鋼筋混凝土空心剪力墻體系抗震性能分析

張樸睿，關群 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著近現代工業技術的不斷發展，人們對于建筑物的模式、種類、風格提出了更多樣、復雜的要求。低碳、環保、節能的理念成為許多行業，尤其是建筑行業的追求目標。混凝土空心剪力墻體系就是在這樣的背景下被提出的一種新型剪力墻體系。

混凝土空心剪力墻是指將典型的鋼筋混凝土剪力墻內部的部分混凝土挖除一部分，形成豎向空心孔洞，從而達到減輕結構自重、減小地震效應與結構剛度、增強結構抗震性能的一種剪力墻結構形式；同時其內部形成密閉的空氣層，還能達到良好的保溫隔熱效果。

針對各類空心剪力墻體系，目前已有大量學者對此開展了研究。楊永哲等對四片不同軸壓比不同、剪跨比的空心剪力墻試件進行低周往復加載試驗，并通過ANSYS有限元軟件對試驗過程進行模擬，其結果表明與實心剪力墻體系相比，空心剪力墻體系承載力以及剛度均有所下降，但空心剪力墻后期剛度更加穩定。彭博等介紹了一組適用于低層建筑的裝配式圓孔剪力墻結構，對其進行受力性能影響因素分析，其結果表明剪跨比和軸壓比對圓孔剪力墻力學性能影響較大，與實心剪力墻相比，圓孔剪力墻結構自振周期長、層間剪力小、剛度小、層間位移大，整體抗震性能良好。王瓊梅等對空心剪力墻進行了縮尺的擬動力試驗研宄，研宄表明空心剪力墻結構在水平地震作用下具有較高的抗震能力，且具有較好的延性。

基于此，本文提出了一組開孔形式為四塊矩形孔的鋼筋混凝土空心剪力墻體系，運用ABAQUS有限元軟件進行滯回模擬，通過對模擬結果的分析，探究方孔空心剪力墻與實心剪力墻的抗震性能對比，以及開孔率對于混凝土空心剪力墻力學性能的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 混凝土材料本構關系

本研究中混凝土的本構關系模型曲線采用Hognestad建議的公式，曲線的上升段為二次拋物線，下降段為斜直線，曲線方程式如式（1）（2）所示，應力應變曲線如圖1所示。混凝土受拉應力應變關系采用上升段斜直線接下降段斜直線的模型，應力應變曲線如圖2所示。

圖1 混凝土受壓應力-應變曲線

圖2 混凝土受拉應力應變曲線

式中：σ，ε分別表示混凝土的應力、應變；σ，ε分別表示混凝土峰值應力及峰值應變，ε為混凝土的極限壓應變。取值：ε=0.002，ε=0.0038。

本文選取ABAQUS軟件中自帶的混凝土塑性損傷模型，該模型需要用戶依次輸入膨脹角、偏心率、雙軸極限抗壓強度與單軸極限抗壓強度之比（f/f）、第二應力不變量在拉伸子午線上取值與在壓縮子午線是取值的比值（K）、粘性系數，由參考文獻 [5]分別取為30、0.1、1.16、0.667、0.001。

1.2 鋼筋本構關系

考慮到試件在低周水平反復加載下達到屈服點之前，近似于理想彈性體，因此在模擬中鋼筋本構關系選用描述彈塑性的雙斜線模型，其應力-應變表達式為：

圖3 鋼筋的應力應變雙斜線模型

1.3 模型算例

為了驗證本文本構關系選取的適用性及參數的有效性，選用文獻[6]中實心剪力墻構件SW-1進行非線性模擬。

文獻[6]試驗的剪力墻構件SW-1配筋及尺寸如圖4所示。剪力墻截面為一字型，剪力墻兩端設置約束邊緣的暗柱構件，墻體厚度為140mm，寬度為1650mm，高度為2600m；邊緣暗柱尺寸為200mm×140mm下部地梁截面為400mm×450mm，每側延伸出墻板外側600mm；加載梁的截面尺寸為250mm×400mm，長度與墻體相同，為1650mm。墻體中所有鋼筋均為HRB400級鋼筋，水平及豎向鋼筋間距均為600mm，軸壓比為0.2。

圖4 SW-1試件尺寸及配筋

試件分析結果對比如圖5，數值模擬計算結果表明，所選取的鋼筋和混凝土本構關系以及建立的模型尚能較好地刻畫試件的受力變形特征，對剪力墻在反復荷載作用下的力學性能模擬精度較高。

圖5 SW-1數值計算結果與試驗結果對比

2 空心剪力墻體系數值模擬

2.1 分析模型試件

為對自重更輕、抗震性能更優、保溫性能更良好的鋼筋混凝土空心剪力墻進行進一步研究，基于文獻[6]設計了三片不同孔洞率的混凝土空心剪力墻。三片剪力墻模型的尺寸及配筋均與SW-1相同，編號分別為 S-1、S-2、S-3。模型中混凝土均選用C30級混凝土，彈性模量E=3×10MPa，泊松比 μ=0.2。模型中選取鋼筋的墻體截面尺寸見表1，截面配筋圖見圖6。

試件參數 表1

圖6 S-1～S-3空心剪力墻截面配筋圖

在此配筋基礎上，利用ABAQUS有限元軟件，通過低周反復加載的方式來模擬地震荷載，以假定的第一振型為基礎，將低周反復循環作用下的位移或荷載施加給研究對象，結構自身周期遠小于每次加載的周期。水平位移反復加載曲線如圖7所示。

圖7 水平荷載反復加載制度

2.2 荷載位移曲線

在低周反復加載試驗中，以構件水平反力和位移為變量，繪制的荷載-位移曲線能有效地反映構件在模擬地震荷載的作用下不同階段的變形性能。

空心剪力墻構件荷載-位移曲線如圖8所示，可以看出，與實心剪力墻相比，空心剪力墻的極限承載力隨著孔洞率的增加略微下降，但從荷載峰值到極限位移所經歷的過程可以看出，空心剪力墻結構具有更強的抗變形能力。

圖8 荷載-位移曲線對比

2.3 延性性能

延性是指結構從屈服到破壞這一階段的變形能力，發生延性破壞時結構達到最大承載力，隨著荷載繼續作用，其承載力緩慢降低并伴隨著較大變形，具有可預見性。

本文采用位移延性系數μ來衡量試件的延性，按式（4）來計算：

式中：Δ為試件的極限位移；Δ為試件的屈服位移。

根據骨架曲線結合“R.Park”法確定結構屈服點，計算的位移延性系數見表2。

位移延性系數對比 表2

由表2可以看出，相對于實心剪力墻，混凝土空心剪力墻具有更好的延性，S-1、S-2與 S-3的位移延性系數較SW-1都有所提高。而隨著空心剪力墻孔洞率的增加，結構的延性性能進一步提高。

3 不同軸壓比下空心剪力墻骨架曲線及延性對比

軸壓比是影響剪力墻抗震性能的主要因素之一。基于以上分析，擬選用空心剪力墻S-1為標準構件，進行不同軸壓比作用下的力學性能模擬，得出試件的延性性能和骨架曲線變化趨勢如表4和圖9所示。

由表3以及圖9可以看出，隨著荷載的增大，模型的剛度退化現象并不明顯。試件軸壓比從0.1增大至0.4的過程中，結構極限承載力逐漸提升，但位移延性系數也隨之降低。說明隨著軸壓比的增大，結構更顯“脆性”，因此在進行結構設計時，應合理控制軸壓比參數。

不同軸壓比下構件延性及承載力 表3

圖9 不同軸壓比下荷載-位移曲線對比

4 結論

通過ABAQUS有限元軟件對混凝土空心剪力墻抗震性能的數值模擬，建立了本構單元模型，分別賦予鋼筋和混凝土合理的本構參數。通過與現有試驗的對比，驗證了模型的適用性，并對空心剪力墻在孔洞率不同的情況下以及軸壓比不同的情況下的抗震性能進行了研究分析，結果表明：

①在ABAQUS中，選擇的混凝土塑性損傷模型和鋼筋的雙折線模型，得出計算結果尚能較好地模擬試驗結果，說明選擇的材料本構關系能較好地模擬混凝土空心剪力墻的抗震性能；

②通過對不同孔洞率剪力墻的模擬及與文獻[6]對比可以得出，在剪力墻中配置空心孔洞能夠有效提高剪力墻的承載能力，并且通過各模型的骨架曲線來看，配置豎向空心孔洞也可以提高結構的延性，使結構具有更好的抗震能力；

③軸壓比對結構的極限承載力有著較為顯著的影響，隨著軸壓比的增大，空心剪力墻承載力均不斷提升，但其延性卻有所下降。在軸壓比從0.1增加到0.3的過程中，延性系數衰減較快，而從0.3增加到0.4的過程中衰減變慢。綜上，在進行結構設計時，應通過結構軸壓比進行合理控制，保證結構的抗震性能。