洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响

时间：2024-07-28

彭斌，杨随新

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510060)

剪力墙以抗侧刚度大、抗剪性能好而在高层建筑结构中得到了广泛的应用。但是由于建筑门、窗洞口的需要，使得实际工程中联肢剪力墙子墙体出现了截面高度过小的情况。因此，有必要深入分析洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响。许多学者对联肢剪力墙的抗震性能做了大量有价值的研究，陈云涛等人［1］从试验和理论角度深入地研究了联肢剪力墙的抗震性能;蒋勤等人［2］对短连梁和长连梁双肢剪力墙试件进行了静力弹塑性分析，得到了短、长连梁的计算模型;李宏男等人［3］进行了钢筋混凝土剪力墙抗震恢复力模型及试验研究;童根树等［4］采用连续化模型，对双肢剪力墙结构平面内稳定性进行了研究，求得了顶部作用集中压力时临界荷载的精确显式表达式和显式屈曲波形。

马志林等人［5］的研究表明，影响联肢剪力墙抗震性能的主要因素有轴压比、墙体分布钢筋配筋率、墙体边缘构件配筋率以及连梁纵向钢筋配筋率等。本文通过ABAQUS采用壳单元模拟剪力墙和连梁，主要分析在以上各种不同因素和不同墙体高度条件下，洞口位置对联肢剪力墙抗震性能和破坏形式的影响，为实际工程设计提供参考。

1 剪力墙模型

以典型的双肢剪力墙为研究对象，墙肢总长度为6.2 m，墙体厚度为250 mm，层高为3m，总共20层，洞口截面尺寸为2 m×2.4 m，通过改变洞口位置形成不同的分析模型，单层墙体尺寸如图1所示。

剪力墙混凝土强度等级为C40，钢筋均为HRB400，截面配筋如图2所示，墙体分布钢筋为双向φ12@200，所有墙肢端部约束构件尺寸为250 mm×400 mm，配筋为6φ16。连梁截面尺寸为250 mm×600 mm，上下各配3φ20钢筋。每层施加线荷载q=70 kN/m，对应的底层墙肢的轴压比为0.517。

根据洞口位置的变化建立的分析模型尺寸如表1所示，侧向力加载模式为倒三角形式。由于洞口位置变化使得双肢剪力墙是不对称的。本文侧向力加载按两个方向分别进行，如图3所示，每层侧向力作用在楼层位置。其中，B1、C1、D1侧向力加载方向为从左向右，B2、C2、D2侧向力加载方向为从右向左，模型A由于对称关系两方向侧向力加载得到的分析结果一致。

图1 单层剪力墙尺寸(单位:mm)

图2 墙肢截面配筋

图3 侧向力加载模式(单位:mm)

表1 联肢剪力墙尺寸

2 有限元分析模型及计算参数

有限元分析中，混凝土弹性模量E=3.25×104MPa，泊松比为0.2，单轴抗压强度标准值为26.8 MPa，单轴抗拉强度标准值为2.39 MPa。混凝土本构采用损伤塑性模型，该模型能够较好地模拟混凝土在各种荷载类型下的拉伸开裂和压碎破坏形态，并且可以考虑材料拉压强度的差异、刚度和强度的退化以及拉压循环的刚度恢复，混凝土进入塑性状态伴随着刚度的降低，其刚度损伤分别由受压损伤因子dc和受拉损伤因子dt表达。本文损伤因子的计算参考文献［6］的成果，得到C40混凝土受压及受拉塑性损伤因子与应力的对应关系如图4所示。对于受压损伤，当混凝土达到极限压应力时，损伤因子为0.3左右;对于受拉损伤，当拉应变达到0.000 25时，混凝土强度降低到峰值的50%左右，此时受拉损伤因子为0.55左右，可认为混凝土受拉破坏。钢材弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3，采用双线性随动强化模型，考虑包辛格效应，在循环过程中，无刚度退化。钢材的屈服强度标准值为 400 MPa，强屈比为 1.2，极限应变为0.025。

图4 C40混凝土塑性损伤因子与应力对应关系

剪力墙和连梁均采用减缩积分壳单元S4R模拟，其中沙漏控制加强，单元尺寸控制在0.4～0.6 m之间，通过Rebar layer给墙体及连梁配筋，集中侧向力通过分布耦合的方式作用到每一楼层。由于ABAQUS不支持给壳单元的非自由边施加shell edge load，墙体的恒载通过body force等效添加。整个分析过程中假设剪力墙不发生平面外失稳，并考虑P－Δ效应。整体推覆分析之前做了模态分析，得到各模型第一阶模态对应的周期如表2所示。可以看出，随着洞口两边墙肢截面高度差距的增大，结构整体刚度逐渐减小。

表2 各结构模型第一周期

3 数值模拟结果及分析

3.1 不同轴压比作用

为研究不同轴压比作用下洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响，在前文原始模型的基础上，只改变每层的恒载为20 kN/m，得到底层墙肢轴压比为0.208，对应的模型编号分别为Aa～D2a。图5和图6分别给出了侧向力两方向加载不同轴压比对应的各模型基底剪力－顶点位移关系曲线。

图5 从左向右加载不同轴压比各结构基底剪力－顶点位移曲线

图6 从右向左加载不同轴压比各结构基底剪力－顶点位移曲线

由图5、图6可知，当墙肢轴压比较小为0.208时，无论侧向力加载方向为从左向右还是从右向左，洞口位置对联肢剪力墙抗剪承载能力和变形能力的影响较小。但当墙肢轴压比为0.517时，从左向右加载得到的各模型基底剪力－顶点位移曲线差异较大。随着洞口两边墙肢截面高度差距的增大，联肢剪力墙极限承载能力明显降低，延性变差，尤其是当子墙体截面高厚比小于4时，极限承载力降幅增大;从右向左得到的各模型基底剪力－顶点位移曲线除了屈服剪力有一定差异外，极限承载力和变形能力受洞口位置的影响较小。

根据前文分析结果可知，在不同轴压比下，当侧向力作用方向为从右向左时，洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响较小，承载能力主要由受压侧墙肢控制，故后续分析侧向力加载方向均为从左向右，即由肢长较长墙肢向肢长较短墙肢方向。

3.2 不同墙体分布钢筋

只改变墙体分布钢筋由双向φ12@200变为φ12@150，对应的模型编号为Ab～D1b。图7给出了不同墙体分布钢筋对应的各模型基底剪力－顶点位移曲线。

图7 不同墙体分布钢筋各模型基底剪力－顶点位移曲线

由图7可知，在不同墙体分布钢筋配筋率的条件下，洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响有相似规律，提高墙体分布钢筋配筋率能在一定程度上提高墙体的抗剪承载力，但并不突出。

3.3 不同墙体边缘构件配筋率

只改变墙体边缘构件配筋由6φ16变为6φ20，对应的模型编号为Ac～D1c。图8给出了不同墙体边缘构件配筋率对应的各模型基底剪力－顶点位移曲线。

图8 不同边缘构件配筋率各模型基底剪力－顶点位移曲线

由图8可知，提高边缘约束构件的配筋率能够较大幅度地提升墙体的抗剪承载力和变形能力，并且在由于洞口的存在使得子墙体截面高度较小时，提升墙体边缘构件配筋率是非常直接有效的方法。

3.4 不同连梁纵向钢筋配筋率

图9给出了改变连梁纵向配筋为上下3φ25后得到的不同连梁纵筋配筋率的各模型基底剪力－顶点位移曲线，对应的模型编号为Ad～D1d。

图9 不同连梁纵向钢筋配筋率各模型基底剪力－顶点位移曲线

由图9可知，就推覆分析结果而言，增大连梁纵向钢筋配筋率对提高联肢剪力墙抗剪承载能力作用很小，并不能改善洞口不利位置引起的联肢剪力墙抗震性能变差的问题。

3.5 不同墙体高度

改变模型A～D1楼层层数为33层，墙体总高度为99 m。通过修改每层线荷载q，使得底层墙肢轴压比仍然保持在0.517，其他参数不变，对应的模型编号为Ae～D1e。图10给出了不同墙体高度条件下，洞口位置对联肢剪力墙基底剪力－顶点位移曲线的影响。

图10 不同墙体高度各模型基底剪力－顶点位移曲线

由图10可知，随着墙体总高度的增加，洞口位置对联肢剪力墙抗震性能的影响有相似规律，当联肢剪力墙一侧子墙体截面高度与厚度之比小于4时，墙体抗剪承载能力降幅明显增大。

4 墙肢破坏结果

取基底剪力下降到最大承载力的85%对应的基底剪力－顶点位移曲线上的点为极限点［7］，图11和图12分别给出了A、D1和D2在各自极限点对应的墙体混凝土受压损伤因子和竖向钢筋mises应力云图。

由图11可知，达到极限状态时，各模型受压侧墙肢混凝土受压破坏均较严重，其中从左向右加载方式模型D1受压侧混凝土全部压碎，破坏最严重。对比模型A与D1、D2可以看出，D1和D2连梁混凝土破坏较轻，意味着洞口两边墙肢截面高度差距较大的联肢剪力墙的连梁在抵抗地震作用时不能充分地耗能，起不到第一道防线的作用。

图11 极限点对应的墙体混凝土受压损伤分布

图12 极限点对应的墙体竖向钢筋mises应力

由图12可以得出，达到极限状态时，各模型底部墙肢受拉及受压钢筋屈服严重。其中洞口两边墙肢截面高度差距较大的模型D1和D2，当侧向力加载方向为从左向右时，受压侧底部墙肢纵向钢筋全截面达到极限强度;当侧向力加载方向为从右向左时，受拉侧底部墙肢纵向钢筋全截面达到极限强度。总体而言，洞口两边截面高度差距较大的模型达到限状态时，底部墙肢钢筋屈服更为严重。