嵌入式剪力墙抗震性能有限元分析

姜长吉，林晨隆，孟 欣，宫霄倩，谭俊溪，魏文晖,2

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

目前，我国装配式建筑的发展刚刚起步，主要集中在民用住宅等领域，在技术和经济实用价值上还不能与传统的现浇式混凝土结构相媲美[1]。但是随着国家相应政策的出台，以及建筑产业化的需要，全国各地政府接连出台政策鼓励装配式建筑的发展，给予装配式更多的发展机会。

嵌入式剪力墙，作为“装配式混凝土结构”的一种构件形式，由预制混凝土构件(预制墙板、叠合梁、叠合板)组成并装配成为主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载的构件，其目的是为了减轻结构剪切破坏[2]。传统剪力墙普遍采用钢筋混凝土现浇，与周边梁、柱同时浇筑，整体性好、刚度好，抗震性能良好，是现代建筑产业所采取的主要建造形式。但是，现浇式混凝土结构存在着钢材和水泥用量较大，工序较多，所需人力大，施工受季节环境因素影响大，对环境也会造成影响等缺陷。而装配式结构具有施工周期短，生产效率高，节能环保，节省建造材料，减少施工现场建筑垃圾等特点，总之资源消耗低且环境影响弱，符合我国当今“建筑工业化、住宅产业化”的要求。但是，装配式结构整体性不如现浇式，构件的装配组装是至关重要的一点，需要确保建筑结构达到施工设计的精度要求以及后期性能要求[3]。而嵌入式的装配方式，其结构预留孔洞凹槽，相应结构通过该孔洞凹槽组装连接，是一种新的构件形式，目前对于这种新型墙体的研究还相对较少。

有限元分析是将结构力学分析与计算机技术相结合的一种现代计算方法。对于计算机模拟实验在土木工程方面的应用，相对于具体实际实验中，对某些大型或因经济人力等因素不易重复的实验，其可以利用计算机以定量描述实验变化规律的数学模型为基础，重复实验，既经济同时又能提高实验可信度。虽然计算机模拟实验还存在一些局限性，如精确度受数学模型影响、缺乏实际实验中的一些偶然因素等，但对工程还是有较大的意义和参考性。ANSYS是工程模拟最常用的有限元分析软件之一，广泛地运用于土木工程、机械制造、航空航天、汽车交通等领域。该研究旨在利用通用分析软件ANSYS进行计算及模拟实验，根据新型装配式相关合理设计数据，建立有限元分析模型，并模拟地震载荷作用，对新型嵌入式剪力墙的抗震相关性能进行研究。

1 材料本构模型

建立嵌入式剪力墙有限元模型的准备工作就是为钢筋和混凝土两种材料选取合适的本构模型，其中模型的选取要尽可能地接近钢筋和混凝土材料的受力性能。

1.1 混凝土本构模型

在利用ANSYS软件进行有限元模拟的过程中，混凝土受压破坏准则模型见图1，采用规范表达式即：

当εc≤ε0时，

当ε0≤ε≤εcu时，

式中，σc为混凝土压应变εc时的混凝土压应力；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；ε0为混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变；εcu为正截面的混凝土极限压应变；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值;n为系数。

混凝土受压应力-应变曲线可以采用一系列数据点拟合，便于输入混凝土应力应变曲线，此处采用ANSYS软件材料模型库中的MKIN双线性随动强化准则模拟；混凝土受拉破坏准则采用W-W破坏准则。W-W准则是ANSYS软件材料模型库中用于检查混凝土开裂和压碎的，而混凝土的塑性可以在开裂和压碎之前考虑。

1.2 钢筋本构模型

钢筋本构模型采用弹性强化二折线模型(见图2)，在ANSYS软件中采用BISO双线性等向强化准则模拟。

2 嵌入式剪力墙的有限元模拟

2.1 有限元模型

为研究嵌入式剪力墙抗震性能，实验模型模拟某厂房双柱一榀式嵌入式剪力墙，整体对称，左右两柱400 mm×250 mm×2 400 mm，顶梁350 mm×100 mm×1 500 mm，预制板为厚度50 mm、长1 600 mm且四边为光滑圆角的板。顶梁柱侧预设凹槽深度50 mm以便预制板嵌入装配(见图3)。其配筋按构造配筋，材料特性按表1选用。

进行有限元分析时，采用三维实体模型。在前处理阶段，利用ANSYS对新型嵌入式装配剪力墙进行建模，大致可以分为以下几步：定义单元属性、创建几何模型、网格划分控制、边界接触面条件定义等；后处理阶段包括分析类型定义、荷载定义并加载、计算分析迭代求解、通用后处理等。

2.1.1 单元类型

在ANSYS中，Solid65称为3D加筋混凝土实体单元，用于模拟无筋或加筋的3D实体结构，具有受拉开裂的性能，符合此次模拟的新型装配式剪力墙主要特性，并且其实常数可以模拟钢筋混凝土结构的配筋率，故选择该单元类型建模。

该模型采用CONTA173单元(3D 4节点面面接触单元)，用于描述3D目标面(TARGE170单元)和该单元所定义的变形面之间的接触和滑移状态，能够较好地模拟预制板与柱之间的接触摩擦状态。

2.1.2 边界条件

选取模型的底座底面节点在空间中定义为三个自由度Ux、Uy、Uz都约束，保证后续加载荷载过程中底座在各个方向都不发生位移。

先在左柱和右柱顶面以节点方式均匀施加382 kN的轴向荷载(轴压比0.1)，再在整体模型左上角(左柱上部)施加水平位移荷载[4]。

表1 材料特性

2.2 有限元分析结果

2.2.1 荷载-位移曲线分析

对该一榀三块预制板摩擦系数为1.0、轴压比为0.1的嵌入式剪力墙进行非线性有限元分析计算得荷载-位移曲线如图4所示，曲线较平滑，分别出现弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段等几个阶段。

对上述结构荷载位移曲线分析可知，在荷载达37.5 kN以前，荷载与位移关系接近线性，可视为弹性阶段。当荷载加至37.5 kN时，右柱底部应力达到开裂值，最大应力呈水平分布，表明右柱底部出现裂缝。

由于模拟存在钢筋、混凝土两种材料，弹性阶段后结构刚度变小，荷载增量相同的情况下，定点的位移增量增加，图上呈现为曲线斜率有一定程度减小，可视为结构进入弹塑性阶段(荷载变化约在37.5 kN至112.5 kN)；这时荷载位移曲线出现了平缓的趋势，在荷载增量较小情况下，定点位移增量较大，视为结构进入塑性阶段。

结构在经历过以上两个阶段后，结构到破坏严重，裂缝间距过大，失去耗能能力，结构达到破坏阶段。

2.2.2 板块受力分析

对于2.2.1中一榀三块预制板的实验结果进行分析，采用ANSYS软件中的通用后处理功能绘制板块的变形图以及应力云图(见图5)，图中显示的Mises应力是一种折算应力，根据第四强度理论折算。

由图5中的结构变形分析得到，当结构受到水平地震推力时，嵌入式剪力墙的三块预制板由下到上依次沿水平推力方向错动，并且板块的水平错动位移由下到上也依次增加。

由图5中的应力云图分析得到，三个板块都有共同的受力特点，即板块的左上角和右下角都是板块的主要受力部位，而且应力沿两个对角成带状贯通。

2.2.3 框架受力分析

对于2.2.1中一榀三块预制板的实验结果进行分析，采用ANSYS软件中的通用后处理功能绘制结构框架的变形图以及应力云图(见图6、图7)。

由图6、图7框架应力分布图分析得到：

弹性阶段，首先最先出现裂缝的区域为右柱底部，柱顶出现水平位移，板无明显变形，结构中应力主要集中在柱与顶梁、底梁的连接部位，结构靠边柱抵抗水平推力影响。

在弹塑性阶段，右柱底部裂缝继续发展，左柱内侧中部区域应力值也达到开裂值，开始出现裂缝，故容易使板块与框架发生相对错动。

塑性阶段，右柱应力分布相对左柱不均匀，在右柱底部出现明显应力集中，相对薄弱。柱与顶梁、底梁的连接部位出现较大的应力。结构的承载能力接近极限。

3 抗震性能影响因素模拟分析

3.1 板块数

此次实验模拟采用三块预制墙板，考虑到墙板尺寸对实际工程装配施工时的影响，故探讨板块数量对嵌入式剪力墙结构的影响，此次研究还分别模拟了在轴压比为0.1、摩擦系数为0.8的条件下二、三、四块不同尺寸预制墙板的情况下结构的受力特征。图8显示了不同板块数量情况下荷载-位移曲线，并从中得到不同板块数下结构的承载能力(见表2)。

表2 不同板块数下的极限荷载

一块板与三块板的荷载-位移曲线接近，极限荷载接近，结构受力性能相似，四块板由于结构较分散，整体性差，承受荷载能力明显低于其他组数据。两块板在相同位移下所能承受的荷载均为最大，且极限荷载也为最大。所以对于该结构，两块板性能最为优越。同时绘出结构的极限荷载与板块数量曲线，可以看出结构的极限荷载与板块数量并非线性关系，所以在实际工程中，最佳的板块数量的选择需要根据实际情况而定。

3.2 摩擦系数

装配式结构结合部位的应力传递发生在混凝土与混凝土表面，其传递途径为摩擦和承压，结构在承受荷载后柱凹槽与墙板之间接触更加紧密，两者间的压力增大，相应的界面间的摩擦力也随之增加，剪力传递更加充分，因而结构部件表面摩擦系数是结构的整体受力性能主要影响因素之一。

文中混凝土材料的摩擦系数根据工程经验，设定为0.4，为研究构件表面平整度造成摩擦系数不同从而对结构整体性能的影响，此次研究还分别模拟了在轴压比为0.1、板块数量为三块的条件下的摩擦系数为0.6、0.8、1.0三种情况进行计算分析，荷载加载方式与上文相同。所得荷载位移曲线如图9所示。

随着摩擦系数的增加，结构的极限荷载与极限位移均有所提升，且呈一定线性关系(如表3)，增加至0.8与1.0，两者的受力性能接近，所以在实际工程中，建议适当处理墙板边缘与柱体凹槽表面以增加表面粗糙程度，增大界面之间的摩擦系数，从而改善嵌入式剪力墙的抗震受力性能。

表3 不同摩擦系数下的极限荷载

4 结 论

以墙板与柱之间的墙板数量及摩擦系数为主要变量，对嵌入式剪力墙结构在不同条件下的抗震性能展开研究讨论。通过ANSYS软件有限元模拟分析得出如下结论及建议：

a.研究表明，结构在模拟承受水平推力后，柱与横梁、底梁的连接处出现应力集中，特别是与底梁连接处的混凝土受压区更加突出，这些部位为框架中较为薄弱的部位并较早出现裂缝；对于嵌入的预制板块，最外侧板块较中间板块所承受荷载更大。板块的左上角、右下角出现应力集中，为板块薄弱部位。在实际运用相关结构时应注意结构构件连接处采取加强措施，例如局部采用高强度混凝土、增加局部配筋率等。

b.该新型嵌入式剪力墙在受荷过程中主要分为弹性、塑性和破坏阶段。板块数量对该结构模拟在地震荷载下结构的最大承载力影响显著。针对该结构模型，两块板在相同位移下所能承受的荷载均为最大，性能最为优越。因此嵌入式剪力墙应特别注意板块数量的设置，利用有限元分析或进行相关实验得到最合适的板块数，从而提高嵌入式剪力墙的承载能力。

c.该新型嵌入式剪力墙墙板与柱之间的摩擦系数亦影响结构承载能力。根据有限元分析结果，结构刚度随着墙板与柱之间的摩擦系数增大，并且承载力也同样增大，但达到一定值后趋于稳定。当摩擦系数达到0.8时，结构所能承受的极限荷载达到峰值，结构构件能够更多地消耗地震波传来的能量，抗震性能达到最优。为提高结构抗震性能，在剪力墙构件制作过程中，可以通过一定措施改变构件接触表面粗糙程度或将构件接触界面设置齿槽[5]，调整墙板与柱之间的接触关系。

[1] 张 渊. 预制装配式建筑结构体系改革设计与发展[J].北方建筑，2018(1):25-27.

[2] 闵 东. 嵌入式装配墙体结构抗震性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2016.

[3] 范 力，吕西林，赵 斌. 预制混凝土框架结构抗震性能研究综述[J].结构工程师. 2007(4): 90-97.

[4] 姜新佩，刘启超，付素娟，等. 新型预制装配式混凝土剪力墙水平缝受力性能的数值分析[J].水电能源科学，2016,34(11): 124-128.

[5] 韩 鹏. 装配式剪力墙齿槽式连接关键技术试验研究[D].天津:天津大学,2014.