基于OpenSees的預制剪力墻抗震性能數值分析

潘浩

摘要：為深入研究預制剪力墻的抗震性能，在已有該類試驗基礎上，采用OpenSees纖維模型法進行數值模擬.結果表明纖維模型法能夠較好吻合預制剪力墻試驗的受力性能，進而研究試件在不同軸壓比下的抗震性能.

關鍵詞：預制剪力墻;纖維模型;OpenSees;抗震性能

中圖分類號：TU378.8? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0103-03

裝配式建筑是建筑行業主要的發展方向，符合資源節約化發展的要求，在工程項目中應用日益廣泛.其中預制剪力墻是裝配式建筑主要受力構件，不僅具有工廠化生產、現場拼裝方便和節約大量勞動力等優點，同時它還具有與現澆剪力墻相似的整體性，是一種新型的綠色環保結構體系，可以促進住宅產業化進程.

預制剪力墻自從引入國內以來引起我國學者廣泛關注.其中王敦等[1]研究了含有接縫連接梁的預制混凝土剪力墻的抗震性能，結果表明預制混凝土剪力墻的破壞模式和承載力與現澆剪力墻基本相同;錢佳茹等[2]研究了不同的豎向鋼筋連接方式預制混凝土剪力墻試驗，試驗結果表明預制剪力墻其各方面抗震性能指標均能夠滿足結構抗震要求;姜洪斌等[3]研究了預制剪力墻在反復荷載作用下的抗震性能，結果表明預制剪力墻的變形能力和耗能性能得到了提高.連星等[4-7]主要研究了低軸壓比下疊合式剪力墻的抗震性能，結果表明在低軸壓比下，疊合式的剪力墻的破壞模式、受力和變形過程與現澆剪力墻相似.大量試驗結果表明，預制剪力墻具有良好的自復位能力，其承載力與普通現澆剪力墻相當，但在高軸壓比下預制剪力墻的研究較少.在相同的工況下，選擇參考文獻[2]中的TW1試件進行數值模擬，并與實驗結果進行比較，驗證了其準確性.然后對不同軸壓比下預制剪力墻的抗震性能進行了數值模擬研究.

使用有限元方法模擬剪力墻是最常用和最有效的方法之一.本文采用OpenSees軟件中的纖維模型方法，對預制剪力墻在低周反復荷載作用下的力學性能進行了模擬，為預制剪力墻結構的研究提供了參考價值.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件由三部分組成分別是上部的加載梁、預制墻體和底部的地梁.其中墻體尺寸如下：墻高2800mm，墻長1300mm，厚度200mm.墻體采用全預制澆筑，經實測取平均值其混凝土立方體抗壓強度達40.8Mpa，鋼筋采用HRB400，具體鋼筋實測值如表1所示.其中試件詳細尺寸和鋼筋配筋圖如圖1所示.

1.2 試件加載及破壞形式

豎向垂直載荷由液壓千斤頂施加，并在試驗過程中保持不變.當垂直荷載為500kN時，軸壓比為0.12.在水平方向上，由水平助動器施加往復力，逐漸加載直至試件破壞.通過施加水平往復力，隨著水平荷載的逐漸增大水平裂縫由墻體下部逐漸向上部開展，并且墻板左右側水平裂縫開展較為對稱，最終破壞為壓彎破壞，取得良好的試驗效果.

2 數值分析模型

2.1 纖維模型法

在Opensees中，纖維模型將鋼筋混凝土剪力墻中的鋼筋和混凝土分別分成不同的離散纖維束單元.通過選擇合適的鋼筋和混凝土本構關系，反映了纖維束的力學性能.纖維模型法可以很好地模擬不同截面形狀構件的力學性能，因為同時考慮了軸向力和彎矩的相互作用，具有較高的精度[8].

2.2 混凝土和鋼筋本構模型

基于OpenSees軟件中有豐富的材料本構參數和對試驗的高寬比進行分析后結合實際情況選擇了其中的Concrete04混凝土本構模型和Steel02鋼筋本構模型.Concrete04模型是Mander[9]提出的模型骨架曲線表達式，其中受壓部分的骨架曲線采用的取初始切線剛度EC=5000■（fco單位為MPa），而受拉的骨架線由兩段構成，拉應力首先按照斜率為Ec的直線方式增加到峰值拉應力后，再按指數曲線方式進行下降[10]，Concrete04模型應力-應變關系曲線如圖2所示.鋼筋采用Steel02模型，模型由Menegotto-Pinto修正后的模型，因采用了應變的顯函數表達形式而顯著提高了計算效率.同時很好地吻合了鋼筋反復加載試驗結果，也考慮了包興格效應，該模型如圖3所示.

3 試驗結果與模擬對比分析

3.1 滯回性能對比

滯回曲線是試件在循環往復力作用下的載荷-位移特性曲線，反映了試件在循環往復力過程中的變形特性、能耗和剛度退化.通過數值模擬和試驗對比分析得出兩者滯回曲線基本一致.試件加載初期基本成線性變化趨勢，隨著水平往復力逐漸增大試件水平位移也逐漸提高，殘余變形量較小.當水平力達到150KN時試件開始產生裂縫，隨水平荷載逐漸增大至300KN時試件最外側豎向鋼筋開始屈服，殘余變形量較大.通過對曲線形狀的比較，發現兩個滯回曲線具有一定的捏縮效應，且形狀較為飽滿.兩個滯回曲線趨勢一致，說明纖維模型法可以通過選擇合適的鋼筋和混凝土本構參數，模擬預制剪力墻在低周往復荷載作用下的抗震性能.

3.2 不同軸壓比的骨架曲線和剛度退化性能對比

基于以上對比分析說明纖維模型法能夠準確反映預制剪力墻的抗震性能，但試驗過程中只進行了低周壓比下的抗震性能分析對于不同軸壓比的對比分析沒有研究.因此通過高效準確的數值模擬方式能夠快速得出在其他工況下剪力墻的抗震性能，不僅能夠大大減少大量人力物力資源也節省了大量的時間成本.

軸壓比是影響剪力墻抗震性能的主要因素之一，圖6通過改變軸壓比大小由試件試驗中的0.12增大至0.60，試件的承載能力也逐漸提高，由337.4KN增大至593.2KN，最大承載力提高了1.76倍，但骨架曲線的初始彈性階段變化基本一致，軸壓比變化對其影響較小.隨著軸壓比的逐漸增大，在相同水平位移下試件承載力均不斷提升.因此，提高軸壓比可以提高試件的承載力，但《建筑抗震設計規范》規定一級抗震墻的軸壓比不得超過0.4，二級和三級抗震墻不得超過0.6.

通過數值模擬得出試件在不同軸壓比下的滯回曲線和骨架曲線分析得出試件剛度退化曲線變化規律如圖7所示.不同軸壓比下的預制剪力墻剛度退化趨勢基本一致，隨著軸壓比的逐漸增大，在相同水平位移下試件剛度系數均不斷增大.試件加載前期剛度退化較快，當水平位移達到35mm時剛度退化速度基本趨于穩定，表明試件具有良好的耗能能力.

4 結論

通過對預制剪力墻抗震性能的數值模擬，建立了纖維單元模型，分別賦予鋼筋和混凝土的不同本構參數.通過與現有試驗的對比，驗證了模型的正確性，并對預制剪力墻在不同軸壓比作用下的抗震性能進行了研究，結果表明：

（1）通過OpenSees程序，選擇了混凝土Mander模型和鋼筋Steel02模型的材料本構關系，其中模擬值與試驗值滯回曲線吻合較好，說明所選擇的本構參數模型能較好地模擬出預制剪力墻的抗震性能.

（2）軸壓比對試件承載力和水平位移有顯著影響.隨著軸壓比的增大，試件的承載力逐漸增大，但當軸壓比增大到0.36時承載能力提升幅度有所降低.

（3）不同的軸壓力比對試件剛度退化的影響更為明顯.隨著水平位移的增大，剛度退化趨勢更明顯.當水平位移超過35mm時，試樣的剛度退化率降低，并趨于穩定，說明預制構件具有較好的變形能力.

——————————

參考文獻：

〔1〕王敦，呂西林，盧文勝.帶接縫連接梁的預制混凝土剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013，34（10）：1-11.

〔2〕錢稼茹，楊新科，秦珩，等.豎向鋼筋采用不同連接方法的預制鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗[J].建筑結構學報，2011，32（6）：51-59.

〔3〕姜洪斌，陳再現，張家齊，等.預制鋼筋混凝土剪力墻結構擬靜力試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32（6）：34-40.

〔4〕連星.疊合板式剪力墻的抗震性能實驗分析及理論研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

〔5〕沈小璞，馬巍，陳信堂，等.疊合混凝土墻板豎向拼縫連接抗震性能試驗研究[J].合肥工業大學學報，2010，33（9）：1366-1371.

〔6〕李寧.半裝配疊合板式剪力墻工字形試件試驗研究及數值模擬[D].合肥工業大學，2012.4.

〔7〕周博文.嵌入式基礎疊合板剪力墻平面外受彎性能試驗研究與數值模擬分析[D].合肥工業大學，2013.4.

〔8〕梁興文，葉艷霞.混凝土結構非線性分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

〔9〕Mander J.B， Priestley J.N and Park R.Theoretical stress-strain model for confined concrete[J]. Journal of Structural Division. ASCE， 1988， 8.

〔10〕陳偉.基于OpenSees平臺開發的混凝土滯回本構模型在結構分析中的應用[D].重慶大學，2012.5.