不同高宽比叠合板式剪力墙结构抗震性能研究*

任姗姗， 鲍 超

(1.安徽建筑大学土木学院，安徽 合肥 230061；2.中国核工业华兴建设有限公司，江苏 南京 211100 )

0 引 言

国外一般将叠合板式剪力墙结构运用在非抗震布防地域，故缺少对其抗震性能的研究。叠合墙板作为高层住宅剪力墙结构体系的抗震构件，如何使其抗震性能满足我国的抗震规范要求成为了首要关注问题。杨联萍[1]等通过理论推导与模型验证相结合的方式证明了在高轴压比下叠合剪力墙边缘构件采用预制时的极限承载力比采用现浇时要更高。侯和涛[2]等在试验的基础上建立了不同轴压比下新型钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙与现浇剪力墙模型，通过试验破坏过程与模拟数据对比发现钢管混凝土边缘约束叠合剪力墙的承载力随着轴压比增大而增大并给出其屈服承载力的计算方法。张文莹[3]等在循环剪切荷载作用下对叠合剪力墙水平连接处的钢筋应变以及抗剪机理进行了研究分析，并给出了叠合板式剪力墙水平连接处的抗剪承载力计算公式。董格[4]等经过对比分析4片叠合板式剪力墙与1片现浇剪力墙用不同水平接缝连接方式在拟静力试验下的破坏形态、承载力、强度和延性等，发现采用竖向连接钢筋搭接与约束搭接的叠合剪力墙承载力可基本等同于现浇剪力墙，且带约束螺旋筋的试件极限变形能力比不带约束螺旋筋的剪力墙构件更好。通过有限元软件ABAQUS模拟六组高宽比不同得叠合板式剪力墙在受低周往复荷载作用时的变形性能和破坏形态，得出不同高宽比对叠合板式剪力墙的强度、延性以及抗震性能的影响规律。

1 有限元模拟

1.1 损伤因子

采用《混凝土结构设计规范》[5](GB50010-2010)给出的混凝土单轴受压、受拉应力-应变曲线，并在此基础上通过能量等价原理可以计算得到损伤因子，损伤因子计算公式如下：

式中：c，t代表的分别是压缩和拉伸；εin是混凝土在受拉压状况下的非弹性阶段应变；β是塑性应变与非弹性应变的比例系数，受拉时取0.5～0.95，受压时取0.35～0.7；α是混凝土单轴受压受拉应力-应变曲线中下降段的参数值。

1.2 模型参数

1.2.1 混凝土应力应变关系

ABAQUS有限元软件中提供的混凝土本构模型有两种，分别是塑性损伤模型和弥散裂缝模型[6]。为了更好更准确地反映出混凝土的刚度退化与塑性变形特性，选用塑性损伤模型，其能更好的拟合地震荷载作用下的混凝土变化。混凝土应力-应变曲线参照混凝土规范附录C中的单轴受压、受拉应力-应变曲线。

1.2.2 钢筋应力应变曲线

钢筋本构关系参照规范附录C中钢筋本构关系与准则，采用双折线应力-应变曲线[8]。

1.2.3 材料性能参数

剪力墙中混凝土和钢筋的材料性能参数参考文献[7]。

图1 墙板W-3(单位：mm)

1.3 模型概况

有限元数值模拟分析中采用六种不同高宽比的叠合墙板，保持墙板高度3000mm不变，改变墙板宽度，由此得出不同高宽比，详细见表1所示。

以叠合墙板W-3为例，墙板尺寸为3000mm×1800mm×200mm(高×宽×厚)，剪力墙中其两边预制叠合板厚为50mm，中心层现浇部分厚为100mm，两端设置暗柱。剪力墙预制部分选用C40混凝土，现浇部分选用C30混凝土，受力钢筋均为HRB400钢筋(见图1所示)。再以含有暗柱的W-3为已知配筋，相应的得出其他五片剪力墙配筋。

表1 各墙板参数

1.4 加载制度及边界约束

剪力墙底端完全固定，在剪力墙顶端施加竖向恒载(按轴压比0.1确定)，叠合面与现浇面设置0.6的摩擦因数[8]，剪力墙上梁侧面施加低周往复位移，具体的位移加载制度参考文献[8]。

2 计算结果及分析

2.1 墙板破坏特征与形态

如图2所示，通过将试验时叠合板式剪力墙试件的破坏特征与墙板W-3的模拟结果对比可发现二者的裂缝开展与破坏形态基本一致，验证了模型参数设置、边界条件及摩擦因子选取的合理性。

2.2 滞回曲线和骨架曲线

从图3可知，墙板W-1的承载力相对其他几块墙板而言，明显偏大，另外五组的承载力虽然变化幅度不大，但也能直观看出随着高宽比的增大得到的滞回曲线荷载值在持续减小。6组剪力墙滞回曲线均比较饱满，整体耗能表现较好，基本无捏缩现象；以W-3墙板为例，刚开始加载时，试件产生弹性变形，在滞回曲线上呈现直线，滞回环面积比较小，骨架曲线也呈线性变化；剪力墙开裂后，滞回环的面积慢慢增大，曲线斜率开始逐渐变减小。随着高宽比的减小，墙板滞回曲线的反力值在逐渐增大，这说明剪力墙在高宽比比较大时，沿水平荷载方向上的刚度越小，承载力也就越小。

2.3 变形能力及承载力

延性能够反映出构件的非弹性变形能力，其对建筑物结构体系的抗震性能有着至关重要的意义。结构在受到地震荷载作用时，其变形能力越强，则表示结构延性越好，抗震性能也就越好[10]。延性系数是指剪力墙顶点极限水平位移与屈服时墙顶点的水平位移的比值，计算公式如下：

其中：Δμ为极限位移，由于剪力墙以剪切变形为主，骨架曲线下降不明显，因此以剪力墙中混凝土达到极限(压)应变值时对应的位移作为Δμ[11]；

Δy为屈服位移。

计算得到不同高宽比的延性系数如表2所示，通过对比分析可知，当高宽比在增大时，延性系数也在增大，说明结构延性越来越好，对抗震有利。

表2 不用高宽比下叠合墙板的延性系数

3 结 论

1)通过六块墙板的破坏特征与形态的对比，发现当高宽比大2.5时剪力墙发生弯曲破坏，高宽比在1.7-2.5之间墙板属于弯剪破坏，而高宽比小于1.5时墙板出现剪切破坏。由此可知叠合板式剪力墙的开裂方式和破坏特征在其高宽比的变化下表现出明显差异。随着高宽比减小，开裂方式逐渐从以弯曲开裂为主向以剪切开裂为主过渡，破坏模态也由弯曲破坏转为剪切破坏。

图2 不同高宽比下墙板破坏特征与形态

图3 墙板W-3滞回曲线与不同高宽比下骨架曲线

2)高宽比比较小的剪力墙墙板在初期加载时发生的基本是剪切破坏，承受的是受剪承载力，因此其在承载力上显著高于高宽比比较大的剪力墙墙板，而具有较大高宽比的剪力墙在加载初期所受的是受弯承载力，故在承载力方面，高宽比越大，承载力越低。

3)综合对比分析可知：要使叠合板式剪力墙结构构件能呈现出最优抗震性能，高宽比选在1.7-2.5之间最佳。