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為研究對象，分析其對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對疊合板式剪力墻進行模型分析等方面探討其受力性能的試驗，實踐可知通過對選擇高軸壓比的設(shè)計方式能夠全面地提升整體性能，對于改進疊合剪力墻的極限承載性能更具優(yōu)勢，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：TU398+.2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）03-0069-02

目前，建筑工程項目中所應(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，后者在當前的建筑工程施工項目應(yīng)用最為普遍，主要是因為其施工效率非常高且方便，可以在更大范圍內(nèi)推廣使用。當前我國的建筑領(lǐng)域針對疊合剪力墻展開了深入研究，但是針對其結(jié)構(gòu)形式的研究比較少。下面主要針對OpenSEES程序來對邊緣構(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，然后分步進行混凝土澆筑施工，此時需要注意的是澆筑完一側(cè)就需要立即養(yǎng)護施工，才能開始另外一側(cè)的澆筑施工，全部澆筑且完成養(yǎng)護處理之后，才能運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行存放。改進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，整個結(jié)構(gòu)中的桁架鋼筋可以連接各個部件，同時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 對疊合板式剪力墻進行模型分析

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到的效果，Orakcal 正式提出了進行模型分析，主要是利用垂直單元模型內(nèi)部加入了轉(zhuǎn)動彈簧的方式來提升其結(jié)構(gòu)的抗剪性能[1]。此時所應(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方面性能，反映出實際應(yīng)用效果。

2.1.3截面模型

Orakcalet al. 在 OpenSEES 模型中加入了一個“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)形式來進行性能分析。

2.1.3分析結(jié)果

剪力墻高度方向中總計含有10單元，任何一個單元都包含了15個條帶。在進行性能分析的過程中，主要按照如下進行：第一在結(jié)構(gòu)中加入豎向壓力，按照十個載荷分別進行施壓[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，對于剛度模型的部分需要將其分成若干個部分，在所有的部分中截面位移都需要經(jīng)過3次Hermit 多項式差值求得，利用線性方法可以得到準確的數(shù)據(jù)參數(shù)，會受到3次差值函數(shù)的影響，在不能準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行分析;對于柔度模型來說，需要將整體部分分成若干單元，每個單元都利用線性差值計算得出，在進行彎梁模擬時就能夠滿足更好的收斂效果，同時還能夠準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度指標，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)與纖維截面部分對于變形所產(chǎn)生的影響。為了能夠準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軸壓比之后來進行反復(fù)載荷作用之下其荷載性能會持續(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，此時保證與W-3中的鋼筋直徑保持一致。改進完成之后，測定其極限承載性能達到了387.4 kN，而未改進時則為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，再次進行模擬性能檢測，發(fā)現(xiàn)其承載極限達到了444 kN，較之未改進時提升了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)制疊合強高軸壓比中所具備的承載性能優(yōu)勢，以此為基礎(chǔ)再分析整個結(jié)構(gòu)所具備的抗震性能是否能夠達到要求。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。此時的構(gòu)件需要達到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、三級配筋率分別為1.2%、1.0%和1.0%。而試件W-3中所設(shè)計的邊緣構(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。在未改進的W-3結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，因為桁架鋼筋部分進行結(jié)構(gòu)改變是無法達到性能的要求。而改進之后的結(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)需要來進行改動。因此，對于改進之后的W-3構(gòu)件的配筋狀況進行適當?shù)母膭?，可以將邊緣?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。

經(jīng)過具體的參數(shù)分析可以確定，在改進之后的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)計方式能夠全面地提升整體性能，對于改進疊合剪力墻的極限承載性能更具優(yōu)勢，可以在大范圍內(nèi)推廣使用。

參考文獻：

[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研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（07）：156-163.

[2]趙勇，鄒仁博，張之璞.配置高強鋼筋的新舊混凝土結(jié)合面直剪試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36（S2）：346-353.