■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。
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
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]。
(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。
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。
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。

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。
(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.