基于叠合板式剪力墙受力性能分析

    杨文豪

    摘 要：本文以OpenSEES为研究对象，分析其对叠合板式剪力墙受力性能的应用，主要从叠合剪力墙的制作、OpenSEES对叠合板式剪力墙进行模型分析等方面探讨其受力性能的试验，实践可知通过对选择高轴压比的设计方式能够全面地提升整体性能，对于改进叠合剪力墙的极限承载性能更具优势，可以在大范围内推广使用。

    关键词：OpenSEES;叠合板式;剪力墙;受力性能;分析

    中图分类号：TU398+.2? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）03-0069-02

    目前，建筑工程项目中所应用的叠合剪力墙主要包含了两种基本形式，即边缘构件现浇以及边缘构件预制的叠合形式，后者在当前的建筑工程施工项目应用最为普遍，主要是因为其施工效率非常高且方便，可以在更大范围内推广使用。当前我国的建筑领域针对叠合剪力墙展开了深入研究，但是针对其结构形式的研究比较少。下面主要针对OpenSEES程序来对边缘构件叠合剪力墙的结构形式分析其受力状况。

    1 叠合剪力墙的制作过程

    叠合板式剪力墙主要包含了如下过程：首先需要将准备好的受力钢筋与预埋件放置在设备模板上，然后分步进行混凝土浇筑施工，此时需要注意的是浇筑完一侧就需要立即养护施工，才能开始另外一侧的浇筑施工，全部浇筑且完成养护处理之后，才能运输到施工现场进行存放。改进模型主要是利用箍筋与竖向钢筋的结构形式来代替桁架钢筋，整个结构中的桁架钢筋可以连接各个部件，同时还能够保证其整体的均匀受力。由此可见，使用暗柱式的连接形式不但增加了内部钢筋使用量，且能有效提升其整体结构性能。

    2 利用 OpenSEES 对叠合板式剪力墙进行模型分析

    2.1 考虑弯曲—剪切耦合模型

    为了综合分析剪力墙受力过程中的弯曲与剪切相互作用能够达到的效果，Orakcal 正式提出了进行模型分析，主要是利用垂直单元模型内部加入了转动弹簧的方式来提升其结构的抗剪性能[1]。此时所应用的弯剪耦合模型是在 Petrangeli et al. 基础上总结而来的，是在 MVLEM 模型的基础之上，在所有的组合单元中加入了剪切弹簧部分，此时表示其内部受力更加的均衡，是壳单元的性质。

    2.1.1单元模型

    在OpenSEES中使用纤维模型是非常常见的，Orakcalet al.在Displacement -Based Beam-Column基础上进行了部分的改造，从而提出了弯剪耦合模型中的dispBeamColumnInt单元，该单位的主要作用是分析二维加载，不能应用在整体结构的反复载荷作用之下的受力分析。

    2.1.2材料模型

    Orakcalet al.创建了concrete06本构模拟混凝土，concrete06主要是利用了对结构的受压软化参数与受拉硬化参数，可以明确确定上述两个具体参数。受压部分的性能曲线主要是Thorenfeldt-based曲线。结构钢筋则使用的是Steel02 来进行性能分析，Steel02本构是基于Giuffre-Menegotto-Pinto 的所建立的模型形式，可以綜合分析钢筋各个方面性能，反映出实际应用效果。

    2.1.3截面模型

    Orakcalet al. 在 OpenSEES 模型中加入了一个“FiberInt”的修正纤维截面，该截面应用的是很多条带所组成，所有的条带都能够反映出该部分的钢筋与混凝土结构形成，可以通过竖向与水平纤维的结构形式来进行性能分析。

    2.1.3分析结果

    剪力墙高度方向中总计含有10单元，任何一个单元都包含了15个条带。在进行性能分析的过程中，主要按照如下进行：第一在结构中加入竖向压力，按照十个载荷分别进行施压[2];第二加入水平载荷，位移增量设定为0.5mm。

    2.2 纤维截面模型

    OpenSEES中所使用的纤维截面的形式最早是Tauceet al.研发和应用的，是当前应用最为普遍的一种受力分析模型。该模型中，需要在建筑截面中将其分为混凝土纤维与钢筋纤维的组成结构形式，按照该结构的要求将其分成纤维单轴结构形式。

    2.2.1单元模型

    纤维截面模型中主要包含了刚度与柔度两种形式的模型，对于刚度模型的部分需要将其分成若干个部分，在所有的部分中截面位移都需要经过3次Hermit 多项式差值求得，利用线性方法可以得到准确的数据参数，会受到3次差值函数的影响，在不能准确的表述非线性行为中，要想满足数据分析的需要，通常都应该在非弹性的部分中进行分析;对于柔度模型来说，需要将整体部分分成若干单元，每个单元都利用线性差值计算得出，在进行弯梁模拟时就能够满足更好的收敛效果，同时还能够准确地分析非线性参数。

    2.2.2材料模型

    Concrete01的骨架受压曲线主要是利用修正之后的Kent-Park模型，却没有将混凝土受拉性能计算在其中。该结构中的钢筋主要是利用Steel0来模拟。

    2.2.3剪切变形

    由于纤维单元无法确定抗剪强度指标，所以无法确定剪力造成的影响。在 OpenSEES中利用截面组装（Section Aggregator），综合考虑到抗剪本构与纤维截面部分对于变形所产生的影响。为了能够准确分析剪切滞回方面的影响，剪力墙本构分析中使用Hirosawa公式，应用Hysteretic来进行材料性能分析。

    2.2.4分析结果

    沿着剪力墙高度将整体结构分为10个单元的组成形式，在分析中需要经过两步处理：第一需要在系统中加入竖向压力，可以分成十步增加载荷;第二需要加入水平载荷的影响，位移增量设定为5mm。

    从上述分析可以发现，在柔度单元内的0.1轴压比之后来进行反复载荷作用之下其荷载性能会持续下降，经过刚度退化反应可以提升整体效果。叠合构件极限承载性能可以达到412 kN，OpenSEES模拟之后的参数确定为371.8kN，偏差为9.7%。纤维截面中使用0.1轴压比来进行承载性能的确定可以将偏差控制在10%以下，这也就说明了模拟过程中能够准确地反映出滞回性。经过模拟之后，将代替桁架钢筋部分的暗柱直径直接增加到6mm，此时保证与W-3中的钢筋直径保持一致。改进完成之后，测定其极限承载性能达到了387.4 kN，而未改进时则为371.8 kN，二者相差4.2%。将连接部分的暗柱钢筋直径增加到10 mm，再次进行模拟性能检测，发现其承载极限达到了444 kN，较之未改进时提升了19.4%。

    3 高轴压比下分析

    本文主要综合分析了边缘构件中的预制叠合强高轴压比中所具备的承载性能优势，以此为基础再分析整个结构所具备的抗震性能是否能够达到要求。经过分析《高层建筑混凝土结构技术规程》中可以发现，其中的7.2.14条中明确确定，在各级中的轴压比参数要比规定值大的情况下，应该在底部与相邻位置上分别设置约束边缘构件形式。此时的构件需要达到7.2.15中的要求，并且配箍率ρv=λvfc/fyv，经过数据分析确定，一、二、三级配筋率分别为1.2%、1.0%和1.0%。而试件W-3中所设计的边缘构件的配筋率仅为0.39%。W-3剪力墙竖向与横向结构部分的配筋率分别为 0.15%、0.39%。在7.2.17条中有着明确的规定，一、二、三级的竖向与水平配筋率参数都不能小于0.25%的要求。在未改进的W-3结构构件中，因为桁架钢筋部分进行结构改变是无法达到性能的要求。而改进之后的结构形式采用的是暗柱连接的方式，配筋可以根据结构需要来进行改动。因此，对于改进之后的W-3构件的配筋状况进行适当的改动，可以将边缘构件组成部分中的所有竖向钢筋直接都增加到14mm，中间结构部分的钢筋不做任何改动。

    经过具体的参数分析可以确定，在改进之后的W-3构件中，其边缘竖向钢筋的配筋率为1.54%，而横向与竖向的配筋率分别为0.314%、0.5%。从该参数分析可以发现，其可以完全满足了7.2.17条中规定的配筋率不小于0.25%的要求，整体的结构性能达到了规定要求。

    4 结论

    建筑结构中选擇使用箍筋与竖向钢筋的组成结构形式来代替桁架钢筋的形式，可以大大提升结构的承载性能，同时还能够使得抗剪性能得到提升，工程的安全性得到保证;箍筋与竖向钢筋组合而成的暗柱替代桁架钢筋的结构形式，施工非常便捷，施工效率也比较高，将暗柱的直径增加至10mm之后，经过模型分析之后可以确定其极限承载性能可以提升10%以上;选择高轴压比的设计方式能够全面地提升整体性能，对于改进叠合剪力墙的极限承载性能更具优势，可以在大范围内推广使用。

    参考文献：

    [1]王滋军，刘伟庆，叶燕华，孙仁楼，魏威.钢筋混凝土开洞叠合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（07）：156-163.

    [2]赵勇，邹仁博，张之璞.配置高强钢筋的新旧混凝土结合面直剪试验研究[J].建筑结构学报，2015，36（S2）：346-353.