基于OpenSees的预制剪力墙抗震性能数值分析

潘浩

摘要：为深入研究预制剪力墙的抗震性能，在已有该类试验基础上，采用OpenSees纤维模型法进行数值模拟.结果表明纤维模型法能够较好吻合预制剪力墙试验的受力性能，进而研究试件在不同轴压比下的抗震性能.

关键词：预制剪力墙;纤维模型;OpenSees;抗震性能

中图分类号：TU378.8  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）09-0103-03

装配式建筑是建筑行业主要的发展方向，符合资源节约化发展的要求，在工程项目中应用日益广泛.其中预制剪力墙是装配式建筑主要受力构件，不仅具有工厂化生产、现场拼装方便和节约大量劳动力等优点，同时它还具有与现浇剪力墙相似的整体性，是一种新型的绿色环保结构体系，可以促进住宅产业化进程.

预制剪力墙自从引入国内以来引起我国学者广泛关注.其中王敦等[1]研究了含有接缝连接梁的预制混凝土剪力墙的抗震性能，结果表明预制混凝土剪力墙的破坏模式和承载力与现浇剪力墙基本相同;钱佳茹等[2]研究了不同的竖向钢筋连接方式预制混凝土剪力墙试验，试验结果表明预制剪力墙其各方面抗震性能指标均能够满足结构抗震要求;姜洪斌等[3]研究了预制剪力墙在反复荷载作用下的抗震性能，结果表明预制剪力墙的变形能力和耗能性能得到了提高.连星等[4-7]主要研究了低轴压比下叠合式剪力墙的抗震性能，结果表明在低轴压比下，叠合式的剪力墙的破坏模式、受力和变形过程与现浇剪力墙相似.大量试验结果表明，预制剪力墙具有良好的自复位能力，其承载力与普通现浇剪力墙相当，但在高轴压比下预制剪力墙的研究较少.在相同的工况下，选择参考文献[2]中的TW1试件进行数值模拟，并与实验结果进行比较，验证了其准确性.然后对不同轴压比下预制剪力墙的抗震性能进行了数值模拟研究.

使用有限元方法模拟剪力墻是最常用和最有效的方法之一.本文采用OpenSees软件中的纤维模型方法，对预制剪力墙在低周反复荷载作用下的力学性能进行了模拟，为预制剪力墙结构的研究提供了参考价值.

1 试验概况

1.1 试件设计

试件由三部分组成分别是上部的加载梁、预制墙体和底部的地梁.其中墙体尺寸如下：墙高2800mm，墙长1300mm，厚度200mm.墙体采用全预制浇筑，经实测取平均值其混凝土立方体抗压强度达40.8Mpa，钢筋采用HRB400，具体钢筋实测值如表1所示.其中试件详细尺寸和钢筋配筋图如图1所示.

1.2 试件加载及破坏形式

竖向垂直载荷由液压千斤顶施加，并在试验过程中保持不变.当垂直荷载为500kN时，轴压比为0.12.在水平方向上，由水平助动器施加往复力，逐渐加载直至试件破坏.通过施加水平往复力，随着水平荷载的逐渐增大水平裂缝由墙体下部逐渐向上部开展，并且墙板左右侧水平裂缝开展较为对称，最终破坏为压弯破坏，取得良好的试验效果.

2 数值分析模型

2.1 纤维模型法

在Opensees中，纤维模型将钢筋混凝土剪力墙中的钢筋和混凝土分别分成不同的离散纤维束单元.通过选择合适的钢筋和混凝土本构关系，反映了纤维束的力学性能.纤维模型法可以很好地模拟不同截面形状构件的力学性能，因为同时考虑了轴向力和弯矩的相互作用，具有较高的精度[8].

2.2 混凝土和钢筋本构模型

基于OpenSees软件中有丰富的材料本构参数和对试验的高宽比进行分析后结合实际情况选择了其中的Concrete04混凝土本构模型和Steel02钢筋本构模型.Concrete04模型是Mander[9]提出的模型骨架曲线表达式，其中受压部分的骨架曲线采用的取初始切线刚度EC=5000■（fco单位为MPa），而受拉的骨架线由两段构成，拉应力首先按照斜率为Ec的直线方式增加到峰值拉应力后，再按指数曲线方式进行下降[10]，Concrete04模型应力-应变关系曲线如图2所示.钢筋采用Steel02模型，模型由Menegotto-Pinto修正后的模型，因采用了应变的显函数表达形式而显著提高了计算效率.同时很好地吻合了钢筋反复加载试验结果，也考虑了包兴格效应，该模型如图3所示.

3 试验结果与模拟对比分析

3.1 滞回性能对比

滞回曲线是试件在循环往复力作用下的载荷-位移特性曲线，反映了试件在循环往复力过程中的变形特性、能耗和刚度退化.通过数值模拟和试验对比分析得出两者滞回曲线基本一致.试件加载初期基本成线性变化趋势，随着水平往复力逐渐增大试件水平位移也逐渐提高，残余变形量较小.当水平力达到150KN时试件开始产生裂缝，随水平荷载逐渐增大至300KN时试件最外侧竖向钢筋开始屈服，残余变形量较大.通过对曲线形状的比较，发现两个滞回曲线具有一定的捏缩效应，且形状较为饱满.两个滞回曲线趋势一致，说明纤维模型法可以通过选择合适的钢筋和混凝土本构参数，模拟预制剪力墙在低周往复荷载作用下的抗震性能.

3.2 不同轴压比的骨架曲线和刚度退化性能对比

基于以上对比分析说明纤维模型法能够准确反映预制剪力墙的抗震性能，但试验过程中只进行了低周压比下的抗震性能分析对于不同轴压比的对比分析没有研究.因此通过高效准确的数值模拟方式能够快速得出在其他工况下剪力墙的抗震性能，不仅能够大大减少大量人力物力资源也节省了大量的时间成本.

轴压比是影响剪力墙抗震性能的主要因素之一，图6通过改变轴压比大小由试件试验中的0.12增大至0.60，试件的承载能力也逐渐提高，由337.4KN增大至593.2KN，最大承载力提高了1.76倍，但骨架曲线的初始弹性阶段变化基本一致，轴压比变化对其影响较小.随着轴压比的逐渐增大，在相同水平位移下试件承载力均不断提升.因此，提高轴压比可以提高试件的承载力，但《建筑抗震设计规范》规定一级抗震墙的轴压比不得超过0.4，二级和三级抗震墙不得超过0.6.

通过数值模拟得出试件在不同轴压比下的滞回曲线和骨架曲线分析得出试件刚度退化曲线变化规律如图7所示.不同轴压比下的预制剪力墙刚度退化趋势基本一致，随着轴压比的逐渐增大，在相同水平位移下试件刚度系数均不断增大.试件加载前期刚度退化较快，当水平位移达到35mm时刚度退化速度基本趋于稳定，表明试件具有良好的耗能能力.

4 结论

通过对预制剪力墙抗震性能的数值模拟，建立了纤维单元模型，分别赋予钢筋和混凝土的不同本构参数.通过与现有试验的对比，验证了模型的正确性，并对预制剪力墙在不同轴压比作用下的抗震性能进行了研究，结果表明：

（1）通过OpenSees程序，选择了混凝土Mander模型和钢筋Steel02模型的材料本构关系，其中模拟值与试验值滞回曲线吻合较好，说明所选择的本构参数模型能较好地模拟出预制剪力墙的抗震性能.

（2）轴压比对试件承载力和水平位移有显著影响.随着轴压比的增大，试件的承载力逐渐增大，但当轴压比增大到0.36时承载能力提升幅度有所降低.

（3）不同的轴压力比对试件刚度退化的影响更为明显.随着水平位移的增大，刚度退化趋势更明显.当水平位移超过35mm时，试样的刚度退化率降低，并趋于稳定，说明预制构件具有较好的变形能力.

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参考文献：

〔1〕王敦，吕西林，卢文胜.带接缝连接梁的预制混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2013，34（10）：1-11.

〔2〕钱稼茹，杨新科，秦珩，等.竖向钢筋采用不同连接方法的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验[J].建筑结构学报，2011，32（6）：51-59.

〔3〕姜洪斌，陈再现，张家齐，等.预制钢筋混凝土剪力墙结构拟静力试验研究[J].建筑结构学报，2011，32（6）：34-40.

〔4〕连星.叠合板式剪力墙的抗震性能实验分析及理论研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

〔5〕沈小璞，马巍，陈信堂，等.叠合混凝土墻板竖向拼缝连接抗震性能试验研究[J].合肥工业大学学报，2010，33（9）：1366-1371.

〔6〕李宁.半装配叠合板式剪力墙工字形试件试验研究及数值模拟[D].合肥工业大学，2012.4.

〔7〕周博文.嵌入式基础叠合板剪力墙平面外受弯性能试验研究与数值模拟分析[D].合肥工业大学，2013.4.

〔8〕梁兴文，叶艳霞.混凝土结构非线性分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

〔9〕Mander J.B， Priestley J.N and Park R.Theoretical stress-strain model for confined concrete[J]. Journal of Structural Division. ASCE， 1988， 8.

〔10〕陈伟.基于OpenSees平台开发的混凝土滞回本构模型在结构分析中的应用[D].重庆大学，2012.5.