干式連接帶洞口裝配式剪力墻抗震性能研究

駱憲宇 歐盈 王剛

針對目前洞口削弱預制墻體結構抗震性能的問題，首先設計制作了一干式連接足尺預制帶肋墻板，對其開展擬靜力試驗，依托試驗結果，通過ABAQUS軟件建立相應的數值模型對比驗證墻板有限元計算方法的有效性，基于此方法，設計了6組干式連接裝配式剪力墻模型開展數值模擬，研究干式連接帶洞口裝配式剪力墻的抗震性能，結果表明：干式連接帶洞口裝配式剪力墻具有較好的延性，洞口形式、洞口偏置、開洞率均會影響墻體結構的承載能力、延性及耗能能力。

干式連接； 裝配式； 剪力墻； 抗震性能

TU311.3 A

［定稿日期］2022-03-16

［基金項目］四川省科技計劃項目（項目編號：2019YJ0221）

［作者簡介］駱憲宇（1987—），男，本科，工程師，一級建造師，從事市政、公路、土地整治工程項目施工工作。

純干式連接裝配式結構指墻、梁、板、柱等所有構件均由工廠預制，運輸至現場拼裝而成的結構，如圖1所示，各構件間均可由螺栓進行拼接組裝，整個施工過程無任何現場濕作業，綠色環保，安全高效。但在該種結構中，為滿足通風采光、疏散通行等建筑使用功能的要求而開設的墻體洞口會破壞預制墻體的整體性，且在洞口處易產生應力集中，削弱墻體結構的抗震性能，增大了結構在地震中的破壞風險［1］。由此可見，在裝配式結構中，對帶洞口剪力墻抗震性能的研究是十分必要的。

本文設計制作了一片采用螺栓連接的足尺預制帶肋墻板，并對其開展了擬靜力試驗，并利用ABAQUS軟件建立該墻板模型對其進行有限元分析，結合試驗結果驗證了墻板模型有限元計算方法的正確性。在此基礎上，完成了6組干式連接裝配式剪力墻結構模型的建立，對帶洞口剪力墻開展了參數分析，研究了開洞形式、洞口偏置及開洞率對干式連接帶洞口裝配式剪力墻抗震性能的影響。

1 計算模型驗證

為研究干式連接帶洞口裝配式剪力墻抗震性能，本文參考現行JGJ 1-2014《裝配式混凝土結構技術規程》［2］和GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》［3］，設計制作了一片足尺預制帶肋墻板，對其開展擬靜力試驗，并采用ABAQUS軟件對該片墻板構件開展相應的數值模擬，通過與試驗結果對比，驗證該墻板的有限元計算方法。

1.1 試驗模型

試驗模型如圖2所示，其中，墻板為全尺寸標準墻板，高度2 700 mm，寬900 mm，肋部厚度120 mm，有效截面厚度70 mm，此外，為更貼近墻板在結構中的受力情況，還設計制作有一矩形混凝土加載梁和一倒 “T”型混凝土基礎，分別置放于墻板的上、下部，再由各構件上的預留孔位直接通過螺栓完成與墻板間的連接。試驗軸力采用豎向千斤頂作用于墻板上部預制梁上施加，千斤頂側面設置傳感器監測軸力大小，控制軸壓比為0.1。試驗采用由位移控制的低周往復加載，位移荷載通過100 t MTS系統液壓伺服作動器水平施加于預制梁上，加載制度如圖3所示，當加載至墻板試件承載力下降到峰值荷載的85%，或墻板試件嚴重破壞，無法繼續進行試驗時，試驗結束。

1.2 計算模型

通過ABAQUS程序建立與試驗一致的單片足尺帶肋墻板模型，如圖4所示，該模型的相關設置列于表1中，加載制度與試驗保持一致。

1.3 對比驗證

本文通過對比墻板構件有限元與試驗的骨架曲線及破壞形態驗證所采用數值計算方法的有效性。圖5為有限元與試驗骨架曲線對比，由圖5可知，正向加載時，有限元曲線與試驗曲線基本吻合，二者的屈服荷載、屈服位移、峰值荷載、

峰值位移、極限荷載、極限位移及初始剛度、剛度退化情況、延性表現等均比較接近，誤差基本控制在10%以內，在試驗曲線中，加載至22 mm左右時，由于千斤頂液壓問題，曲線出現下降拐點，在數值模擬中，各條件設置穩定，故未出現此現象。在負向加載時，由于實際試驗加載中存在墻板下部螺栓松動問題，但螺栓的松動效果不能在ABAQUS模型中得到有效模擬，故模擬結果與試驗結果存在些許差別，數值模擬得到的結果偏大。但從整體來看，上述采用的有限元模型在墻板變形及力學性能上能較好地貼近試驗結果。

圖6為有限元墻板模型在加載至屈服荷載、峰值荷載及極限荷載時對應的壓縮損傷云圖和試驗最終破壞形態，由圖6可知，從屈服點至峰值點再至極限點，有限元模型的壓縮損傷集中于墻板下底部兩側螺栓連接處，逐漸向墻板角部及中部發展，損傷高度不斷擴大，在極限點時，墻板兩側角部與螺栓孔之間的斜三角區域產生嚴重損傷。試驗墻板在破壞形態上，表現為兩側角部混凝土嚴重破壞脫落以及螺栓連接處大量斜裂縫發展，由此可見，上述建立有限元模型的損傷發展過程與試驗過程表現出的破壞形態相符。

綜上，本文利用ABAQUS軟件對該類墻板模型開展擬靜力試驗的有限元計算方法是正確及可行的。

2 帶洞口剪力墻參數分析

將上述模型驗證中墻板編號為W1，除此之外，另設計有2片不同規格尺寸的墻板W2、W3，高度分別為600 mm、1 200 mm，其余寬度、肋部厚度及有效截面厚度等均與W1相同，將3種類型的墻板進行拼裝組合，形成6組不同的干式連接裝配式剪力墻模型C1～C6，其中C1～C3為三墻模型，C4～C6為四墻模型，如圖7所示，相關模型參數列于表2中。

采用上述有限元方法對C1～C6模型分別開展擬靜力分析，對比其在低周往復荷載下的骨架曲線及延性系數、能量耗散系數，分析開洞形式、洞口偏置及開洞率對干式連接帶洞口裝配式剪力墻抗震性能的影響。

2.1 骨架曲線

C1～C6模型的骨架曲線如圖8所示，根據圖8分別對比C1～C3、C4～C6可知：各模型的荷載增長趨勢均相同，帶洞口的C2、C3及C5、C6承載力明顯低于對應的無洞模型C1、C4；在加載初期，三墻或四墻模型中的各組模型初始剛度基本可以保持一致，但曲線自各模型開始進入屈服階段后產生分化，帶洞口墻荷載始終低于無洞墻，且洞口越大越低，表明門洞、窗洞均會降低墻體承載能力，并且開洞率越大，降低效果越顯著；此外，由于C5模型洞口為偏置設計，故曲線在正負加載方向上不對稱，洞口所在側墻體承載力較低。

2.2 延性

C1～C6模型的延性系數如表3所示。

根據表3可知：各組模型計算所得延性系數均在5以上，均具有良好的變形能力；三墻模型C1～C3中，窗洞墻C2延性系數最高，與無洞墻C1相差僅2.6%，門洞墻C3延性系數最低，與無洞墻C1相差32.5%，四墻模型C4～C6中，8%開洞率的偏置窗洞墻C5延性系數最高，與無洞墻C4相差僅6.3%，17%開洞率的窗洞墻C6延性系數最低，與無洞

墻C4相差32.3%，由此可見，在該干式連接裝配式墻體上適當進行開窗洞可略微提升墻體延性表現，分析其原因為窗洞上下部墻體可發生輕微錯動變形，但當洞口類型為門洞時，由于螺栓連接數量的減少，螺栓滑移作用減小，會極大降低墻體的延性，影響墻體的變形能力，此外，過大的開洞率也會導致墻體延性大幅度降低。

2.3 耗能能力

圖9為C1～C6模型耗能曲線對比，由圖9分別對比三墻模型C1～C3、四墻模型C4～C6可知：在加載前期，各模型耗能能力接近，隨著加載位移的增長，各模型的能量耗散系數逐漸增長，其中帶洞墻的增長速度大于無洞墻，且開洞率越大增長越大，這是由于洞口四周應力集中現象明顯，混凝土裂縫開展較多，墻體塑性變形增大，故開洞墻的耗能能力有所增加，且隨著洞口的增大，墻體塑性變形更加明顯，耗能能力進一步提升。

3 結論

本文設計制作了一片足尺預制帶肋墻板，并對其開展了擬靜力試驗，利用ABAQUS軟件建立了相應的試驗有限元模型及6組干式連接裝配式剪力墻模型，對比分析了洞口形式、洞口偏置、開洞率對干式連接帶洞口裝配式剪力墻抗震性能的影響，得出結論：

（1）干式連接帶洞口裝配式剪力墻結構中洞口會明顯降低墻體的承載能力，開洞率越大，墻體承載力降低程度越大。

（2）干式連接帶洞口裝配式剪力墻中洞口偏置會導致墻體受力不對稱，且洞口所在側墻體承載力會降低。

（3）洞口形式、洞口偏置、開洞率均會對干式連接裝配式剪力墻結構延性及耗能能力產生影響，合理的窗洞設計可適量提升墻體延性，增強墻體耗能能力，但若開洞率過大則會導致墻體延性明顯降低。

參考文獻

［1］ 陳建偉，蘇幼坡，龔麗妍，等.裝配式開洞鋼管混凝土剪力墻抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2016，37（S1）：251-260.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 裝配式混凝土結構技術規程： JGJ 1-2014［S］.中國建筑工業出版社，2014.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范： GB50010-2010［S］.中國建筑工業出版社，2010.