低層裝配式豎縫中空剪力墻抗震性能

申彥利, 石佩云

(1.河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056000； 2.河北省裝配式結構技術研究中心，邯鄲 056000)

近年來，隨著中國產業結構的調整和相關政策的出臺，傳統的建筑方式面臨革新，建筑產業化成為行業熱點，大力推廣裝配式建筑是實現產業化的途徑之一。在裝配式結構形式中，裝配式剪力墻結構占據裝配式結構的90%[1]，改善傳統裝配式剪力墻結構的抗震性能，成為學者研究的熱點之一。

為改善其受力性能，相關學者做了許多有益的嘗試，如組合耗能填充剪力墻[2]、搖擺耗能剪力墻[3]等。對于相同受力形式的構件也作了改進，范棟鑫等[4]通過對帶有橫槽的橋墩進行抗震性能分析，結果表明，帶有直槽的橋墩抗震性能及受力性能較好，說明帶有橫縫的橋墩可以有良好的耗能性能；王宇亮等[5]研究了采用阻尼器連接的豎縫剪力墻在低周反復加載下抗震性能，結果表明阻尼器在受力過程中進行耗能，承載力與現澆結構相差不大；秦士宏等[6]對豎向拼縫剪力墻抗震性能進行研究，試驗結果表明豎向拼接縫對于構件的延性及耗能有顯著的提升。目前，對于裝配式結構的研究多為構件之間的連接方式，或者利用外加阻尼器進行耗能研究，成本較高，而對于利用構件自身改變抗震性能，少有學者研究，不夠系統完善，因此，在前人的研究基礎上，提出了新型裝配式豎縫中空剪力墻為驗證新型裝配式豎縫中空剪力墻的抗震性能，通過有限元軟件研究不同縫間墻高寬比對墻體抗震性能的影響，為該類結構體系提供設計依據。

1 低層裝配式豎縫中空剪力墻的構造

為了進一步研究抗震性能更優的低層裝配式剪力墻，本文提出了裝配式豎縫中空剪力墻結構，這種形式的裝配式剪力墻構造如圖1所示。

圖1 裝配式豎縫中空剪力墻示意圖Fig.1 Detailed of assembled vertical seam hollow shear wall

(1)墻體中有單塊矩形孔洞，即去除實心墻體墻身的部分混凝土，矩形孔洞居中布置，減少了墻體的自重，進而減少結構在地震中吸收的能量。

(2)在墻體的前后設有貫穿的人工豎縫，將整塊墻體分成若干小墻肢。

(3)墻體的端部設有邊緣構件暗柱，暗柱的設置可以減小墻體的剛度退化。

剪力墻中間的矩形孔洞以及豎縫間放入保溫板，不僅可以減少墻體熱傳導，使墻體具有一定的節能效果，還加快了施工速度，單塊矩形孔洞周圍兩側雙向布筋，開縫處鋼筋按照規范進行加固處理。

2 數值模型

2.1 模型計算簡圖及基本假定

利用有限元軟件建立了4片縫間墻高寬比分別為3、4、6、8的裝配式豎縫中空剪力墻數值模型，為墻體分析對比簡潔明確，設定豎縫的高度h與豎縫間距b的比值為n，即

(1)

運用有限元軟件進行豎縫中空剪力墻模型在低周反復荷載下的數值模擬對比，計算模型如圖2所示。模型由加載梁、墻體以及地梁三部分組成，墻體下端固定，墻體的豎向分布筋直接錨固在加載梁和地梁中，最后澆筑混凝土，使三者融為一體,對計算模型做了如下假定。

圖2 裝配式豎縫中空剪力墻計算模型Fig.2 Calculation sketch of assembled vertical seam hollow shear wall

(1)將墻體上部豎向荷載和水平位移荷載簡化為集中荷載作用于墻體頂部的加載梁。

(2)加載梁、墻體與地梁之間采用剛性連接，地梁與地面完全固定。

(3)不考慮結構的二階效應。

2.2 模型有效性驗證

為驗證模型的有效性，以文獻[7]中的一片實心剪力墻為參考，通過對模型進行低周反復加載，得到模型與原試驗的荷載-位移曲線對比如圖3所示,各個階段特征參數數值對比如表1所示。

表1 數值模擬和試驗結果特征參數對比Table 1 Feature point paramerers of comparison of numerical simulationand test results

圖3 試驗與數值模擬荷載-位移曲線對比Fig.3 Comparison of simulation and test results of shear wall load displacement curve

實測數據是利用豎向加載裝置帶有反力橫梁、豎向液壓千斤頂、千斤頂與反向橫梁之間的滑板和分配梁等所測得。固定墻體采用地錨螺栓和壓梁,將地梁固定在結構實驗室的地面；同時為防止在加載過程中試件產生水平位移，采用機械千斤頂擠壓地梁的兩端的橫截面，同時壓試件地梁兩端的機械千斤頂，防止試件在施加水平力時發生移動。

由圖3可知，有限元分析得到的曲線，初始剛度較大，導致屈服位移減小，這是因為模擬時將混凝土視為連續均勻的材質，而實際是非均勻材料，且試驗儀器與構件間也存在一定的誤差。由表1數據可知，剪力墻各個特征點的數值與試驗相差在11%以內，模擬的荷載-位移曲線與原試驗中的曲線吻合較好，整體變化趨勢相同，因此認為數值模型的建立是有效的，能夠模擬豎縫中空剪力墻在地震作用下的受力。

2.3 數值模擬試件設計與參數

為研究墻體抗震性能與縫間墻高寬比(n)的關系，將墻體模型以縫間墻高寬比為變量，標號為ZW1 、ZW2 、ZW3 、ZW4。根據《建筑抗震設計規范》[8]，進行剪力墻墻體尺寸的設計與計算，墻體尺寸為1 650 mm×2 600 mm×200 mm，加載梁尺寸設計為1 650 mm×400 mm×250 mm，地梁尺寸為2 850 mm×450 mm×400 mm，其中單塊矩形中空孔洞尺寸為1 000 mm×2 600 mm×50 mm,配筋及構造要求參照規范確定[9]，具體見表2，豎縫條數及尺寸見表3，剪力墻數值模型中所有的鋼筋均選用HRB400鋼筋， 質量密度為7 800 kg/m3，鋼筋均采用三級鋼。假定鋼筋受拉彈性模量與受壓彈性模量相等，均為2×105MPa；為準確模擬模型低周反復加載下的響應，取C30級混凝土的彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2，鋼筋的力學性能見表4，圖4為裝配式豎縫中空剪力墻的墻體配筋圖，中間為貫穿墻體的豎縫，豎縫周鋼筋加固按照規范進行。

圖4 ZW4墻體配筋詳圖Fig.4 Detailed drawing of reinforcement of ZW4 shear wall

表2 模型具體參數Table 2 Model specific parameters

表3 剪力墻豎縫尺寸Table 3 Vertical seam hollow shear wall

表4 鋼筋力學性能Table 4 Mechanical properties of reinforcement bars

2.4 單元選取和本構關系

混凝土采用C3D8R單元，鋼筋選用T3D2單元，有限元軟件中，混凝土損傷塑性模型是假定其因各向同性的壓碎和拉裂而導致的連續損傷模型。

根據規范[9]規定，確定混凝土的受壓和拉伸的損傷因子dc以及dt，鋼筋本構關系采用雙斜線模型。

(2)

(3)

混凝土受壓損傷因子dc和受拉損傷因子dt與開裂應變εin的關系圖5、圖6所示。

圖5 dc與的關系Fig.5 Relationship of dc and

圖6 dt與的關系Fig.6 Relationship of dt and

2.5 加載制度

模型受到豎向荷載和水平荷載的同時作用，根據軸壓比計算出的豎向荷載換算成均布荷載來模擬試驗中的豎向力；水平位移加載采用分級式加載，加載全程共12級，位移加載幅值初級為5、10、15 mm，并由此類推，每增加一級增加 5 mm，最大位移加載到60 mm，每級加載循環兩次。具體加載制度如圖7所示。

圖7 加載制度示意圖Fig.7 Schematic diagram of loading system

3 數值試驗結果與墻體抗震性能分析

3.1 滯回曲線

四片墻體滯回曲線如圖8所示，可知：

圖8 四片墻體滯回曲線Fig.8 Hysteresis curves of shear wall

(1)四片墻體的滯回曲線沒有捏縮，不同豎縫形式墻體滯回曲線形狀一致，相對飽滿，說明裝配式豎縫中空剪力墻是耗能較好的墻體。

(2)滯回曲線的飽滿程度隨墻體比值n的增大而提升；滯回曲線飽滿程度越高，說明墻體中鋼筋與混凝土協同性越強，墻體耗能能力越好。

3.2 骨架曲線

墻體模型骨架曲線對比如圖9所示。加載后期，墻體逐漸屈服，曲線沒有明顯的峰值點；墻體承載力隨比值n的增加而降低，但承載力下降速率緩慢，表明豎縫中空墻體在彈塑性階段有較強的變形能力。

圖9 剪力墻骨架曲線Fig.9 Shear wall skeleton curve

3.3 耗能與等效黏滯阻尼系數

耗能能力是評判結構或構件抗震性能的主要指標[11]，用荷載-位移曲線所包圍的面積來表示。一般采用等效黏滯阻尼系數(he)對耗能能力進行評定，計算公式為

(4)

等效黏滯阻尼系數計算簡圖如圖10所示，經計算得到的阻尼系數隨墻體縫間墻高寬比變化如圖11所示。

圖10 等效黏滯阻尼系數示意圖Fig.10 Equivalent viscous damping coefficient

圖11 剪力墻等效黏滯阻尼系數Fig.11 Viscous damping coefficient curve of shear wall

通過黏滯性阻尼系數對比圖，可知：每片剪力墻的耗能能力都很好，墻體的等效黏滯阻尼系數隨縫間墻高寬比(n)的增大而變大，原因是豎縫的設置改變墻體的受力形式，從而改善了墻體的延性；說明縫間墻高寬比通過影響結構的受力形式，進而影響結構的延性，延性越好，耗能能力越強。

3.4 剛度退化

為研究墻體在低周反復加載作用下的剛度退化特性，一般用平均剛度Ki來評定，即

(5)

式(5)中：Pi、Δi分別為第i次加載所達到的最大荷載以及相應的最大位移，四片墻體剛度退化曲線對比如圖12所示，可以得出:

圖12 剪力墻剛度退化曲線Fig.12 Stiffness degradation curve of shear wall

(1)加載初期，ZW1初始剛度較大，ZW4初始剛度最小，ZW2與ZW3墻體剛度接近，表明縫間墻高寬比影響墻體的初始剛度。

(2)在加載過程中，ZW1剛度退化最快，ZW4剛度退化最慢，說明縫間墻高寬比越大，剛度退越緩慢。

3.5 墻體的延性性能分析

為研究結構或構件的延性，選取位移延性為指標，具體公式為

(6)

式(6)中：Δu表示極限變形；Δy表示屈服變形。各剪力墻的位移特性以及延性系數如表5所示。

表5 模型特征點參數Table 5 Feature point parameters

分析表5數據得到：①墻體的屈服荷載隨墻體比值n的增大而降低；②墻體的延性隨著縫間墻的高寬比的增加而增大。說明墻體從明顯屈服到極限荷載有較長的發展過程和較好的變形能力，有利于墻體達到“大震不倒”的效果。

4 結論

研究利用數值模擬的方法，研究不同縫間墻高寬比對豎縫中空剪力墻抗震性能的影響，得出以下結論。

(1)縫間墻高寬比影響墻體的耗能能力，即增大縫間墻高寬比，耗能能力提升。

(2)縫間墻高寬比增大，削弱了墻體的剛度，同時減緩了剛度退化速度。

(3)豎縫的設置影響墻體的破壞形態，改善了墻體的延性，提高了墻體的抗震性能。

因此，在保證墻體承載力前提下，選擇縫間墻高寬比較大的剪力墻，抗震性能更好。