既有剪力墙开洞受力性能模拟研究

■郭春立，杨代星，李 庆，全江伟

■1.郑州大学综合设计研究院有限公司，河南 郑州 450000;2.郑州市瑞杰结构加固工程有限公司，河南 郑州 450000

在对既有建筑物的改造工程中，往往会由于业主对建筑的功能要求，需对剪力墙开洞，将很大程度上降低原剪力墙的承载能力。目前，在实际工程中出现的剪力墙开洞问题越来越多，关于剪力墙开洞后的加固方法较少［1，2］，所以对既有剪力墙开洞的受力性能进行研究，已很有必要。本文针对不同开洞大小的剪力墙，运用ANSYS 建立有限元模型，着重研究剪力墙开洞后的受力性能，为采用合理的加固方法做准备。

1 剪力墙开洞有限元模型的设计

根据不同剪力墙开洞大小进行有限元模拟。具体尺寸见下表1 所示。

表1 Q1 类开洞剪力墙参数

2 剪力墙开洞有限元模型的建立

2.1 选取单元类型

有限元模型选用整体式建模的方法，钢筋混凝土采用ANSYS 中特有的SOLID65 带筋单元模拟，加载梁在ANSYS 有限元分析中采用SOLID45 单元来模拟［3，4］。

2.2 选取材料模型

(1)混凝土的本构关系。混凝土单轴应力应变关系上升段采用文献［5］规定的公式，下降段则采用Hongnestad 的处理方法，此处采用多线性等向强化模型MISO 来模拟;混凝土采用C30，抗压强度设计值为14.3MPa，抗拉强度取1.43MPa，弹性模量为30000MPa，泊松比为0.2，张开裂缝的剪力传递系数0.125，闭合裂缝的剪力传递系数0.9，拉应力释放系数采用系统缺省值0.6［6、7、8］。

(2)钢筋的本构关系。暗柱纵筋、箍筋及墙体竖向和水平钢筋均采用HRB400 级钢筋，钢筋采用TISO 双线性等向强化来模拟，弹性模量取200000MPa，屈服强度为360MPa，泊松比为0.3。为了避免加载梁出现局部破坏，其材料属性同钢筋的属性。

2.3 建立几何模型

本文的剪力墙建模采用整体式模型，将钢筋连续均匀分布于整个单元SOLID65 中，它综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，可以通过参数设定钢筋分布情况。

3 有限元结果分析

3.1 开洞前后剪力墙的裂缝发展情况

本文以开洞大小为2mx3m、3mx3m 为例进行说明。

图1 Q1 -KD2x3 裂缝发展情况

图2 Q1 -KD3x3 裂缝发展情况

Q1 -KD2 ×3 最初裂缝发生在洞口的左上角;随着荷载的增大，裂缝在洞口的左上角逐渐沿竖直方向向上延伸，然后贯通整个连梁，同时在左端墙肢底部、洞口右下角出现水平裂缝;最后，在洞口的左上角出现较多的斜裂缝，开裂比较严重。Q1 -KD3 ×3 仅在竖向荷载作用下，连梁中部就发生开裂;随着水平荷载与竖向荷载的增大，连梁中部的裂缝沿竖直方向向上延伸，且出现大量的竖向裂缝，同时在左端墙肢底部、洞口右下角出现水平裂缝;最后，在连梁中部出现大量的竖向裂缝及斜裂缝，在洞口的左上角出现较多的竖向裂缝和向左45°的斜裂缝，左端墙肢底部出现水平裂缝，洞口右下角出现斜裂缝。

3.2 开洞剪力墙荷载位移分析

表2 在轴压比为0.07 时，不同开洞剪力墙的极限荷载和UX 数据表

通过上表2，我们可以很直观地看出，随着洞口的增大，剪力墙的承载力逐渐减小，位移不断增大，在实际工程中，开洞率36%以上时，按照《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3 -2010》中的3.7.5 条规定，查得剪力墙结构的层间弹塑性位移角限值为1/120，经计算后，=35mm，已经超过了规范的要求，必须采取加固措施，以限制侧移及提高开洞剪力墙的承载力。

4 结论

(1)Q1 类墙体，当开洞率在0～24%裂缝基本上都发生左端墙肢底部及洞口左上角、洞口右下角;当开洞率在25%以上，裂缝基本上发生在连梁的中部及洞口左上角、洞口右下角，左端墙肢底部;

(2)随着剪力墙开洞尺寸的增大，剪力墙的承载力逐渐减小，水平位移不断增大，当开洞率为36%及以上时，超过规范要求，必须采取加固措施。

［1］GB50367 -2013.混凝土结构加固设计规范［S］.

［2］11G311 -1.混凝土结构加固构造［S］.

［3］王新敏.ANSYS 工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.480～487.

［4］博弈创作室编著.ANSYS7.0 基础教程与实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.70～76.

［5］GB50010 -2010，混凝土结构设计规范［S］.

［6］JGJ3 -2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［7］赵更歧，肖水，李庆，全江伟，马新法.既有剪力墙开洞RC 支撑加固模拟研究［J］.工程抗震与加固改造，2014，36(5):90～94.

［8］赵更歧，李庆，全江伟.某既有剪力墙开洞粘钢加固方法研究［J］.郑州大学学报(工学版)，2014，(5):25～28.