基于疊合板式剪力墻受力性能分析

楊文豪

摘 要：本文以O(shè)penSEES為研究對(duì)象，分析其對(duì)疊合板式剪力墻受力性能的應(yīng)用，主要從疊合剪力墻的制作、OpenSEES對(duì)疊合板式剪力墻進(jìn)行模型分析等方面探討其受力性能的試驗(yàn)，實(shí)踐可知通過對(duì)選擇高軸壓比的設(shè)計(jì)方式能夠全面地提升整體性能，對(duì)于改進(jìn)疊合剪力墻的極限承載性能更具優(yōu)勢(shì)，可以在大范圍內(nèi)推廣使用。

關(guān)鍵詞：OpenSEES;疊合板式;剪力墻;受力性能;分析

中圖分類號(hào)：TU398+.2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）03-0069-02

目前，建筑工程項(xiàng)目中所應(yīng)用的疊合剪力墻主要包含了兩種基本形式，即邊緣構(gòu)件現(xiàn)澆以及邊緣構(gòu)件預(yù)制的疊合形式，后者在當(dāng)前的建筑工程施工項(xiàng)目應(yīng)用最為普遍，主要是因?yàn)槠涫┕ば史浅８咔曳奖?，可以在更大范圍?nèi)推廣使用。當(dāng)前我國(guó)的建筑領(lǐng)域針對(duì)疊合剪力墻展開了深入研究，但是針對(duì)其結(jié)構(gòu)形式的研究比較少。下面主要針對(duì)OpenSEES程序來對(duì)邊緣構(gòu)件疊合剪力墻的結(jié)構(gòu)形式分析其受力狀況。

1 疊合剪力墻的制作過程

疊合板式剪力墻主要包含了如下過程：首先需要將準(zhǔn)備好的受力鋼筋與預(yù)埋件放置在設(shè)備模板上，然后分步進(jìn)行混凝土澆筑施工，此時(shí)需要注意的是澆筑完一側(cè)就需要立即養(yǎng)護(hù)施工，才能開始另外一側(cè)的澆筑施工，全部澆筑且完成養(yǎng)護(hù)處理之后，才能運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行存放。改進(jìn)模型主要是利用箍筋與豎向鋼筋的結(jié)構(gòu)形式來代替桁架鋼筋，整個(gè)結(jié)構(gòu)中的桁架鋼筋可以連接各個(gè)部件，同時(shí)還能夠保證其整體的均勻受力。由此可見，使用暗柱式的連接形式不但增加了內(nèi)部鋼筋使用量，且能有效提升其整體結(jié)構(gòu)性能。

2 利用 OpenSEES 對(duì)疊合板式剪力墻進(jìn)行模型分析

2.1 考慮彎曲—剪切耦合模型

為了綜合分析剪力墻受力過程中的彎曲與剪切相互作用能夠達(dá)到的效果，Orakcal 正式提出了進(jìn)行模型分析，主要是利用垂直單元模型內(nèi)部加入了轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧的方式來提升其結(jié)構(gòu)的抗剪性能[1]。此時(shí)所應(yīng)用的彎剪耦合模型是在 Petrangeli et al. 基礎(chǔ)上總結(jié)而來的，是在 MVLEM 模型的基礎(chǔ)之上，在所有的組合單元中加入了剪切彈簧部分，此時(shí)表示其內(nèi)部受力更加的均衡，是殼單元的性質(zhì)。

2.1.1單元模型

在OpenSEES中使用纖維模型是非常常見的，Orakcalet al.在Displacement -Based Beam-Column基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分的改造，從而提出了彎剪耦合模型中的dispBeamColumnInt單元，該單位的主要作用是分析二維加載，不能應(yīng)用在整體結(jié)構(gòu)的反復(fù)載荷作用之下的受力分析。

2.1.2材料模型

Orakcalet al.創(chuàng)建了concrete06本構(gòu)模擬混凝土，concrete06主要是利用了對(duì)結(jié)構(gòu)的受壓軟化參數(shù)與受拉硬化參數(shù)，可以明確確定上述兩個(gè)具體參數(shù)。受壓部分的性能曲線主要是Thorenfeldt-based曲線。結(jié)構(gòu)鋼筋則使用的是Steel02 來進(jìn)行性能分析，Steel02本構(gòu)是基于Giuffre-Menegotto-Pinto 的所建立的模型形式，可以綜合分析鋼筋各個(gè)方面性能，反映出實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1.3截面模型

Orakcalet al. 在 OpenSEES 模型中加入了一個(gè)“FiberInt”的修正纖維截面，該截面應(yīng)用的是很多條帶所組成，所有的條帶都能夠反映出該部分的鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)形成，可以通過豎向與水平纖維的結(jié)構(gòu)形式來進(jìn)行性能分析。

2.1.3分析結(jié)果

剪力墻高度方向中總計(jì)含有10單元，任何一個(gè)單元都包含了15個(gè)條帶。在進(jìn)行性能分析的過程中，主要按照如下進(jìn)行：第一在結(jié)構(gòu)中加入豎向壓力，按照十個(gè)載荷分別進(jìn)行施壓[2];第二加入水平載荷，位移增量設(shè)定為0.5mm。

2.2 纖維截面模型

OpenSEES中所使用的纖維截面的形式最早是Tauceet al.研發(fā)和應(yīng)用的，是當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的一種受力分析模型。該模型中，需要在建筑截面中將其分為混凝土纖維與鋼筋纖維的組成結(jié)構(gòu)形式，按照該結(jié)構(gòu)的要求將其分成纖維單軸結(jié)構(gòu)形式。

2.2.1單元模型

纖維截面模型中主要包含了剛度與柔度兩種形式的模型，對(duì)于剛度模型的部分需要將其分成若干個(gè)部分，在所有的部分中截面位移都需要經(jīng)過3次Hermit 多項(xiàng)式差值求得，利用線性方法可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)，會(huì)受到3次差值函數(shù)的影響，在不能準(zhǔn)確的表述非線性行為中，要想滿足數(shù)據(jù)分析的需要，通常都應(yīng)該在非彈性的部分中進(jìn)行分析;對(duì)于柔度模型來說，需要將整體部分分成若干單元，每個(gè)單元都利用線性差值計(jì)算得出，在進(jìn)行彎梁模擬時(shí)就能夠滿足更好的收斂效果，同時(shí)還能夠準(zhǔn)確地分析非線性參數(shù)。

2.2.2材料模型

Concrete01的骨架受壓曲線主要是利用修正之后的Kent-Park模型，卻沒有將混凝土受拉性能計(jì)算在其中。該結(jié)構(gòu)中的鋼筋主要是利用Steel0來模擬。

2.2.3剪切變形

由于纖維單元無法確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，所以無法確定剪力造成的影響。在 OpenSEES中利用截面組裝（Section Aggregator），綜合考慮到抗剪本構(gòu)與纖維截面部分對(duì)于變形所產(chǎn)生的影響。為了能夠準(zhǔn)確分析剪切滯回方面的影響，剪力墻本構(gòu)分析中使用Hirosawa公式，應(yīng)用Hysteretic來進(jìn)行材料性能分析。

2.2.4分析結(jié)果

沿著剪力墻高度將整體結(jié)構(gòu)分為10個(gè)單元的組成形式，在分析中需要經(jīng)過兩步處理：第一需要在系統(tǒng)中加入豎向壓力，可以分成十步增加載荷;第二需要加入水平載荷的影響，位移增量設(shè)定為5mm。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在柔度單元內(nèi)的0.1軸壓比之后來進(jìn)行反復(fù)載荷作用之下其荷載性能會(huì)持續(xù)下降，經(jīng)過剛度退化反應(yīng)可以提升整體效果。疊合構(gòu)件極限承載性能可以達(dá)到412 kN，OpenSEES模擬之后的參數(shù)確定為371.8kN，偏差為9.7%。纖維截面中使用0.1軸壓比來進(jìn)行承載性能的確定可以將偏差控制在10%以下，這也就說明了模擬過程中能夠準(zhǔn)確地反映出滯回性。經(jīng)過模擬之后，將代替桁架鋼筋部分的暗柱直徑直接增加到6mm，此時(shí)保證與W-3中的鋼筋直徑保持一致。改進(jìn)完成之后，測(cè)定其極限承載性能達(dá)到了387.4 kN，而未改進(jìn)時(shí)則為371.8 kN，二者相差4.2%。將連接部分的暗柱鋼筋直徑增加到10 mm，再次進(jìn)行模擬性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其承載極限達(dá)到了444 kN，較之未改進(jìn)時(shí)提升了19.4%。

3 高軸壓比下分析

本文主要綜合分析了邊緣構(gòu)件中的預(yù)制疊合強(qiáng)高軸壓比中所具備的承載性能優(yōu)勢(shì)，以此為基礎(chǔ)再分析整個(gè)結(jié)構(gòu)所具備的抗震性能是否能夠達(dá)到要求。經(jīng)過分析《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中可以發(fā)現(xiàn)，其中的7.2.14條中明確確定，在各級(jí)中的軸壓比參數(shù)要比規(guī)定值大的情況下，應(yīng)該在底部與相鄰位置上分別設(shè)置約束邊緣構(gòu)件形式。此時(shí)的構(gòu)件需要達(dá)到7.2.15中的要求，并且配箍率ρv=λvfc/fyv，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析確定，一、二、三級(jí)配筋率分別為1.2%、1.0%和1.0%。而試件W-3中所設(shè)計(jì)的邊緣構(gòu)件的配筋率僅為0.39%。W-3剪力墻豎向與橫向結(jié)構(gòu)部分的配筋率分別為 0.15%、0.39%。在7.2.17條中有著明確的規(guī)定，一、二、三級(jí)的豎向與水平配筋率參數(shù)都不能小于0.25%的要求。在未改進(jìn)的W-3結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，因?yàn)殍旒茕摻畈糠诌M(jìn)行結(jié)構(gòu)改變是無法達(dá)到性能的要求。而改進(jìn)之后的結(jié)構(gòu)形式采用的是暗柱連接的方式，配筋可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需要來進(jìn)行改動(dòng)。因此，對(duì)于改進(jìn)之后的W-3構(gòu)件的配筋狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，可以將邊緣構(gòu)件組成部分中的所有豎向鋼筋直接都增加到14mm，中間結(jié)構(gòu)部分的鋼筋不做任何改動(dòng)。

經(jīng)過具體的參數(shù)分析可以確定，在改進(jìn)之后的W-3構(gòu)件中，其邊緣豎向鋼筋的配筋率為1.54%，而橫向與豎向的配筋率分別為0.314%、0.5%。從該參數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，其可以完全滿足了7.2.17條中規(guī)定的配筋率不小于0.25%的要求，整體的結(jié)構(gòu)性能達(dá)到了規(guī)定要求。

4 結(jié)論

建筑結(jié)構(gòu)中選擇使用箍筋與豎向鋼筋的組成結(jié)構(gòu)形式來代替桁架鋼筋的形式，可以大大提升結(jié)構(gòu)的承載性能，同時(shí)還能夠使得抗剪性能得到提升，工程的安全性得到保證;箍筋與豎向鋼筋組合而成的暗柱替代桁架鋼筋的結(jié)構(gòu)形式，施工非常便捷，施工效率也比較高，將暗柱的直徑增加至10mm之后，經(jīng)過模型分析之后可以確定其極限承載性能可以提升10%以上;選擇高軸壓比的設(shè)計(jì)方式能夠全面地提升整體性能，對(duì)于改進(jìn)疊合剪力墻的極限承載性能更具優(yōu)勢(shì)，可以在大范圍內(nèi)推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王滋軍，劉偉慶，葉燕華，孫仁樓，魏威.鋼筋混凝土開洞疊合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（07）：156-163.

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