綠色纖維混凝土帶翼緣開洞剪力墻抗震性能研究分析

雷曉艷（甘肅三仁工程設計咨詢有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

綠色纖維混凝土可以在各種結構中發揮重要作用，因此，需要在纖維混凝土剪力墻研究的基礎上，對綠色纖維混凝土帶翼緣開洞剪力墻抗震性能展開進一步分析。本文利用ABAQUS 有限元軟件展開試驗，分別探究了帶翼緣開洞剪力墻的延性、耗能、承載力進行了分析，希望可以對纖維剪力墻發展提供有力幫助。

1 搭建計算模型

1.1 明確模型尺寸

本文以回收鋼纖維的纖維摻量為基礎，利用ABAQUS 軟件展開模擬分析，共設置4 面剪力墻，且所有剪力墻梁截面都設置為矩形截面。設置尺寸時，高度為1850mm、厚度200mm、寬度為900mm，洞口以正方形為主，邊長設置為300mm。設置剪力墻構件時，分別設計出底梁和頂梁兩個部分，其中底梁可以展開剛性基礎模擬，試驗需要將剪力墻墻體固定在實驗室的臺座上，尺寸設計為1850mm×450mm×600mm。混凝土強度以C30 為主，保護層的厚度設置為25mm[1]。頂梁則可以對樓板對墻體造成的約束進行模擬，同時提供加荷點，作為加載梁。尺寸在1000mm×300mm×450mm。4 面剪力墻中的試件分別設置為W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1，具體試件的參數尺寸見表1。

表1 試件尺寸及參數

其中，試件編號WXB-1和WXB-1.5中分別使用了不同纖維摻量的回收鋼纖維，其中WXB-1的纖維摻量為1%，WXB-1.5 為1.5%。回收鋼纖維可以代替補強筋，對開洞位置進行補強。而試件編號WXY-1則在翼緣位置添加了纖維摻量為1%的回收鋼纖維，以此達到保留洞口補強筋的目的。

在模擬時，主要使用ABAQUS 有限元模擬軟件展開操作，構建出符合實際情況的回收鋼纖維混凝土剪力墻模型，對變量參數展開分析，明確變量參數是否具備可行性[2]。

1.2 設置模型參數

對模型參數進行設置時，需要分別對鋼筋和混凝土進行定義。其中，對鋼筋定義時需要采用線性三維桁架單元T3D2，對混凝土進行定義時則需要利用線性六面體減縮積分C3D8R。鋼筋材料和混凝土的材料參數具體可見表2和表3。

表2 鋼筋材料的具體參數

表3 混凝土材料的具體參數

建立混凝土模型時，按照網絡進行劃分，可以分為4個方面，分別是暗柱混凝土、加載梁混凝土、底梁混凝土、剪力墻混凝土。其中，暗柱混凝土尺寸設置為100mm，加載梁混凝土尺寸設置為200mm，底梁混凝土尺寸設置為200mm，剪力墻混凝土尺寸設置為100mm，鋼筋選擇50mm 的網格尺寸。將約束設置在混凝土與鋼筋之間，而對于底梁、加載梁、剪力墻之間則依靠綁定約束加以固定[3]。

1.3 加載模型

加載模型過程中，有限元模型會受到來自豎直方向的荷載力，具體計算公式為：

式中fc代表混凝土的軸心抗壓強度值，MPa；N代表豎向壓力，N；Ac代表混凝土截面面積，mm2；n代表軸壓比。

在加載過程中，位移會對水平方向加以控制，因此加載制度需要增加到24mm，具體加載制度見圖1。

圖1 加載模型圖

2 模擬結果及分析

2.1 混凝土損傷以及應力應變分布情況

一方面，關于受壓損傷。帶翼緣開洞剪力墻在上部墻體區域出現了很多受壓損傷，且很多損傷位于洞口位置，相對來說墻體翼緣和底部位置較為完整。通過觀察可以發現，WXB-1的承載能力較強，對比W-1，WXB-1 應用纖維摻量為1%的回收鋼纖維，可以降低洞口受壓情況，提升構件承載能力，充分發揮自身作用。而WXB-1.5和WXB-1對比后，發現將纖維摻量從1%提升到1.5%則可以對翼緣受壓損傷造成抑制作用，降低洞口受壓損傷。對比WXY-1和W-1，倘若補強鋼筋不變化，只是將1%的回收鋼纖維加入翼緣位置，同樣可對洞口受壓損傷起到限制效果。但是試件的延性會受到一定影響，出現了延性降低的情況。

另一方面，關于受拉損傷。受拉損傷多發生在墻身，而非翼緣位置[4]，并且墻身上的受拉損傷沒有出現集中的情況。經過分析后，發現回收鋼纖維能夠對受拉損傷進行抑制，降低墻體受到的影響。

2.2 鋼筋應力分布情況

對鋼筋應力分布情況進行分析后，發現鋼筋應力最大的位置為洞口底部和兩側位置。其中，WXB-1和W-1 對比后，發現洞口處回收鋼纖維能夠充分發揮作用，構件受力效果明顯強于補強筋。同時，對WXB-1.5和WXB-1進行對比時，發現摻量提升到1.5%后回收鋼纖維的強化效果較為明顯，但是左下部位鋼筋應力不斷增加，薄弱面較為明顯。除此之外，WXY-1中，翼緣位置損傷較小，導致回收鋼纖維表現較差。

2.3 滯回曲線

在水平位移的影響下，分別獲取W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 四墻面的有限元模型頂部參考點，進而繪制出水平荷載-水平位移的滯回曲線。對比W-1滯回曲線和WXB-1.5滯回曲線后，可以發現采用回收鋼纖維可以提升構件受力承載能力，并且變形能力和延性不會出現較大變化[5]。而對比WXB-1和WXB-1.5時，可以發現從1%提升到1.5%后，回收鋼纖維的承載能力進一步強化，曲線包絡面積更大，能耗量更高。而WXY-1和WXB-1.5對比后，發現對翼緣位置進行了進一步強化，承載能力沒有發生較大變化，但是試件變形能力出現下降的情況。

2.4 骨架曲線

W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 的模型骨架曲線具體可見圖2。

圖2 模型骨架曲線

從圖2中可以發現，骨架曲線的走勢基本相同，無論是哪個編號的試件，都屬于線性分布情況。隨著曲線前進，開裂后滯回曲線會逐漸脫離直線的范疇，呈現為彈塑性。在水平荷載增加直到峰值后，洞口位置會出現十分嚴重損傷，并且對下部墻體造成影響，為下部墻體帶來損傷，進而影響整體墻體的承載力。待峰值結束后，剩余曲線逐漸區域平穩，出現平直階段，此時穩定性會不斷增加。

試件WXB-1 和WXB-1.5 的荷載超過W-1 的峰值荷載，說明回收鋼纖維能夠替代補強筋，可以通過回收鋼纖維進行強化。而WXY-1 的峰值荷載超過W-1 的峰值荷載，說明翼緣部位強化后可以進一步改變剪力墻，提升其承載力。根據圖2，對剪力墻變形和延性進行了進一步分析，具體分析結果可見表4。

表4 剪力墻變形和延性分析表

從表4中可以發現，如果利用回收鋼纖維替代補強鋼筋，且摻量為1.5%時，W-1 的延性比與WXB-1.5 的延性比基本相同，能夠同時滿足抗震需求。

2.5 翼緣形狀

除摻量等因素外，翼緣形狀也會對翼緣開洞剪力墻的抗震性能造成影響。通常情況下，帶翼緣剪力墻中，與無洞剪力墻相比，開洞剪力墻擁有更高的延性，若是僅進行單側翼緣設置，在負向加載過程中開洞剪力墻會出現比正向加載狀態下更高的延性，但是相較于相同條件的雙側翼緣開洞剪力墻，其延性僅處于較低水平[6]。

相比于無翼緣剪力墻，帶翼緣剪力墻擁有更高的極限承載力，但是在延性方面會存在一定損失，倘若僅進行單側翼緣布置，則剪力墻會具備與雙翼緣剪力墻的加載極限承載力相同的加載承載力，但是此種情況會在一定程度上減小其負向極限承載力，同時出現比正向推覆延性更高的延性。

2.6 開洞率

為了進一步明確帶翼緣和洞口剪力墻抗震性能與開洞大小之間的關系，在研究過程中需要設置相同的洞口距離、邊緣等參數，確定在各種洞口大小下剪力墻各項參數。在實施該部分操作時，因為原試驗洞口較小，地梁與洞口之間距離需要達到一定程度，但是當洞口尺寸達到一定范圍時，地梁與洞口之間將會出現零距離。最終通過試驗了解到，與不開洞剪力墻相比，開洞剪力墻能夠在一定程度上提升最大承載力，此種結果主要原因是有一些縱向受力鋼筋存在于洞口附近，而當僅擁有較小開洞率時，附加鋼筋會存在比洞口承載力更高的強化效果。當具有較小開洞率且與相關要求相符時，可將洞口的削弱剔除剪力墻最大承載力考慮因素，同時，在不斷提升開洞率的過程中，剪力墻呈現出先提升后降低的延性變化規律，當開洞率處于16%以內時，相較于無洞口剪力墻，帶洞口剪力墻明顯擁有更大極限位移，且在不斷提升開洞率的過程中擁有越來越大的極限位移。而當達到16%以上的開洞率時，剪力墻極限位移會有提升轉變為降低狀態。同時，在剪力墻滿足規范要求的前提下，可以不對剪力墻最大承載力的削弱進行考慮。另外，對于不存在附加鋼筋的剪力墻來說，當開洞率處于30%以下時，剪力墻極限承載力與開洞率之間存在反比例關系，存在線性變化特征。

3 結語

經過對回收鋼纖維的纖維摻量、所處位置進行研究，對是否造成帶翼緣開洞剪力墻造成影響進行了分析，希望可以不斷提升帶翼緣開洞剪力墻的性能。具體結論如下：

（1）從受壓損傷分布圖中可以發現，回收鋼纖維能夠有效提升試件承載力和變形能力，同時洞口位置的開裂位移有所增加。

（2）對滯回曲線進行分析后，發現回收鋼纖維摻量提升可以強化試件的承載能力。但是此過程中鋼筋應力也可能增加，導致出現新的薄弱位置。

（3）利用回收鋼纖維對帶翼緣開洞剪力墻進行強化，能夠有效提升試件的承載能力。但是應用后發現試件的延性會出現下降，且墻身變形能力也會受到影響。