既有剪力墻開洞受力性能模擬研究

■郭春立，楊代星，李 慶，全江偉

■1.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000;2.鄭州市瑞杰結構加固工程有限公司，河南 鄭州 450000

在對既有建筑物的改造工程中，往往會由于業主對建筑的功能要求，需對剪力墻開洞，將很大程度上降低原剪力墻的承載能力。目前，在實際工程中出現的剪力墻開洞問題越來越多，關于剪力墻開洞后的加固方法較少［1，2］，所以對既有剪力墻開洞的受力性能進行研究，已很有必要。本文針對不同開洞大小的剪力墻，運用ANSYS 建立有限元模型，著重研究剪力墻開洞后的受力性能，為采用合理的加固方法做準備。

1 剪力墻開洞有限元模型的設計

根據不同剪力墻開洞大小進行有限元模擬。具體尺寸見下表1 所示。

表1 Q1 類開洞剪力墻參數

2 剪力墻開洞有限元模型的建立

2.1 選取單元類型

有限元模型選用整體式建模的方法，鋼筋混凝土采用ANSYS 中特有的SOLID65 帶筋單元模擬，加載梁在ANSYS 有限元分析中采用SOLID45 單元來模擬［3，4］。

2.2 選取材料模型

(1)混凝土的本構關系。混凝土單軸應力應變關系上升段采用文獻［5］規定的公式，下降段則采用Hongnestad 的處理方法，此處采用多線性等向強化模型MISO 來模擬;混凝土采用C30，抗壓強度設計值為14.3MPa，抗拉強度取1.43MPa，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，張開裂縫的剪力傳遞系數0.125，閉合裂縫的剪力傳遞系數0.9，拉應力釋放系數采用系統缺省值0.6［6、7、8］。

(2)鋼筋的本構關系。暗柱縱筋、箍筋及墻體豎向和水平鋼筋均采用HRB400 級鋼筋，鋼筋采用TISO 雙線性等向強化來模擬，彈性模量取200000MPa，屈服強度為360MPa，泊松比為0.3。為了避免加載梁出現局部破壞，其材料屬性同鋼筋的屬性。

2.3 建立幾何模型

本文的剪力墻建模采用整體式模型，將鋼筋連續均勻分布于整個單元SOLID65 中，它綜合了混凝土與鋼筋對剛度的貢獻，可以通過參數設定鋼筋分布情況。

3 有限元結果分析

3.1 開洞前后剪力墻的裂縫發展情況

本文以開洞大小為2mx3m、3mx3m 為例進行說明。

圖1 Q1 -KD2x3 裂縫發展情況

圖2 Q1 -KD3x3 裂縫發展情況

Q1 -KD2 ×3 最初裂縫發生在洞口的左上角;隨著荷載的增大，裂縫在洞口的左上角逐漸沿豎直方向向上延伸，然后貫通整個連梁，同時在左端墻肢底部、洞口右下角出現水平裂縫;最后，在洞口的左上角出現較多的斜裂縫，開裂比較嚴重。Q1 -KD3 ×3 僅在豎向荷載作用下，連梁中部就發生開裂;隨著水平荷載與豎向荷載的增大，連梁中部的裂縫沿豎直方向向上延伸，且出現大量的豎向裂縫，同時在左端墻肢底部、洞口右下角出現水平裂縫;最后，在連梁中部出現大量的豎向裂縫及斜裂縫，在洞口的左上角出現較多的豎向裂縫和向左45°的斜裂縫，左端墻肢底部出現水平裂縫，洞口右下角出現斜裂縫。

3.2 開洞剪力墻荷載位移分析

表2 在軸壓比為0.07 時，不同開洞剪力墻的極限荷載和UX 數據表

通過上表2，我們可以很直觀地看出，隨著洞口的增大，剪力墻的承載力逐漸減小，位移不斷增大，在實際工程中，開洞率36%以上時，按照《高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3 -2010》中的3.7.5 條規定，查得剪力墻結構的層間彈塑性位移角限值為1/120，經計算后，=35mm，已經超過了規范的要求，必須采取加固措施，以限制側移及提高開洞剪力墻的承載力。

4 結論

(1)Q1 類墻體，當開洞率在0～24%裂縫基本上都發生左端墻肢底部及洞口左上角、洞口右下角;當開洞率在25%以上，裂縫基本上發生在連梁的中部及洞口左上角、洞口右下角，左端墻肢底部;

(2)隨著剪力墻開洞尺寸的增大，剪力墻的承載力逐漸減小，水平位移不斷增大，當開洞率為36%及以上時，超過規范要求，必須采取加固措施。

［1］GB50367 -2013.混凝土結構加固設計規范［S］.

［2］11G311 -1.混凝土結構加固構造［S］.

［3］王新敏.ANSYS 工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.480～487.

［4］博弈創作室編著.ANSYS7.0 基礎教程與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.70～76.

［5］GB50010 -2010，混凝土結構設計規范［S］.

［6］JGJ3 -2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［7］趙更歧，肖水，李慶，全江偉，馬新法.既有剪力墻開洞RC 支撐加固模擬研究［J］.工程抗震與加固改造，2014，36(5):90～94.

［8］趙更歧，李慶，全江偉.某既有剪力墻開洞粘鋼加固方法研究［J］.鄭州大學學報(工學版)，2014，(5):25～28.