不同高寬比疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究*

任姍姍， 鮑 超

(1.安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院，安徽 合肥 230061；2.中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司，江蘇 南京 211100 )

0 引 言

國(guó)外一般將疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)運(yùn)用在非抗震布防地域，故缺少對(duì)其抗震性能的研究。疊合墻板作為高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震構(gòu)件，如何使其抗震性能滿足我國(guó)的抗震規(guī)范要求成為了首要關(guān)注問(wèn)題。楊聯(lián)萍[1]等通過(guò)理論推導(dǎo)與模型驗(yàn)證相結(jié)合的方式證明了在高軸壓比下疊合剪力墻邊緣構(gòu)件采用預(yù)制時(shí)的極限承載力比采用現(xiàn)澆時(shí)要更高。侯和濤[2]等在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了不同軸壓比下新型鋼管混凝土邊緣約束疊合剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻模型，通過(guò)試驗(yàn)破壞過(guò)程與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土邊緣約束疊合剪力墻的承載力隨著軸壓比增大而增大并給出其屈服承載力的計(jì)算方法。張文瑩[3]等在循環(huán)剪切荷載作用下對(duì)疊合剪力墻水平連接處的鋼筋應(yīng)變以及抗剪機(jī)理進(jìn)行了研究分析，并給出了疊合板式剪力墻水平連接處的抗剪承載力計(jì)算公式。董格[4]等經(jīng)過(guò)對(duì)比分析4片疊合板式剪力墻與1片現(xiàn)澆剪力墻用不同水平接縫連接方式在擬靜力試驗(yàn)下的破壞形態(tài)、承載力、強(qiáng)度和延性等，發(fā)現(xiàn)采用豎向連接鋼筋搭接與約束搭接的疊合剪力墻承載力可基本等同于現(xiàn)澆剪力墻，且?guī)Ъs束螺旋筋的試件極限變形能力比不帶約束螺旋筋的剪力墻構(gòu)件更好。通過(guò)有限元軟件ABAQUS模擬六組高寬比不同得疊合板式剪力墻在受低周往復(fù)荷載作用時(shí)的變形性能和破壞形態(tài)，得出不同高寬比對(duì)疊合板式剪力墻的強(qiáng)度、延性以及抗震性能的影響規(guī)律。

1 有限元模擬

1.1 損傷因子

采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](GB50010-2010)給出的混凝土單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)能量等價(jià)原理可以計(jì)算得到損傷因子，損傷因子計(jì)算公式如下：

式中：c，t代表的分別是壓縮和拉伸；εin是混凝土在受拉壓狀況下的非彈性階段應(yīng)變；β是塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受拉時(shí)取0.5～0.95，受壓時(shí)取0.35～0.7；α是混凝土單軸受壓受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線中下降段的參數(shù)值。

1.2 模型參數(shù)

1.2.1 混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

ABAQUS有限元軟件中提供的混凝土本構(gòu)模型有兩種，分別是塑性損傷模型和彌散裂縫模型[6]。為了更好更準(zhǔn)確地反映出混凝土的剛度退化與塑性變形特性，選用塑性損傷模型，其能更好的擬合地震荷載作用下的混凝土變化。混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線參照混凝土規(guī)范附錄C中的單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.2.2 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線

鋼筋本構(gòu)關(guān)系參照規(guī)范附錄C中鋼筋本構(gòu)關(guān)系與準(zhǔn)則，采用雙折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線[8]。

1.2.3 材料性能參數(shù)

剪力墻中混凝土和鋼筋的材料性能參數(shù)參考文獻(xiàn)[7]。

圖1 墻板W-3(單位：mm)

1.3 模型概況

有限元數(shù)值模擬分析中采用六種不同高寬比的疊合墻板，保持墻板高度3000mm不變，改變墻板寬度，由此得出不同高寬比，詳細(xì)見(jiàn)表1所示。

以疊合墻板W-3為例，墻板尺寸為3000mm×1800mm×200mm(高×寬×厚)，剪力墻中其兩邊預(yù)制疊合板厚為50mm，中心層現(xiàn)澆部分厚為100mm，兩端設(shè)置暗柱。剪力墻預(yù)制部分選用C40混凝土，現(xiàn)澆部分選用C30混凝土，受力鋼筋均為HRB400鋼筋(見(jiàn)圖1所示)。再以含有暗柱的W-3為已知配筋，相應(yīng)的得出其他五片剪力墻配筋。

表1 各墻板參數(shù)

1.4 加載制度及邊界約束

剪力墻底端完全固定，在剪力墻頂端施加豎向恒載(按軸壓比0.1確定)，疊合面與現(xiàn)澆面設(shè)置0.6的摩擦因數(shù)[8]，剪力墻上梁側(cè)面施加低周往復(fù)位移，具體的位移加載制度參考文獻(xiàn)[8]。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 墻板破壞特征與形態(tài)

如圖2所示，通過(guò)將試驗(yàn)時(shí)疊合板式剪力墻試件的破壞特征與墻板W-3的模擬結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)二者的裂縫開(kāi)展與破壞形態(tài)基本一致，驗(yàn)證了模型參數(shù)設(shè)置、邊界條件及摩擦因子選取的合理性。

2.2 滯回曲線和骨架曲線

從圖3可知，墻板W-1的承載力相對(duì)其他幾塊墻板而言，明顯偏大，另外五組的承載力雖然變化幅度不大，但也能直觀看出隨著高寬比的增大得到的滯回曲線荷載值在持續(xù)減小。6組剪力墻滯回曲線均比較飽滿，整體耗能表現(xiàn)較好，基本無(wú)捏縮現(xiàn)象；以W-3墻板為例，剛開(kāi)始加載時(shí)，試件產(chǎn)生彈性變形，在滯回曲線上呈現(xiàn)直線，滯回環(huán)面積比較小，骨架曲線也呈線性變化；剪力墻開(kāi)裂后，滯回環(huán)的面積慢慢增大，曲線斜率開(kāi)始逐漸變減小。隨著高寬比的減小，墻板滯回曲線的反力值在逐漸增大，這說(shuō)明剪力墻在高寬比比較大時(shí)，沿水平荷載方向上的剛度越小，承載力也就越小。

2.3 變形能力及承載力

延性能夠反映出構(gòu)件的非彈性變形能力，其對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)體系的抗震性能有著至關(guān)重要的意義。結(jié)構(gòu)在受到地震荷載作用時(shí)，其變形能力越強(qiáng)，則表示結(jié)構(gòu)延性越好，抗震性能也就越好[10]。延性系數(shù)是指剪力墻頂點(diǎn)極限水平位移與屈服時(shí)墻頂點(diǎn)的水平位移的比值，計(jì)算公式如下：

其中：Δμ為極限位移，由于剪力墻以剪切變形為主，骨架曲線下降不明顯，因此以剪力墻中混凝土達(dá)到極限(壓)應(yīng)變值時(shí)對(duì)應(yīng)的位移作為Δμ[11]；

Δy為屈服位移。

計(jì)算得到不同高寬比的延性系數(shù)如表2所示，通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)高寬比在增大時(shí)，延性系數(shù)也在增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)延性越來(lái)越好，對(duì)抗震有利。

表2 不用高寬比下疊合墻板的延性系數(shù)

3 結(jié) 論

1)通過(guò)六塊墻板的破壞特征與形態(tài)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高寬比大2.5時(shí)剪力墻發(fā)生彎曲破壞，高寬比在1.7-2.5之間墻板屬于彎剪破壞，而高寬比小于1.5時(shí)墻板出現(xiàn)剪切破壞。由此可知疊合板式剪力墻的開(kāi)裂方式和破壞特征在其高寬比的變化下表現(xiàn)出明顯差異。隨著高寬比減小，開(kāi)裂方式逐漸從以彎曲開(kāi)裂為主向以剪切開(kāi)裂為主過(guò)渡，破壞模態(tài)也由彎曲破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞。

圖2 不同高寬比下墻板破壞特征與形態(tài)

圖3 墻板W-3滯回曲線與不同高寬比下骨架曲線

2)高寬比比較小的剪力墻墻板在初期加載時(shí)發(fā)生的基本是剪切破壞，承受的是受剪承載力，因此其在承載力上顯著高于高寬比比較大的剪力墻墻板，而具有較大高寬比的剪力墻在加載初期所受的是受彎承載力，故在承載力方面，高寬比越大，承載力越低。

3)綜合對(duì)比分析可知：要使疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件能呈現(xiàn)出最優(yōu)抗震性能，高寬比選在1.7-2.5之間最佳。