后开洞自复位剪力墙及加固力学性能模拟分析

王中强，刘政怡

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

我国是一个震害频发的国家， 确保建筑结构在强烈地震作用后能快速恢复其基本使用功能是当前抗震的重要研究理念。 自复位剪力墙通过预应力筋提供恢复力，震后可以达到低震损甚至无震损的状态。 周颖等学者[1]总结了国内外摇摆及自复位结构的发展进程，论述了不同摇摆结构的作用机理和研究现状。胡晓斌等[2]通过将自复位墙体简化为刚体，推导出滞回曲线的各特征点表达式。 党像梁等[4-5]利用有限元分析软件ABAQUS 对自复位剪力墙进行数值模拟，对建模过程进行了详细的介绍，其建模结果与实验数据吻合良好。

考虑建筑结构为满足生产生活需要，有时需对建成结构墙体进行开洞，开洞后结构的力学性能及抗震性能被削弱，粘钢加固作为常用的加固方式之一，其加固效果显著且操作简单、经济实惠。 本文采用ABAQUS 建立五种自复位剪力墙模型，研究不同开洞位置对自复位剪力墙的性能影响及粘钢加固的效果。

1 有限元模型的建立

本文在参考文献[3]的模型上进行后开洞及加固处理，在原模型ZFW0 的基础上建立了自复位剪力墙中部后开洞模型ZFW1 以及上部后开洞模型ZFW2，并分别以4mm 厚、250mm 宽的钢板对两类开洞模型的洞口周边进行粘贴加固。 两类开洞剪力墙除洞口位置外配筋及尺寸均相同：墙体高3300mm，宽2500mm，厚200mm，洞口大小为1100mm×900mm，开洞率为12%，自复位剪力墙开洞前后及加固模型如图1 所示。 沿墙高和墙宽方向均设置间隔为200mm 的10 钢筋，墙体两端分别设置16 的受力筋，箍筋设为6@150，且在距离墙趾底部500mm 处开始加固为6@50。两根预应力筋由7 股钢绞线组成，公称面积为98.7mm2，间距为2000mm。 耗能钢筋为间距1000mm 的22 钢筋。 模型开洞前后及加固设计参数见表1。

表1 模型主要设计参数

图1 有限元模型

1.1 材料参数

本文所建剪力墙模型采用C40 混凝土、HRB400 级钢筋、Q235 级钢板。 通过降温法对预应力筋施加预应力并设定其为弹性材料，线膨胀系数定义为1.35E-5，具体参数见表2、表3。

表2 混凝土材料参数

表3 钢筋材料参数

1.2 自复位剪力墙有限元模型

采用ABAQUS 软件建立有限元模型，除钢筋外部件外，均采用实体单元建模，钢筋采用桁架单元。 普通钢筋组成的钢筋笼通过内置区域约束在混凝土内，以实现二者良好的协调变形，即不考虑二者之间的粘结滑移， 预应力筋两端约束在垫块和基础中，在剪力墙体中部则不考虑与混凝土的粘结作用。 加载梁与墙体用tie 约束，墙体和基础之间默认无切线方向滑移，法向方向设置为硬接触，切线方向采用罚函数。 硬接触二者实体部件为实现更好的收敛效果，选用C3D8 单元划分网格，钢筋用T3D2 单元，其余实体部件选用C3D8R 单元。

2 有限元分析

2.1 单调加载

为了分析以上五类剪力墙模型的受力特性，分别对其进行单调加载，加载步幅间隔为1mm，加载时长200s，单调加载制度如图2 所示。在单调加载作用下，五类自复位剪力墙的荷载-位移曲线如图3 所示。 原模型ZFW0 的力学性能整体优于后开洞模型ZFW1、ZFW2 及后开洞4mm 粘钢加固模型ZFW1-4、ZFW2-4。 加载前期各模型荷载-位移曲线变化趋势基本相近， 在位移加载约6mm 处开始出现差异。

图2 单调加载制度

图3 各模型荷载-位移曲线

中部后开洞自复位剪力墙模型（ZFW1）在加载至4.69mm 时进入屈服阶段，荷载逐渐达到峰值294.44kN，而后荷载随位移增加呈下降趋势，剪力墙在极限位移35.73mm 后开始破坏。 经4mm粘钢加固后的中部后开洞自复位剪力墙加固模型（ZFW1-4）屈服位移为10.40mm， 较加固前增大了121.75%， 峰值荷载增加了32.22%，但极限位移及延性系数却有所下降。 屈服前模型ZFW1-4 的塑性性能优于ZFW1，且承载能力更强，屈服后模型ZFW1 的延性更好。

上部后开洞自复位剪力墙模型（ZFW2）在加载至12.40mm 时进入屈服阶段， 经4mm 粘钢加固后的上部后开洞自复位剪力墙模型（ZFW2-4）延性系数较ZFW2 提高了8.43%，最大承载力高出6.28%。

由各模型荷载-位移曲线及其特征值可知： 中部后开洞较上部后开洞对自复位剪力墙整体性影响更大，而中部后开洞模型在4mm 粘钢加固后性能提升效果更加显著（表4）。

表4 结构荷载-位移特征值

为直观分析混凝土的应力变化，在模型加载梁顶部施加水平向右位移，图4 为ZFW0 单调加载下的混凝土应力云图，随加载位移的增大，混凝土破坏范围由墙角逐渐向上延伸，加载至剪力墙极限状态时， 墙体右部及左侧率先破坏。 经图2 单调加载至15mm 时，各模型均已进入受力屈服阶段，混凝土应力云图如图5所示。受开洞影响，ZFW1 及ZFW2 均在洞口对角线处出现应力集中现象，ZFW2-4 的加固效果较ZFW1-4 提升更为明显。 五类模型右侧墙角处均损伤较大，右侧墙角随位移增大会先于墙体洞口发生破坏，而钢板加固能有效延缓墙体受力破坏进程。

图4 ZFW0单调加载过程混凝土应力云图

图5 各模型混凝土应力云图

2.2 滞回加载

滞回曲线反映结构在往复力受力过程中的形变、刚度及能量变化，经过数次荷载循环，荷载-位移曲线形成多个滞回环，典型曲线一般为：梭形、弓形、反S 形和Z 形。其中，以梭形的滞回曲线最为饱满，反映了其良好的塑性变形、抗震和耗能能力，Z 形则反之。 自复位剪力墙墙体在水平荷载作用下可绕中轴发生微小转动，由预应力筋提供恢复力以保证其自复位能力，这种机理使得自复位剪力墙在地震作用后震损及残余变形极小，滞回曲线呈旗形。 为分析洞口位置对自复位剪力墙性能的影响以及粘钢加固的效果，对五类自复位剪力墙模型均进行如图6 所示的滞回制度加载。

图6 滞回加载制度

通过ABAQUS 有限元分析，低周反复加载后的模型滞回曲线如图7 所示。 初始自复位剪力墙模型ZFW0 滞回曲线呈旗形，结构具有良好的自复位性能， 几乎没有残余位移。 而在中部开洞的ZFW1 基本失去了复位能力，曲线出现反S 形的特征，刚度自第五个滞回环起突降， 与ZFW0 相比，承载能力降低、刚度退化明显、残余变形和残余位移较大，整体性能减弱。ZFW1-4 承载能力较未加固前有所提高，在第六个滞回环之前维持了结构的自复位性能，而后墙体刚度退化明显，结构变形和损伤增大， 失去自恢复能力，4mm 粘钢加固在一定程度上维持了中部后开洞自复位墙体的复位性能，延缓了墙体的破坏进程。 上部开洞的ZFW2 模型滞回曲线自第五个滞回环起刚度下降，残余位移随着水平往复力的增加逐渐加大。 ZFW2-4 在卸载后基本消除了残余变形，滞回曲线呈现和基础模型ZFW0 相同的旗形，但滞回环面积与之相比稍小， 耗能能力和抗震性能逊色于ZFW0。ZFW2-4 模型虽不能达到与原始模型完全相同的性能表现，但加固改善的效果明显。 分析开洞位置不同的ZFW1 和ZFW2，ZFW2整体表现更好，ZFW1 的洞口与耗能钢筋距离过近， 可能导致洞口下部左右两侧混凝土应力集中严重，局部损伤过大，影响其整体性能。

图7 各模型滞回曲线

3 结语

通过ABAQUS 有限元软件，分析对比了自复位剪力墙在不同开洞位置及其开洞加固后的力学性能，得出以下结论：

（1） 中部后开洞自复位剪力墙ZFW1 整体性能逊于上部后开洞模型ZFW2，ZFW2 更难进入屈服阶段且自复位能力维持得更久。因此洞口位置应与耗能钢筋保持合适的距离，否则洞口靠近耗能钢筋一侧墙体会产生严重的应力集中现象，加剧结构破坏。

（2） 4mm 粘钢加固模型ZFW1-4、ZFW2-4 整体性能均优于未加固模型ZFW1、ZFW2，说明粘钢加固有效改善了结构的位移延性和承载能力，甚至提高了其自复位性能，延缓了结构破坏进程。