不同開洞位置對(duì)短肢剪力墻抗震性能影響分析

魯 楠，楊曉華，周 磊，盧學(xué)臣

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007）

不同開洞位置對(duì)短肢剪力墻抗震性能影響分析

魯 楠，楊曉華，周 磊，盧學(xué)臣

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007）

建筑物在日常使用過程中，常在短肢剪力墻墻肢上開設(shè)布置管道的孔洞。為了研究后期開設(shè)孔洞的位置對(duì)短肢剪力墻受力性能的影響，建立6個(gè)在墻肢上開設(shè)孔洞大小相同而孔洞位置不同的短肢剪力墻有限元分析模型；研究在低周反復(fù)荷載作用下，孔洞位置對(duì)構(gòu)件滯回特性、承載力、延性、耗能能力等抗震性能的影響；通過在不同軸壓比下改變孔洞位置，討論不同軸壓比下后期開設(shè)孔洞的位置對(duì)短肢剪力墻受力性能的影響。結(jié)果表明：墻肢開設(shè)孔洞位置不同對(duì)短肢剪力墻的承載能力和抗震性能有顯著影響，在相同軸壓比下，開設(shè)孔洞位置越靠近短肢剪力墻底部，對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響越大，并且軸壓比越大，影響越明顯。

開洞位置；短肢剪力墻；抗震性能

0 引言

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是介于異型柱和剪力墻之間的一種結(jié)構(gòu)形式，它結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)中高層民用建筑中得到了廣泛應(yīng)用。隨著生活水平的提高，住戶需要安裝空調(diào)、抽油煙機(jī)等家用電器，居民在安裝家用電器時(shí)常常會(huì)在剪力墻墻肢上鉆孔，以便布設(shè)管線。JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中僅對(duì)剪力墻預(yù)留洞口做了說明并提出了設(shè)計(jì)要求，對(duì)短肢剪力墻嚴(yán)格規(guī)定不能后期開設(shè)洞口。劉星等[2-3]通過對(duì)L形短肢剪力墻墻肢上部開設(shè)不同直徑圓形孔洞的縮尺比例模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了在墻肢上后期開設(shè)孔洞對(duì)短肢剪力墻的抗震性能影響較大的結(jié)論。

本文以在L形短肢剪力墻墻肢上部后期開設(shè)直徑為100 mm孔洞的具體實(shí)例為背景，研究在墻肢上后期開設(shè)孔洞位置的不同對(duì)剪力墻抗震性能的影響。

1 有限元模型

1.1 剪力墻原型

研究對(duì)象是某18層高層建筑中間層外側(cè)L形短肢剪力墻，樓層層高為2 800 mm。由于生活需要，住戶后期在短肢剪力墻墻肢上部開設(shè)了直徑為100 mm的圓形孔洞。該短肢剪力墻截面尺寸為1 400 mm× 600 mm×200 mm，肢厚比為7。短肢剪力墻轉(zhuǎn)角暗柱配置4B20，端部暗柱配置4B20，暗柱配置箍筋為B8@200，剪力墻豎向分布鋼筋均為B12@200，水平分布鋼筋均為B8@200?；炷翉?qiáng)度等級(jí)采用C30。L形短肢剪力墻配筋如圖1所示。

圖1 短肢剪力墻配筋圖Fig. 1 Short-pier shear wall reinforcement diagram

1.2 建立有限元模型

利用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，建立有限元非線性計(jì)算模型，采用分離式建模方法，分別建立混凝土和鋼筋分析單元。

鋼筋實(shí)體按縱向鋼筋和水平分布筋的位置進(jìn)行準(zhǔn)確分割，選用三維桿單元link8進(jìn)行模擬，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。鋼筋進(jìn)入屈服階段，選用雙線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，不考慮鋼筋的硬化過程，采用完全彈塑性的雙直線模型[4]實(shí)現(xiàn)鋼筋在受力時(shí)的軸向拉壓狀態(tài)。彈性模量取2×105MPa，屈服強(qiáng)度為300 MPa，泊松比v=0.3，劃分單元網(wǎng)格長(zhǎng)度為100 mm，鋼筋共劃分為1 406個(gè)單元。墻肢內(nèi)鋼筋單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

混凝土選用solide65單元進(jìn)行模擬。采用多線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，利用GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式，用一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合混凝土的本構(gòu)關(guān)系。混凝土彈性模量根據(jù)規(guī)范取3×104MPa，泊松比v=0.2。通過設(shè)置剪力傳遞系數(shù)來考慮混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫引起的剪切力損失。混凝土劃分單元網(wǎng)格長(zhǎng)度為100 mm，為了與鋼筋單元協(xié)調(diào)，采用映射方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，混凝土共劃分為2 528個(gè)單元。

圖2 鋼筋網(wǎng)格劃分圖Fig. 2 Steel bar mesh diagram

對(duì)開洞墻肢進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，先將洞口四周的墻體分割成六面體，再進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。劃分時(shí)應(yīng)處理好不同單元間節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，以保證計(jì)算的順利進(jìn)行。開設(shè)孔洞的剪力墻墻肢網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 開洞剪力墻有限元模型Fig. 3 The finite element model of opening shear wall

1.3 邊界條件與計(jì)算

計(jì)算模型是實(shí)際結(jié)構(gòu)中間一層外墻，為了模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況，網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)底部單元節(jié)點(diǎn)施加固定約束，限制所有底部單元節(jié)點(diǎn)3個(gè)方向的自由度。根據(jù)樓板在水平荷載作用下，平面內(nèi)剛度無限大的假定，考慮樓板對(duì)墻肢的側(cè)向約束作用，對(duì)墻肢頂部所有單元節(jié)點(diǎn)施加豎向約束，并按照軸壓比施加對(duì)應(yīng)恒定的豎向均布?jí)毫?。在墻肢頂端單元?jié)點(diǎn)處，施加水平方向的循環(huán)位移，通過逐級(jí)增加位移值，來模擬墻肢在低周反復(fù)荷載作用下的受力情況。

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果，從滯回性能和骨架曲線方面，分別討論相同軸壓比下不同開洞位置和相同開洞位置不同軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力、延性、極限承載力的影響。

2.1 滯回曲線

通過對(duì)6個(gè)在短肢剪力墻上開設(shè)孔洞的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到了洞口距離墻肢底部分別為2 500, 2 100, 1 700, 1 300, 900, 500 mm的滯回曲線。模型中開設(shè)孔洞的直徑均為100 mm，軸壓比為0.2。圖4為孔洞距離墻肢根部不同高度有限元模型的滯回曲線。

圖4 模型滯回曲線Fig. 4 Hysteresis curves of models

從圖4可以看出，開洞位置不同，短肢剪力墻的滯回性能差異較大。當(dāng)洞口開在距離底部500 mm處時(shí)，滯回曲線呈現(xiàn)反S形，滯回環(huán)面積小，結(jié)構(gòu)的耗能能力低，抗震性能差。隨著洞口位置的上移，結(jié)構(gòu)的耗能能力逐漸提高。當(dāng)洞口位置距離墻根1 700 mm時(shí)，滯回曲線呈現(xiàn)飽和的梭形，曲線下降段比較平緩，構(gòu)件的耗能能力和延性較好。

2.2 骨架曲線

根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果，將滯回曲線每一滯回環(huán)的峰值連線，得到6個(gè)開洞模型與未開洞模型的骨架曲線，如圖5所示。

圖5 骨架曲線Fig. 5 Skeleton curve

由圖5可以看出，骨架曲線中的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：開裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、極限承載力點(diǎn)和極限變形點(diǎn)[6]，都符合混凝土結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型。分析圖5中的曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，開洞位置不同，結(jié)構(gòu)的極限承載力、極限位移有較大的變化，并且未開洞模型的承載力始終最大，延性最好。洞口開在2 500 mm處時(shí)的極限位移與未開洞的位移相近，但承載力有所下降。隨著洞口位置的下移，極限位移逐漸減小，極限承載力逐漸降低。

2.3 極限承載力

結(jié)構(gòu)的極限承載力是結(jié)構(gòu)所能承受荷載的最大能力，在軸壓比為0.2時(shí)，計(jì)算得出未開洞短肢剪力墻極限承載力分別為正向加載366.32 kN和反向加載397.28 kN。考慮開洞位置對(duì)極限承載能力的影響，取不同開洞位置模型的極限承載力進(jìn)行對(duì)比，給出了如圖6所示的折線圖。

圖6 不同開洞位置的剪力墻極限荷載Fig. 6 Ultimate load of shear wall of different opening locations

由圖6可知，開洞短肢剪力墻承載力相對(duì)未開洞的均有所降低，并且在墻肢根部位置開設(shè)孔洞對(duì)墻肢極限承載力的影響最大，分別降低了16.5%和8%。隨著開洞位置遠(yuǎn)離墻肢根部，承載力有所恢復(fù)。當(dāng)洞口開在1 700 mm以上時(shí)，極限荷載基本穩(wěn)定。從圖中還可看出，任何階段反向加載對(duì)應(yīng)的極限荷載總大于正向加載對(duì)應(yīng)的極限荷載，這是由于正向加載時(shí)L形墻肢內(nèi)側(cè)受壓外側(cè)受拉，而反向加載時(shí)L形墻肢外側(cè)受壓內(nèi)側(cè)受拉引起的，也即正向加載時(shí)，混凝土受壓面積小于反向加載時(shí)受壓面積。

2.4 軸壓比的影響

建立軸壓比為0.1和0.3的有限元模型，通過與上述軸壓比為0.2的模型進(jìn)行對(duì)比，分析3種軸壓比下，改變孔洞位置對(duì)剪力墻力學(xué)性能的影響。并給出未開洞短肢剪力墻在不同軸壓比下的滯回曲線，如圖7所示。每一種軸壓比下，改變開洞位置，繪制出各軸壓比對(duì)應(yīng)的骨架曲線，如圖8所示。

從圖7可以看出，軸壓比越大結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性越差。軸壓比為0.1時(shí)，滯回曲線呈飽滿的梭形；而軸壓比為0.3時(shí)滯回曲線成反S形，耗能能力低，極限位移明顯降低，延性變差。

圖7 不同軸壓比時(shí)剪力墻滯回曲線Fig.7 Hysteresis curves of shear wall of different axial compression ratios

圖8 不同軸壓比時(shí)的墻肢骨架曲線Fig. 8 Skeleton curves of shear wall of different Axial compression ratios

從圖8可以看出，相同開洞位置，軸壓比增大，結(jié)構(gòu)的極限位移減小，延性變差，墻肢的極限荷載相應(yīng)增加，這與短肢剪力墻有關(guān)研究的結(jié)論是一致的[7]。軸壓比為0.1時(shí)，改變洞口位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響最小。軸壓比越大，洞口位置對(duì)受力性能影響越明顯。

3 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論：

1）孔洞越靠近墻肢根部，構(gòu)件的抗震性能削弱越明顯。當(dāng)洞口位置在1 700 mm以上時(shí)，孔洞對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響程度明顯降低，能保證結(jié)構(gòu)具有良好的耗能性能。因此，在實(shí)際工程中，洞口位置應(yīng)開在墻體中部以上，宜開在墻體頂部1/3范圍內(nèi)。

2）軸壓比對(duì)墻肢抗震性能的影響明顯。相同開洞位置軸壓比越大，結(jié)構(gòu)的延性越差，極限位移越小，耗能能力減弱越明顯。這與有關(guān)剪力墻研究結(jié)論一致，說明本有限元模型具有可行性。

3）后期開洞對(duì)剪力墻受力性能有明顯的削弱，為保證結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，建議采用預(yù)留孔洞或?qū)Χ纯诓扇〖訌?qiáng)措施。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：94. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China. JGJ3—2010 Technical Specification for Tall Building Concrete Structures[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010：94.

[2]劉 星. 墻肢孔洞對(duì)短肢剪力墻抗震性能影響研究[D]. 株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2015.Liu Xing. Effects of Open Holes on the Seismic Performance of Short Leg Shear Wall[D]. Zhuzhou：Hunan University of Technology，2015.

[3]劉 星，楊曉華，陳端云，等. 單調(diào)荷載下開洞短肢剪力墻力學(xué)性能的有限元分析[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(2)：14-20. Liu Xing，Yang Xiaohua，Chen Duanyun，et al. Finite Element Analysis on Mechanical Properties of Short Pier Shear Wall with Openings Under Monotonic Loading[J]. Journal of Hunan University of Technology，2015，29(2)：14-20.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：35. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China . GB 50010—2010 Code for Concrete Structure Design[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010：35.

[6]李曉蕾，李青寧. 鋼筋混凝土短肢剪力墻恢復(fù)力模型研究[J]. 地震工程與工程震動(dòng)，2014，34(5)：100-107. Li Xiaolei，Li Qingning. Research on Restoring Force Model of RC Short-Pier Shear Wall[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics，2014，34(5)：100-107.

[7]張品樂，李青寧，李曉蕾. L形截面短肢剪力墻抗震性能的模型試驗(yàn)研究[J]. 地震工程與工程震動(dòng)，2010，30(4)：51-56. Zhang Pinle，Li Qingning，Li Xiaolei. Experimental Research on Seismic Performance of Short Pier Shear Wall with L-Shaped Section[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2010，30(4)：51-56.

（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Influence of Different Opening Position on Seismic Performance of Short Pier Shear Wall

Lu Nan，Yang Xiaohua，Zhou Lei，Lu Xuechen
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Holes for placing pipelines are usually opened on the building. In order to study impacts of the hole position on the seismic performance of short pier shear wall, six short-pier shear wall finite element models with the same opening hole sizes and different opening positions are built. The influences of the hole positions on seismic performances of hysteretic behavior, bearing capacity, ductility, energy dissipation of short pier shear wall are investigated under low cycle repeated loading, and through changing opening position under different axial compression ratio, the impacts of hole position on the seismic performance of short pier shear wall are discussed. The calculated results show that different opening positions affect the bearing capacity and the seismic performance of short pier shear wall remarkably. Under the same axial compression ratio, the nearer the hole opening position to the wall bottom, the greater the impact on the structure performance will be. And the axial compression ratio is higher , the influence will be more obvious.

opening position；short-pier shear wall；seismic performance

TU312+.1

A

1673-9833(2015)05-0005-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.002

2015-08-02

魯 楠（1992-），男，安徽宣城人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，E-mail：lunan19920622@163.com