線較平滑，分別出現(xiàn)彈性階段、塑性階段、破壞階段等幾個階段。

對上述結構荷載位移曲線分析可知，在荷載達37.5 kN以前，荷載與位移關系接近線性，可視為彈性階段。當荷載加至37.5 kN時，右柱底部應力達到開裂值，最大應力呈水平分布，表明右柱底部出現(xiàn)裂縫。

由于模擬存在鋼筋、混凝土兩種材料，彈性階段后結構剛度變小，荷載增量相同的情況下，定點的位移增量增加，圖上呈現(xiàn)為曲線斜率有一定程度減小，可視為結構進入彈塑性階段(荷載變化約在37.5 kN至112.5 kN)；這時荷載位移曲線出現(xiàn)了平緩的趨勢，在荷載增量較小情況下，定點位移增量較大，視為結構進入塑性階段。

結構在經歷過以上兩個階段后，結構到破壞嚴重，裂縫間距過大，失去耗能能力，結構達到破壞階段。

2.2.2 板塊受力分析

對于2.2.1中一榀三塊預制板的實驗結果進行分析，采用ANSYS軟件中的通用后處理功能繪制板塊的變形圖以及應力云圖(見圖5)，圖中顯示的Mises應力是一種折算應力，根據第四強度理論折算。

由圖5中的結構變形分析得到，當結構受到水平地震推力時，嵌入式剪力墻的三塊預制板由下到上依次沿水平推力方向錯動，并且板塊的水平錯動位移由下到上也依次增加。

由圖5中的應力云圖分析得到，三個板塊都有共同的受力特點，即板塊的左上角和右下角都是板塊的主要受力部位，而且應力沿兩個對角成帶狀貫通。

2.2.3 框架受力分析

對于2.2.1中一榀三塊預制板的實驗結果進行分析，采用ANSYS軟件中的通用后處理功能繪制結構框架的變形圖以及應力云圖(見圖6、圖7)。

由圖6、圖7框架應力分布圖分析得到：

彈性階段，首先最先出現(xiàn)裂縫的區(qū)域為右柱底部，柱頂出現(xiàn)水平位移，板無明顯變形，結構中應力主要集中在柱與頂梁、底梁的連接部位，結構靠邊柱抵抗水平推力影響。

在彈塑性階段，右柱底部裂縫繼續(xù)發(fā)展，左柱內側中部區(qū)域應力值也達到開裂值，開始出現(xiàn)裂縫，故容易使板塊與框架發(fā)生相對錯動。

塑性階段，右柱應力分布相對左柱不均勻，在右柱底部出現(xiàn)明顯應力集中，相對薄弱。柱與頂梁、底梁的連接部位出現(xiàn)較大的應力。結構的承載能力接近極限。

3 抗震性能影響因素模擬分析

3.1 板塊數(shù)

此次實驗模擬采用三塊預制墻板，考慮到墻板尺寸對實際工程裝配施工時的影響，故探討板塊數(shù)量對嵌入式剪力墻結構的影響，此次研究還分別模擬了在軸壓比為0.1、摩擦系數(shù)為0.8的條件下二、三、四塊不同尺寸預制墻板的情況下結構的受力特征。圖8顯示了不同板塊數(shù)量情況下荷載-位移曲線，并從中得到不同板塊數(shù)下結構的承載能力(見表2)。

表2 不同板塊數(shù)下的極限荷載

一塊板與三塊板的荷載-位移曲線接近，極限荷載接近，結構受力性能相似，四塊板由于結構較分散，整體性差，承受荷載能力明顯低于其他組數(shù)據。兩塊板在相同位移下所能承受的荷載均為最大，且極限荷載也為最大。所以對于該結構，兩塊板性能最為優(yōu)越。同時繪出結構的極限荷載與板塊數(shù)量曲線，可以看出結構的極限荷載與板塊數(shù)量并非線性關系，所以在實際工程中，最佳的板塊數(shù)量的選擇需要根據實際情況而定。

3.2 摩擦系數(shù)

裝配式結構結合部位的應力傳遞發(fā)生在混凝土與混凝土表面，其傳遞途徑為摩擦和承壓，結構在承受荷載后柱凹槽與墻板之間接觸更加緊密，兩者間的壓力增大，相應的界面間的摩擦力也隨之增加，剪力傳遞更加充分，因而結構部件表面摩擦系數(shù)是結構的整體受力性能主要影響因素之一。

文中混凝土材料的摩擦系數(shù)根據工程經驗，設定為0.4，為研究構件表面平整度造成摩擦系數(shù)不同從而對結構整體性能的影響，此次研究還分別模擬了在軸壓比為0.1、板塊數(shù)量為三塊的條件下的摩擦系數(shù)為0.6、0.8、1.0三種情況進行計算分析，荷載加載方式與上文相同。所得荷載位移曲線如圖9所示。

隨著摩擦系數(shù)的增加，結構的極限荷載與極限位移均有所提升，且呈一定線性關系(如表3)，增加至0.8與1.0，兩者的受力性能接近，所以在實際工程中，建議適當處理墻板邊緣與柱體凹槽表面以增加表面粗糙程度，增大界面之間的摩擦系數(shù)，從而改善嵌入式剪力墻的抗震受力性能。

表3 不同摩擦系數(shù)下的極限荷載

4 結 論

以墻板與柱之間的墻板數(shù)量及摩擦系數(shù)為主要變量，對嵌入式剪力墻結構在不同條件下的抗震性能展開研究討論。通過ANSYS軟件有限元模擬分析得出如下結論及建議：

a.研究表明，結構在模擬承受水平推力后，柱與橫梁、底梁的連接處出現(xiàn)應力集中，特別是與底梁連接處的混凝土受壓區(qū)更加突出，這些部位為框架中較為薄弱的部位并較早出現(xiàn)裂縫；對于嵌入的預制板塊，最外側板塊較中間板塊所承受荷載更大。板塊的左上角、右下角出現(xiàn)應力集中，為板塊薄弱部位。在實際運用相關結構時應注意結構構件連接處采取加強措施，例如局部采用高強度混凝土、增加局部配筋率等。

b.該新型嵌入式剪力墻在受荷過程中主要分為彈性、塑性和破壞階段。板塊數(shù)量對該結構模擬在地震荷載下結構的最大承載力影響顯著。針對該結構模型，兩塊板在相同位移下所能承受的荷載均為最大，性能最為優(yōu)越。因此嵌入式剪力墻應特別注意板塊數(shù)量的設置，利用有限元分析或進行相關實驗得到最合適的板塊數(shù)，從而提高嵌入式剪力墻的承載能力。

c.該新型嵌入式剪力墻墻板與柱之間的摩擦系數(shù)亦影響結構承載能力。根據有限元分析結果，結構剛度隨著墻板與柱之間的摩擦系數(shù)增大，并且承載力也同樣增大，但達到一定值后趨于穩(wěn)定。當摩擦系數(shù)達到0.8時，結構所能承受的極限荷載達到峰值，結構構件能夠更多地消耗地震波傳來的能量，抗震性能達到最優(yōu)。為提高結構抗震性能，在剪力墻構件制作過程中，可以通過一定措施改變構件接觸表面粗糙程度或將構件接觸界面設置齒槽[5]，調整墻板與柱之間的接觸關系。

[1] 張 淵. 預制裝配式建筑結構體系改革設計與發(fā)展[J].北方建筑，2018(1):25-27.

[2] 閔 東. 嵌入式裝配墻體結構抗震性能研究[D].武漢:武漢理工大學,2016.

[3] 范 力，呂西林，趙 斌. 預制混凝土框架結構抗震性能研究綜述[J].結構工程師. 2007(4): 90-97.

[4] 姜新佩，劉啟超，付素娟，等. 新型預制裝配式混凝土剪力墻水平縫受力性能的數(shù)值分析[J].水電能源科學，2016,34(11): 124-128.

[5] 韓 鵬. 裝配式剪力墻齒槽式連接關鍵技術試驗研究[D].天津:天津大學,2014.