裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

王軼多WANG Yi-duo；王豐慧WANG Feng-hui

（①浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310000；②浙江省一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310000）

0 引言

裝配式鋼板剪力墻本身有著施工效率高、方便運(yùn)輸以及自重較輕等特點(diǎn)，可以更好地同當(dāng)前多樣化、高層化的建筑發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)。我國(guó)部分地區(qū)地震頻發(fā)并有著較高的地震烈度，為了進(jìn)一步保障建筑的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗震性能，而裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效滿足這一要求。

1 裝配式鋼板剪力墻基本原理及研究現(xiàn)狀

1.1 基本原理

裝配式鋼板剪力墻本身是一個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，其能夠有效承擔(dān)起相應(yīng)的水平荷載，在同豎向和水平單元相結(jié)合的基礎(chǔ)上構(gòu)建起整體的結(jié)構(gòu)體系。其主要是通過(guò)對(duì)于連接構(gòu)件和螺栓的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)連接，而在連接單元的約束下便能夠起到承擔(dān)結(jié)構(gòu)水平荷載的效用。裝配式鋼板剪力墻將會(huì)在受到地震力作用時(shí)實(shí)現(xiàn)由水平地震荷載向鋼板拉力、壓力以及剪力的有效轉(zhuǎn)化，受到荷載作用的影響，剪力墻便會(huì)產(chǎn)生屈服，進(jìn)而起到消耗水平地震荷載的作用，構(gòu)建起相應(yīng)的抗震防線，實(shí)現(xiàn)對(duì)于主體結(jié)構(gòu)體系的有效保護(hù)[1]。

1.2 研究現(xiàn)狀

以往的鋼板剪力墻通常會(huì)選用整塊鋼板以構(gòu)建起相應(yīng)的剪力墻，進(jìn)而形成具有抗側(cè)移能力的支撐結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有意識(shí)到鋼板的屈曲作用，嚴(yán)重制約了鋼板剪力墻實(shí)際性能的充分發(fā)揮。在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中，相關(guān)研究人員明確了鋼板屈曲后性能的重要性，并將其應(yīng)用在了航空航天領(lǐng)域。自此，人們開(kāi)始廣泛了解拉力帶承載機(jī)制以及屈曲后性能相關(guān)內(nèi)容，與此同時(shí)，業(yè)內(nèi)針對(duì)鋼板剪力墻所展開(kāi)的探索也逐漸將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了薄鋼板剪力墻上。在薄鋼板剪力墻完成屈曲之后，將會(huì)在邊界連接單元方面產(chǎn)生相對(duì)較大的附加荷載，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致邊界連接單元遭受到一定程度的破壞，應(yīng)當(dāng)在原有的基礎(chǔ)上對(duì)其構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行增加，這樣便可以為剪力墻提供必要的約束力，但其在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)在極大程度上造成結(jié)構(gòu)整體成本的增加。與此同時(shí)，鋼板的屈曲將會(huì)導(dǎo)致剪力墻在滯回曲線中出現(xiàn)捏縮的現(xiàn)象，進(jìn)而造成其耗能降低。未來(lái)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)現(xiàn)有的裝配式鋼板剪力墻展開(kāi)深層次的創(chuàng)新和改進(jìn)工作，以便于有效化解剪力墻在應(yīng)用過(guò)程中所存在的問(wèn)題，進(jìn)而助力建筑領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

2 裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)分析

2.1 工程概況

某地區(qū)裝配式工程屬于住宅項(xiàng)目，采用的是純剪力墻結(jié)構(gòu)形式，地上的主體結(jié)構(gòu)共有17層，總高度是51m，層高是3m，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)是二級(jí)，設(shè)計(jì)使用的年限具體是50年。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防方面，其屬于丙類，該工程場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為8度。剪力墻住宅項(xiàng)目效果圖和實(shí)物圖如圖1、圖2所示。

圖1 剪力墻住宅項(xiàng)目效果圖

圖2 剪力墻住宅項(xiàng)目實(shí)物圖

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 建立模型

此次研究主要是基于YJK軟件所提供的結(jié)構(gòu)，將其導(dǎo)入到有限元當(dāng)中，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)彈塑性分析，導(dǎo)入包括多方面內(nèi)容，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

通過(guò)反復(fù)的測(cè)試和分析發(fā)現(xiàn)，荷載直接影響著質(zhì)量元的選擇。如僅僅是將樓屋面荷載導(dǎo)到周圍量墻上，便會(huì)導(dǎo)致模型剪力忽略樓板的作用，進(jìn)而影響樓板的剛性，應(yīng)用該計(jì)算方法所得出的周期位移結(jié)果欠缺準(zhǔn)確性，所以在導(dǎo)入SAP2000的過(guò)程中，應(yīng)把控模型建立的全面性，以免出現(xiàn)計(jì)算剛度出現(xiàn)較小的問(wèn)題。

在單元間的連接方面，預(yù)制結(jié)構(gòu)墻板處有一定的混凝土，接觸面之間所具有的粘結(jié)強(qiáng)度將會(huì)嚴(yán)重影響裝配式節(jié)點(diǎn)自身的受力情況，所以可以通過(guò)COMBIN39彈簧單元的應(yīng)用模擬混凝土之間粘結(jié)力。為能夠進(jìn)一步提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)人員要在墻頂部和底部分別施加約束，同時(shí)還在板的右側(cè)搭建起一個(gè)剛性區(qū)域，其大小基本上和質(zhì)點(diǎn)相符，這便能夠盡可能避免混凝土在加載過(guò)程中出現(xiàn)被壓縮的現(xiàn)象。試驗(yàn)人員先將豎向荷載施加在墻頂部的位置，其軸壓比是0.15，在此過(guò)程中還要在板的右側(cè)施加荷載，使用位移控制加載[2]。

2.2.2 選擇地震波

為了保障試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，工作人員需要從剪力周期等方面著手選擇地震波，具體指的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)處在彈性時(shí)程分析的情況下，在計(jì)算每一條時(shí)程曲線過(guò)程中，相對(duì)于振型分解反應(yīng)普來(lái)說(shuō)，最終獲得的結(jié)構(gòu)底部剪力，計(jì)算結(jié)果應(yīng)要大于65%，根本目的在于合理控制單挑地震波，保障其選擇的科學(xué)性以及有效性。從本質(zhì)上來(lái)看，地震記錄本身存在著較強(qiáng)的地域性特征，所以若想符合本地區(qū)的實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則采取科學(xué)合理的措施。在選擇地震加速度過(guò)程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮多方面情況，在頻譜特性方面，研究人員需參照規(guī)范針對(duì)單挑地震波的傅里葉普展開(kāi)對(duì)比分析，以保障其能夠在統(tǒng)計(jì)層面達(dá)到一致的狀態(tài)，通常情況下，研究人員應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐膱?chǎng)地條件以及地震情況對(duì)地震波的選擇進(jìn)行確定，盡可能保障其能夠最大限度接近于本地區(qū)的特征周期。研究人員要詳細(xì)探究具體的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上明確有效加速度峰值，針對(duì)不同的地區(qū)而言，所記錄的地質(zhì)在時(shí)程信息峰值方面存在著一定的差異性，為了有效符合地區(qū)特征，應(yīng)當(dāng)結(jié)合各地區(qū)的差異性針對(duì)性地調(diào)整相應(yīng)的峰值。

2.2.3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

內(nèi)嵌鋼板和開(kāi)洞等操作的實(shí)施均會(huì)影響構(gòu)件的結(jié)構(gòu)剛度，與此同時(shí)還會(huì)使結(jié)構(gòu)自振出現(xiàn)變動(dòng)。內(nèi)嵌鋼板所能夠起到的作用基本上同上述要求相一致，如圖4所示，其整體呈現(xiàn)出彎曲型的位移形態(tài)，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)能夠呈現(xiàn)出較為突出的彎剪型性質(zhì)。不同結(jié)構(gòu)前三節(jié)周期和質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示。

圖4 結(jié)構(gòu)1階陣型

表1 不同結(jié)構(gòu)前三節(jié)周期和質(zhì)量參與系數(shù)

根據(jù)表1可知，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)所具有的自振特性來(lái)看，開(kāi)洞會(huì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)本身的自振周期，并且能夠提升結(jié)構(gòu)前三階質(zhì)量參數(shù)與系數(shù)，在完成開(kāi)洞內(nèi)嵌鋼板工作之后，結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量參與系數(shù)能夠可以上升至90%，可以滿足相關(guān)要求[3]。

從能量的角度進(jìn)行分析，裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下所產(chǎn)生的反應(yīng)，需要經(jīng)歷一個(gè)能量從傳入到耗散的過(guò)程。針對(duì)普通結(jié)構(gòu)而言，地震能量將會(huì)由地基基礎(chǔ)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳入，并在構(gòu)件相互作用下的陣型實(shí)現(xiàn)阻尼耗能。工作人員科學(xué)開(kāi)展對(duì)于耗能構(gòu)件的設(shè)置工作可以促進(jìn)結(jié)構(gòu)本身滯回能量的進(jìn)一步提升，以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)安全性的效果。在普通的剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要是利用結(jié)構(gòu)本身的彈性耗能和動(dòng)能實(shí)現(xiàn)能量耗散，可以基本上同地震所輸入的能量相平衡。而在塑性階段便會(huì)降低結(jié)構(gòu)動(dòng)能所在總體中占據(jù)的比例，主要是利用結(jié)構(gòu)的阻尼耗能達(dá)到平衡能量的效果。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)來(lái)說(shuō)，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于滯回能量以及阻尼耗能的有效累積，而變形勢(shì)能以及結(jié)構(gòu)動(dòng)能則可以展現(xiàn)出一定的周期特性。當(dāng)處在特定結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)自振周期以及總質(zhì)量直接受到輸入結(jié)構(gòu)能量的影響，當(dāng)?shù)卣鹩涗洸煌那闆r下，盡管從時(shí)間積累方面來(lái)看，其特定結(jié)構(gòu)的能量輸入存在差異，但其在最終的峰值上則相對(duì)接近。剪力墻結(jié)構(gòu)的耗能部件是整體結(jié)構(gòu)的能量平衡中至關(guān)重要的影響因素之一，若是能夠提升耗能部件本身的耗能能力，便可以降低其上部結(jié)構(gòu)的非彈性變耗能，進(jìn)而減少地震對(duì)于構(gòu)件所造成的損害[4]。低屈服點(diǎn)鋼材的應(yīng)用能夠有效降低剪力墻的屈服荷載，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)屈服破壞，以降低其出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的可能性，公式如下：

該公式中Fer代表的是剪力墻剪切屈服荷載，E則為鋼材的彈性模量，G和t分別是剪切模量以及鋼板剪力墻厚度，η和μ則分別為塑性折減系數(shù)以及泊松比，kv指的是剪力墻屈曲系數(shù)，a和b代表了剪力墻邊界約束構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度。

2.2.4 模型驗(yàn)證

鋼筋混凝土滯回耗能性能的模擬依然存在著諸多的不利因素，業(yè)內(nèi)在這一方面的研究也有極大的整體，結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬程序具體包括開(kāi)源有限元軟件和商業(yè)有限元軟件兩部分。針對(duì)大型通用有限元軟件而言，其大多會(huì)針對(duì)核心計(jì)算部分展開(kāi)更加優(yōu)質(zhì)的封裝工作，以期為更多用戶選擇操作提供方便條件，絕大多數(shù)情況下則會(huì)使用鼠標(biāo)點(diǎn)選的方式建立模型，而針對(duì)那些會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)行為造成影響的材料屬性而言，通常只能夠?qū)浖陨硭峁┑谋緲?gòu)關(guān)系進(jìn)行選擇，所以這些通用有限元軟件大多難以高效應(yīng)用在特殊問(wèn)題上，若想提升其應(yīng)用成效，研究人員應(yīng)當(dāng)對(duì)其展開(kāi)二次開(kāi)發(fā)工作。而類似OpenSees等軟件則是一種開(kāi)源軟件，用戶能夠從自身的實(shí)際需求出發(fā)展開(kāi)編程開(kāi)發(fā)工作，通過(guò)對(duì)于各種編程語(yǔ)言的應(yīng)用對(duì)其具體內(nèi)容進(jìn)行豐富，所以其未來(lái)有著一定的發(fā)展前景。

本研究通過(guò)OpenSees軟件的應(yīng)用展開(kāi)對(duì)于剪力墻構(gòu)件的非線性擬靜力往復(fù)分析工作，在構(gòu)件滯回曲線分析的基礎(chǔ)上明確時(shí)間具體的剛度以及承載力等指標(biāo)，對(duì)于OpenSees軟件來(lái)說(shuō)，其已經(jīng)存在本構(gòu)模型，并且精確度較好，但在實(shí)體單元模擬方面依然存在一定局限性，本文主要是針對(duì)固有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)數(shù)值分析，以實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)證。

試件的截面和厚度分別是1300mm和160mm，將剛性加載梁有效設(shè)置在墻頂之上，并于墻底的位置進(jìn)行地梁設(shè)置，進(jìn)而對(duì)其與剪力墻進(jìn)行澆筑，使其構(gòu)建起一個(gè)整體。

墻體試件混凝土材料的強(qiáng)度是C40，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)確定材料強(qiáng)度是40.2MPa，鋼筋材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)值如表2所示。

表2 鋼筋材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)值

在鋼筋材料本構(gòu)的選取方面，主要包括兩種模型，Steel02模型可以對(duì)各向同性應(yīng)變影響進(jìn)行綜合考慮，能夠更加全面地展現(xiàn)出包辛格效應(yīng)。

而在混凝土材料本構(gòu)方面，混凝土材料自身在拉壓異性以及非線性特性方面比較突出，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析最終的精確性將會(huì)在極大程度上受到來(lái)自混凝土材料本構(gòu)關(guān)系的影響。至今為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有諸多研究人員在該方面進(jìn)行了分析，在通過(guò)多樣化試驗(yàn)構(gòu)建起了不同類型的材料本構(gòu)模型，包括當(dāng)前常用的Kent-Park模型等，又在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了Concrete01與Concrete02本構(gòu)模型。

通過(guò)在試件上施加往復(fù)荷載可以獲取相應(yīng)的滯回曲線，同時(shí)將其同實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間展開(kāi)對(duì)比分析，結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，二者之間基本上吻合，可以充分展現(xiàn)出剪力墻結(jié)構(gòu)剪切捏縮效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)合表3能夠明確，構(gòu)件在峰值荷載以及屈服荷載方面的精度誤差均能夠維持在10%范圍之內(nèi)，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)位移模擬誤差同樣可以與其分析要求相適應(yīng)。因?yàn)閿?shù)值模擬難以充分考慮試件本身的耗能能力，所以在等效粘滯阻尼系數(shù)方面，相對(duì)于試驗(yàn)值來(lái)說(shuō)，有限元結(jié)果比較低。

2.2.5 加載方案

通過(guò)歸納和總結(jié)現(xiàn)有研究能夠得出鋼板剪力墻的形態(tài)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)位移角，然后便可以在此基礎(chǔ)上制定加載方案，本試驗(yàn)所選用的加載方案是依照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》（JGJ/T101-2015）所制定的。具體可以將加載過(guò)程劃分成兩個(gè)部分，其一便是施加低荷載，當(dāng)其層間位移角到達(dá)1/130位置時(shí)，便可以模擬地震出現(xiàn)對(duì)于試件所造成的傷害。其二則是持續(xù)施加荷載，直到試件被破壞[5]。為了能夠明確了解地震發(fā)生后受到損傷的結(jié)構(gòu)所具有的抗震性能，將會(huì)分別設(shè)置受損試件以及修復(fù)試件。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，合理使用裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)能夠推動(dòng)我國(guó)未來(lái)建筑領(lǐng)域的持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展，在建筑中使用該結(jié)構(gòu)可以充分同當(dāng)前綠色建筑發(fā)展理念相適應(yīng)，是我國(guó)建筑未來(lái)轉(zhuǎn)型發(fā)展的趨勢(shì)。裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)本身在抗震性能方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以在高烈度區(qū)域的建筑或者是高層建筑若想提高抗震性能應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)于裝配式鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，以最大限度減少地震災(zāi)害對(duì)于建筑的負(fù)面影響。