裝配式鋼板剪力墻結構抗震性能研究

王軼多WANG Yi-duo；王豐慧WANG Feng-hui

（①浙江省建工集團有限責任公司，杭州 310000；②浙江省一建建設集團有限公司，杭州 310000）

0 引言

裝配式鋼板剪力墻本身有著施工效率高、方便運輸以及自重較輕等特點，可以更好地同當前多樣化、高層化的建筑發展趨勢相適應。我國部分地區地震頻發并有著較高的地震烈度，為了進一步保障建筑的穩定性，應當確保結構整體具有良好的抗震性能，而裝配式鋼板剪力墻結構可以有效滿足這一要求。

1 裝配式鋼板剪力墻基本原理及研究現狀

1.1 基本原理

裝配式鋼板剪力墻本身是一個結構的抗側力構件，其能夠有效承擔起相應的水平荷載，在同豎向和水平單元相結合的基礎上構建起整體的結構體系。其主要是通過對于連接構件和螺栓的應用實現連接，而在連接單元的約束下便能夠起到承擔結構水平荷載的效用。裝配式鋼板剪力墻將會在受到地震力作用時實現由水平地震荷載向鋼板拉力、壓力以及剪力的有效轉化，受到荷載作用的影響，剪力墻便會產生屈服，進而起到消耗水平地震荷載的作用，構建起相應的抗震防線，實現對于主體結構體系的有效保護[1]。

1.2 研究現狀

以往的鋼板剪力墻通常會選用整塊鋼板以構建起相應的剪力墻，進而形成具有抗側移能力的支撐結構，并沒有意識到鋼板的屈曲作用，嚴重制約了鋼板剪力墻實際性能的充分發揮。在后續發展過程中，相關研究人員明確了鋼板屈曲后性能的重要性，并將其應用在了航空航天領域。自此，人們開始廣泛了解拉力帶承載機制以及屈曲后性能相關內容，與此同時，業內針對鋼板剪力墻所展開的探索也逐漸將重點轉移到了薄鋼板剪力墻上。在薄鋼板剪力墻完成屈曲之后，將會在邊界連接單元方面產生相對較大的附加荷載，這一現象的出現會導致邊界連接單元遭受到一定程度的破壞，應當在原有的基礎上對其構件截面尺寸進行增加，這樣便可以為剪力墻提供必要的約束力，但其在應用過程中會在極大程度上造成結構整體成本的增加。與此同時，鋼板的屈曲將會導致剪力墻在滯回曲線中出現捏縮的現象，進而造成其耗能降低。未來，應當針對現有的裝配式鋼板剪力墻展開深層次的創新和改進工作，以便于有效化解剪力墻在應用過程中所存在的問題，進而助力建筑領域的高質量發展。

2 裝配式鋼板剪力墻結構抗震性能試驗分析

2.1 工程概況

某地區裝配式工程屬于住宅項目，采用的是純剪力墻結構形式，地上的主體結構共有17層，總高度是51m，層高是3m，建筑結構安全等級是二級，設計使用的年限具體是50年。在結構抗震設防方面，其屬于丙類，該工程場地的抗震設防烈度為8度。剪力墻住宅項目效果圖和實物圖如圖1、圖2所示。

圖1 剪力墻住宅項目效果圖

圖2 剪力墻住宅項目實物圖

2.2 試驗過程

2.2.1 建立模型

此次研究主要是基于YJK軟件所提供的結構，將其導入到有限元當中，在此基礎上展開彈塑性分析，導入包括多方面內容，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

通過反復的測試和分析發現，荷載直接影響著質量元的選擇。如僅僅是將樓屋面荷載導到周圍量墻上，便會導致模型剪力忽略樓板的作用，進而影響樓板的剛性，應用該計算方法所得出的周期位移結果欠缺準確性，所以在導入SAP2000的過程中，應把控模型建立的全面性，以免出現計算剛度出現較小的問題。

在單元間的連接方面，預制結構墻板處有一定的混凝土，接觸面之間所具有的粘結強度將會嚴重影響裝配式節點自身的受力情況，所以可以通過COMBIN39彈簧單元的應用模擬混凝土之間粘結力。為能夠進一步提升試驗的準確性，試驗人員要在墻頂部和底部分別施加約束，同時還在板的右側搭建起一個剛性區域，其大小基本上和質點相符，這便能夠盡可能避免混凝土在加載過程中出現被壓縮的現象。試驗人員先將豎向荷載施加在墻頂部的位置，其軸壓比是0.15，在此過程中還要在板的右側施加荷載，使用位移控制加載[2]。

2.2.2 選擇地震波

為了保障試驗的準確性，工作人員需要從剪力周期等方面著手選擇地震波，具體指的是，當結構處在彈性時程分析的情況下，在計算每一條時程曲線過程中，相對于振型分解反應普來說，最終獲得的結構底部剪力，計算結果應要大于65%，根本目的在于合理控制單挑地震波，保障其選擇的科學性以及有效性。從本質上來看，地震記錄本身存在著較強的地域性特征，所以若想符合本地區的實際情況，應當嚴格根據相應的規則采取科學合理的措施。在選擇地震加速度過程中應當綜合考慮多方面情況，在頻譜特性方面，研究人員需參照規范針對單挑地震波的傅里葉普展開對比分析，以保障其能夠在統計層面達到一致的狀態，通常情況下，研究人員應考慮當地的場地條件以及地震情況對地震波的選擇進行確定，盡可能保障其能夠最大限度接近于本地區的特征周期。研究人員要詳細探究具體的抗震設計規范，并在此基礎上明確有效加速度峰值，針對不同的地區而言，所記錄的地質在時程信息峰值方面存在著一定的差異性，為了有效符合地區特征，應當結合各地區的差異性針對性地調整相應的峰值。

2.2.3 結構地震響應

內嵌鋼板和開洞等操作的實施均會影響構件的結構剛度，與此同時還會使結構自振出現變動。內嵌鋼板所能夠起到的作用基本上同上述要求相一致，如圖4所示，其整體呈現出彎曲型的位移形態，相對于其他結構來說能夠呈現出較為突出的彎剪型性質。不同結構前三節周期和質量參與系數如表1所示。

圖4 結構1階陣型

表1 不同結構前三節周期和質量參與系數

根據表1可知，結合不同結構所具有的自振特性來看，開洞會延長結構本身的自振周期，并且能夠提升結構前三階質量參數與系數，在完成開洞內嵌鋼板工作之后，結構整體的質量參與系數能夠可以上升至90%，可以滿足相關要求[3]。

從能量的角度進行分析，裝配式鋼板剪力墻結構在地震作用下所產生的反應，需要經歷一個能量從傳入到耗散的過程。針對普通結構而言，地震能量將會由地基基礎向結構內部傳入，并在構件相互作用下的陣型實現阻尼耗能。工作人員科學開展對于耗能構件的設置工作可以促進結構本身滯回能量的進一步提升，以達到提高結構安全性的效果。在普通的剪力墻結構當中，主要是利用結構本身的彈性耗能和動能實現能量耗散，可以基本上同地震所輸入的能量相平衡。而在塑性階段便會降低結構動能所在總體中占據的比例，主要是利用結構的阻尼耗能達到平衡能量的效果。對于結構整體的振動來說，其能夠實現對于滯回能量以及阻尼耗能的有效累積，而變形勢能以及結構動能則可以展現出一定的周期特性。當處在特定結構狀態時，結構自振周期以及總質量直接受到輸入結構能量的影響，當地震記錄不同的情況下，盡管從時間積累方面來看，其特定結構的能量輸入存在差異，但其在最終的峰值上則相對接近。剪力墻結構的耗能部件是整體結構的能量平衡中至關重要的影響因素之一，若是能夠提升耗能部件本身的耗能能力，便可以降低其上部結構的非彈性變耗能，進而減少地震對于構件所造成的損害[4]。低屈服點鋼材的應用能夠有效降低剪力墻的屈服荷載，進而導致其出現屈服破壞，以降低其出現失穩破壞的可能性，公式如下：

該公式中Fer代表的是剪力墻剪切屈服荷載，E則為鋼材的彈性模量，G和t分別是剪切模量以及鋼板剪力墻厚度，η和μ則分別為塑性折減系數以及泊松比，kv指的是剪力墻屈曲系數，a和b代表了剪力墻邊界約束構件的實際長度。

2.2.4 模型驗證

鋼筋混凝土滯回耗能性能的模擬依然存在著諸多的不利因素，業內在這一方面的研究也有極大的整體，結合實際情況來看，鋼筋混凝土結構數值模擬程序具體包括開源有限元軟件和商業有限元軟件兩部分。針對大型通用有限元軟件而言，其大多會針對核心計算部分展開更加優質的封裝工作，以期為更多用戶選擇操作提供方便條件，絕大多數情況下則會使用鼠標點選的方式建立模型，而針對那些會對結構構件力學行為造成影響的材料屬性而言，通常只能夠對軟件自身所提供的本構關系進行選擇，所以這些通用有限元軟件大多難以高效應用在特殊問題上，若想提升其應用成效，研究人員應當對其展開二次開發工作。而類似OpenSees等軟件則是一種開源軟件，用戶能夠從自身的實際需求出發展開編程開發工作，通過對于各種編程語言的應用對其具體內容進行豐富，所以其未來有著一定的發展前景。

本研究通過OpenSees軟件的應用展開對于剪力墻構件的非線性擬靜力往復分析工作，在構件滯回曲線分析的基礎上明確時間具體的剛度以及承載力等指標，對于OpenSees軟件來說，其已經存在本構模型，并且精確度較好，但在實體單元模擬方面依然存在一定局限性，本文主要是針對固有的實驗結果展開數值分析，以實現模型驗證。

試件的截面和厚度分別是1300mm和160mm，將剛性加載梁有效設置在墻頂之上，并于墻底的位置進行地梁設置，進而對其與剪力墻進行澆筑，使其構建起一個整體。

墻體試件混凝土材料的強度是C40，通過實際檢測確定材料強度是40.2MPa，鋼筋材料強度實測數值如表2所示。

表2 鋼筋材料強度實測數值

在鋼筋材料本構的選取方面，主要包括兩種模型，Steel02模型可以對各向同性應變影響進行綜合考慮，能夠更加全面地展現出包辛格效應。

而在混凝土材料本構方面，混凝土材料自身在拉壓異性以及非線性特性方面比較突出，與此同時，結構力學行為分析最終的精確性將會在極大程度上受到來自混凝土材料本構關系的影響。至今為止，國內外已經有諸多研究人員在該方面進行了分析，在通過多樣化試驗構建起了不同類型的材料本構模型，包括當前常用的Kent-Park模型等，又在此基礎上開發了Concrete01與Concrete02本構模型。

通過在試件上施加往復荷載可以獲取相應的滯回曲線，同時將其同實驗結果之間展開對比分析，結合實際情況來看，二者之間基本上吻合，可以充分展現出剪力墻結構剪切捏縮效應。試驗結果對比如表3所示。

表3 試驗結果對比

結合表3能夠明確，構件在峰值荷載以及屈服荷載方面的精度誤差均能夠維持在10%范圍之內，與此同時，結構位移模擬誤差同樣可以與其分析要求相適應。因為數值模擬難以充分考慮試件本身的耗能能力，所以在等效粘滯阻尼系數方面，相對于試驗值來說，有限元結果比較低。

2.2.5 加載方案

通過歸納和總結現有研究能夠得出鋼板剪力墻的形態指標和對應位移角，然后便可以在此基礎上制定加載方案，本試驗所選用的加載方案是依照《建筑抗震試驗規程》（JGJ/T101-2015）所制定的。具體可以將加載過程劃分成兩個部分，其一便是施加低荷載，當其層間位移角到達1/130位置時，便可以模擬地震出現對于試件所造成的傷害。其二則是持續施加荷載，直到試件被破壞[5]。為了能夠明確了解地震發生后受到損傷的結構所具有的抗震性能，將會分別設置受損試件以及修復試件。

3 結語

綜上所述，合理使用裝配式鋼板剪力墻結構能夠推動我國未來建筑領域的持續平穩發展，在建筑中使用該結構可以充分同當前綠色建筑發展理念相適應，是我國建筑未來轉型發展的趨勢。裝配式鋼板剪力墻結構本身在抗震性能方面有著較強的優勢，所以在高烈度區域的建筑或者是高層建筑若想提高抗震性能應當強化對于裝配式鋼板剪力墻結構的應用，以最大限度減少地震災害對于建筑的負面影響。