低層裝配式豎縫中空剪力墻抗震性能

申彥利, 石佩云

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，邯鄲 056000； 2.河北省裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)研究中心，邯鄲 056000)

近年來，隨著中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和相關(guān)政策的出臺(tái)，傳統(tǒng)的建筑方式面臨革新，建筑產(chǎn)業(yè)化成為行業(yè)熱點(diǎn)，大力推廣裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的途徑之一。在裝配式結(jié)構(gòu)形式中，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)占據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)的90%[1]，改善傳統(tǒng)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。

為改善其受力性能，相關(guān)學(xué)者做了許多有益的嘗試，如組合耗能填充剪力墻[2]、搖擺耗能剪力墻[3]等。對(duì)于相同受力形式的構(gòu)件也作了改進(jìn)，范棟鑫等[4]通過對(duì)帶有橫槽的橋墩進(jìn)行抗震性能分析，結(jié)果表明，帶有直槽的橋墩抗震性能及受力性能較好，說明帶有橫縫的橋墩可以有良好的耗能性能；王宇亮等[5]研究了采用阻尼器連接的豎縫剪力墻在低周反復(fù)加載下抗震性能，結(jié)果表明阻尼器在受力過程中進(jìn)行耗能，承載力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相差不大；秦士宏等[6]對(duì)豎向拼縫剪力墻抗震性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明豎向拼接縫對(duì)于構(gòu)件的延性及耗能有顯著的提升。目前，對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)的研究多為構(gòu)件之間的連接方式，或者利用外加阻尼器進(jìn)行耗能研究，成本較高，而對(duì)于利用構(gòu)件自身改變抗震性能，少有學(xué)者研究，不夠系統(tǒng)完善，因此，在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了新型裝配式豎縫中空剪力墻為驗(yàn)證新型裝配式豎縫中空剪力墻的抗震性能，通過有限元軟件研究不同縫間墻高寬比對(duì)墻體抗震性能的影響，為該類結(jié)構(gòu)體系提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 低層裝配式豎縫中空剪力墻的構(gòu)造

為了進(jìn)一步研究抗震性能更優(yōu)的低層裝配式剪力墻，本文提出了裝配式豎縫中空剪力墻結(jié)構(gòu)，這種形式的裝配式剪力墻構(gòu)造如圖1所示。

圖1 裝配式豎縫中空剪力墻示意圖Fig.1 Detailed of assembled vertical seam hollow shear wall

(1)墻體中有單塊矩形孔洞，即去除實(shí)心墻體墻身的部分混凝土，矩形孔洞居中布置，減少了墻體的自重，進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)在地震中吸收的能量。

(2)在墻體的前后設(shè)有貫穿的人工豎縫，將整塊墻體分成若干小墻肢。

(3)墻體的端部設(shè)有邊緣構(gòu)件暗柱，暗柱的設(shè)置可以減小墻體的剛度退化。

剪力墻中間的矩形孔洞以及豎縫間放入保溫板，不僅可以減少墻體熱傳導(dǎo)，使墻體具有一定的節(jié)能效果，還加快了施工速度，單塊矩形孔洞周圍兩側(cè)雙向布筋，開縫處鋼筋按照規(guī)范進(jìn)行加固處理。

2 數(shù)值模型

2.1 模型計(jì)算簡(jiǎn)圖及基本假定

利用有限元軟件建立了4片縫間墻高寬比分別為3、4、6、8的裝配式豎縫中空剪力墻數(shù)值模型，為墻體分析對(duì)比簡(jiǎn)潔明確，設(shè)定豎縫的高度h與豎縫間距b的比值為n，即

(1)

運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行豎縫中空剪力墻模型在低周反復(fù)荷載下的數(shù)值模擬對(duì)比，計(jì)算模型如圖2所示。模型由加載梁、墻體以及地梁三部分組成，墻體下端固定，墻體的豎向分布筋直接錨固在加載梁和地梁中，最后澆筑混凝土，使三者融為一體,對(duì)計(jì)算模型做了如下假定。

圖2 裝配式豎縫中空剪力墻計(jì)算模型Fig.2 Calculation sketch of assembled vertical seam hollow shear wall

(1)將墻體上部豎向荷載和水平位移荷載簡(jiǎn)化為集中荷載作用于墻體頂部的加載梁。

(2)加載梁、墻體與地梁之間采用剛性連接，地梁與地面完全固定。

(3)不考慮結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)。

2.2 模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的有效性，以文獻(xiàn)[7]中的一片實(shí)心剪力墻為參考，通過對(duì)模型進(jìn)行低周反復(fù)加載，得到模型與原試驗(yàn)的荷載-位移曲線對(duì)比如圖3所示,各個(gè)階段特征參數(shù)數(shù)值對(duì)比如表1所示。

表1 數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果特征參數(shù)對(duì)比Table 1 Feature point paramerers of comparison of numerical simulationand test results

圖3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬荷載-位移曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation and test results of shear wall load displacement curve

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是利用豎向加載裝置帶有反力橫梁、豎向液壓千斤頂、千斤頂與反向橫梁之間的滑板和分配梁等所測(cè)得。固定墻體采用地錨螺栓和壓梁,將地梁固定在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的地面；同時(shí)為防止在加載過程中試件產(chǎn)生水平位移，采用機(jī)械千斤頂擠壓地梁的兩端的橫截面，同時(shí)壓試件地梁兩端的機(jī)械千斤頂，防止試件在施加水平力時(shí)發(fā)生移動(dòng)。

由圖3可知，有限元分析得到的曲線，初始剛度較大，導(dǎo)致屈服位移減小，這是因?yàn)槟M時(shí)將混凝土視為連續(xù)均勻的材質(zhì)，而實(shí)際是非均勻材料，且試驗(yàn)儀器與構(gòu)件間也存在一定的誤差。由表1數(shù)據(jù)可知，剪力墻各個(gè)特征點(diǎn)的數(shù)值與試驗(yàn)相差在11%以內(nèi)，模擬的荷載-位移曲線與原試驗(yàn)中的曲線吻合較好，整體變化趨勢(shì)相同，因此認(rèn)為數(shù)值模型的建立是有效的，能夠模擬豎縫中空剪力墻在地震作用下的受力。

2.3 數(shù)值模擬試件設(shè)計(jì)與參數(shù)

為研究墻體抗震性能與縫間墻高寬比(n)的關(guān)系，將墻體模型以縫間墻高寬比為變量，標(biāo)號(hào)為ZW1 、ZW2 、ZW3 、ZW4。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，進(jìn)行剪力墻墻體尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算，墻體尺寸為1 650 mm×2 600 mm×200 mm，加載梁尺寸設(shè)計(jì)為1 650 mm×400 mm×250 mm，地梁尺寸為2 850 mm×450 mm×400 mm，其中單塊矩形中空孔洞尺寸為1 000 mm×2 600 mm×50 mm,配筋及構(gòu)造要求參照規(guī)范確定[9]，具體見表2，豎縫條數(shù)及尺寸見表3，剪力墻數(shù)值模型中所有的鋼筋均選用HRB400鋼筋， 質(zhì)量密度為7 800 kg/m3，鋼筋均采用三級(jí)鋼。假定鋼筋受拉彈性模量與受壓彈性模量相等，均為2×105MPa；為準(zhǔn)確模擬模型低周反復(fù)加載下的響應(yīng)，取C30級(jí)混凝土的彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2，鋼筋的力學(xué)性能見表4，圖4為裝配式豎縫中空剪力墻的墻體配筋圖，中間為貫穿墻體的豎縫，豎縫周鋼筋加固按照規(guī)范進(jìn)行。

圖4 ZW4墻體配筋詳圖Fig.4 Detailed drawing of reinforcement of ZW4 shear wall

表2 模型具體參數(shù)Table 2 Model specific parameters

表3 剪力墻豎縫尺寸Table 3 Vertical seam hollow shear wall

表4 鋼筋力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of reinforcement bars

2.4 單元選取和本構(gòu)關(guān)系

混凝土采用C3D8R單元，鋼筋選用T3D2單元，有限元軟件中，混凝土損傷塑性模型是假定其因各向同性的壓碎和拉裂而導(dǎo)致的連續(xù)損傷模型。

根據(jù)規(guī)范[9]規(guī)定，確定混凝土的受壓和拉伸的損傷因子dc以及dt，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙斜線模型。

(2)

(3)

混凝土受壓損傷因子dc和受拉損傷因子dt與開裂應(yīng)變?chǔ)舏n的關(guān)系圖5、圖6所示。

圖5 dc與的關(guān)系Fig.5 Relationship of dc and

圖6 dt與的關(guān)系Fig.6 Relationship of dt and

2.5 加載制度

模型受到豎向荷載和水平荷載的同時(shí)作用，根據(jù)軸壓比計(jì)算出的豎向荷載換算成均布荷載來模擬試驗(yàn)中的豎向力；水平位移加載采用分級(jí)式加載，加載全程共12級(jí)，位移加載幅值初級(jí)為5、10、15 mm，并由此類推，每增加一級(jí)增加 5 mm，最大位移加載到60 mm，每級(jí)加載循環(huán)兩次。具體加載制度如圖7所示。

圖7 加載制度示意圖Fig.7 Schematic diagram of loading system

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與墻體抗震性能分析

3.1 滯回曲線

四片墻體滯回曲線如圖8所示，可知：

圖8 四片墻體滯回曲線Fig.8 Hysteresis curves of shear wall

(1)四片墻體的滯回曲線沒有捏縮，不同豎縫形式墻體滯回曲線形狀一致，相對(duì)飽滿，說明裝配式豎縫中空剪力墻是耗能較好的墻體。

(2)滯回曲線的飽滿程度隨墻體比值n的增大而提升；滯回曲線飽滿程度越高，說明墻體中鋼筋與混凝土協(xié)同性越強(qiáng)，墻體耗能能力越好。

3.2 骨架曲線

墻體模型骨架曲線對(duì)比如圖9所示。加載后期，墻體逐漸屈服，曲線沒有明顯的峰值點(diǎn)；墻體承載力隨比值n的增加而降低，但承載力下降速率緩慢，表明豎縫中空墻體在彈塑性階段有較強(qiáng)的變形能力。

圖9 剪力墻骨架曲線Fig.9 Shear wall skeleton curve

3.3 耗能與等效黏滯阻尼系數(shù)

耗能能力是評(píng)判結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的主要指標(biāo)[11]，用荷載-位移曲線所包圍的面積來表示。一般采用等效黏滯阻尼系數(shù)(he)對(duì)耗能能力進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算公式為

(4)

等效黏滯阻尼系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示，經(jīng)計(jì)算得到的阻尼系數(shù)隨墻體縫間墻高寬比變化如圖11所示。

圖10 等效黏滯阻尼系數(shù)示意圖Fig.10 Equivalent viscous damping coefficient

圖11 剪力墻等效黏滯阻尼系數(shù)Fig.11 Viscous damping coefficient curve of shear wall

通過黏滯性阻尼系數(shù)對(duì)比圖，可知：每片剪力墻的耗能能力都很好，墻體的等效黏滯阻尼系數(shù)隨縫間墻高寬比(n)的增大而變大，原因是豎縫的設(shè)置改變墻體的受力形式，從而改善了墻體的延性；說明縫間墻高寬比通過影響結(jié)構(gòu)的受力形式，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的延性，延性越好，耗能能力越強(qiáng)。

3.4 剛度退化

為研究墻體在低周反復(fù)加載作用下的剛度退化特性，一般用平均剛度Ki來評(píng)定，即

(5)

式(5)中：Pi、Δi分別為第i次加載所達(dá)到的最大荷載以及相應(yīng)的最大位移，四片墻體剛度退化曲線對(duì)比如圖12所示，可以得出:

圖12 剪力墻剛度退化曲線Fig.12 Stiffness degradation curve of shear wall

(1)加載初期，ZW1初始剛度較大，ZW4初始剛度最小，ZW2與ZW3墻體剛度接近，表明縫間墻高寬比影響墻體的初始剛度。

(2)在加載過程中，ZW1剛度退化最快，ZW4剛度退化最慢，說明縫間墻高寬比越大，剛度退越緩慢。

3.5 墻體的延性性能分析

為研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性，選取位移延性為指標(biāo)，具體公式為

(6)

式(6)中：Δu表示極限變形；Δy表示屈服變形。各剪力墻的位移特性以及延性系數(shù)如表5所示。

表5 模型特征點(diǎn)參數(shù)Table 5 Feature point parameters

分析表5數(shù)據(jù)得到：①墻體的屈服荷載隨墻體比值n的增大而降低；②墻體的延性隨著縫間墻的高寬比的增加而增大。說明墻體從明顯屈服到極限荷載有較長(zhǎng)的發(fā)展過程和較好的變形能力，有利于墻體達(dá)到“大震不倒”的效果。

4 結(jié)論

研究利用數(shù)值模擬的方法，研究不同縫間墻高寬比對(duì)豎縫中空剪力墻抗震性能的影響，得出以下結(jié)論。

(1)縫間墻高寬比影響墻體的耗能能力，即增大縫間墻高寬比，耗能能力提升。

(2)縫間墻高寬比增大，削弱了墻體的剛度，同時(shí)減緩了剛度退化速度。

(3)豎縫的設(shè)置影響墻體的破壞形態(tài)，改善了墻體的延性，提高了墻體的抗震性能。

因此，在保證墻體承載力前提下，選擇縫間墻高寬比較大的剪力墻，抗震性能更好。