干式连接带洞口装配式剪力墙抗震性能研究

骆宪宇 欧盈 王刚

针对目前洞口削弱预制墙体结构抗震性能的问题，首先设计制作了一干式连接足尺预制带肋墙板，对其开展拟静力试验，依托试验结果，通过ABAQUS软件建立相应的数值模型对比验证墙板有限元计算方法的有效性，基于此方法，设计了6组干式连接装配式剪力墙模型开展数值模拟，研究干式连接带洞口装配式剪力墙的抗震性能，结果表明：干式连接带洞口装配式剪力墙具有较好的延性，洞口形式、洞口偏置、开洞率均会影响墙体结构的承载能力、延性及耗能能力。

干式连接； 装配式； 剪力墙； 抗震性能

TU311.3 A

［定稿日期］2022-03-16

［基金项目］四川省科技计划项目（项目编号：2019YJ0221）

［作者简介］骆宪宇（1987—），男，本科，工程师，一级建造师，从事市政、公路、土地整治工程项目施工工作。

纯干式连接装配式结构指墙、梁、板、柱等所有构件均由工厂预制，运输至现场拼装而成的结构，如图1所示，各构件间均可由螺栓进行拼接组装，整个施工过程无任何现场湿作业，绿色环保，安全高效。但在该种结构中，为满足通风采光、疏散通行等建筑使用功能的要求而开设的墙体洞口会破坏预制墙体的整体性，且在洞口处易产生应力集中，削弱墙体结构的抗震性能，增大了结构在地震中的破坏风险［1］。由此可见，在装配式结构中，对带洞口剪力墙抗震性能的研究是十分必要的。

本文设计制作了一片采用螺栓连接的足尺预制带肋墙板，并对其开展了拟静力试验，并利用ABAQUS软件建立该墙板模型对其进行有限元分析，结合试验结果验证了墙板模型有限元计算方法的正确性。在此基础上，完成了6组干式连接装配式剪力墙结构模型的建立，对带洞口剪力墙开展了参数分析，研究了开洞形式、洞口偏置及开洞率对干式连接带洞口装配式剪力墙抗震性能的影响。

1 计算模型验证

为研究干式连接带洞口装配式剪力墙抗震性能，本文参考现行JGJ 1-2014《装配式混凝土结构技术规程》［2］和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》［3］，设计制作了一片足尺预制带肋墙板，对其开展拟静力试验，并采用ABAQUS软件对该片墙板构件开展相应的数值模拟，通过与试验结果对比，验证该墙板的有限元计算方法。

1.1 试验模型

试验模型如图2所示，其中，墙板为全尺寸标准墙板，高度2 700 mm，宽900 mm，肋部厚度120 mm，有效截面厚度70 mm，此外，为更贴近墙板在结构中的受力情况，还设计制作有一矩形混凝土加载梁和一倒 “T”型混凝土基础，分别置放于墙板的上、下部，再由各构件上的预留孔位直接通过螺栓完成与墙板间的连接。试验轴力采用竖向千斤顶作用于墙板上部预制梁上施加，千斤顶侧面设置传感器监测轴力大小，控制轴压比为0.1。试验采用由位移控制的低周往复加载，位移荷载通过100 t MTS系统液压伺服作动器水平施加于预制梁上，加载制度如图3所示，当加载至墙板试件承载力下降到峰值荷载的85%，或墙板试件严重破坏，无法继续进行试验时，试验结束。

1.2 计算模型

通过ABAQUS程序建立与试验一致的单片足尺带肋墙板模型，如图4所示，该模型的相关设置列于表1中，加载制度与试验保持一致。

1.3 对比验证

本文通过对比墙板构件有限元与试验的骨架曲线及破坏形态验证所采用数值计算方法的有效性。图5为有限元与试验骨架曲线对比，由图5可知，正向加载时，有限元曲线与试验曲线基本吻合，二者的屈服荷载、屈服位移、峰值荷载、

峰值位移、极限荷载、极限位移及初始刚度、刚度退化情况、延性表现等均比较接近，误差基本控制在10%以内，在试验曲线中，加载至22 mm左右时，由于千斤顶液压问题，曲线出现下降拐点，在数值模拟中，各条件设置稳定，故未出现此现象。在负向加载时，由于实际试验加载中存在墙板下部螺栓松动问题，但螺栓的松动效果不能在ABAQUS模型中得到有效模拟，故模拟结果与试验结果存在些许差别，数值模拟得到的结果偏大。但从整体来看，上述采用的有限元模型在墙板变形及力学性能上能较好地贴近试验结果。

图6为有限元墙板模型在加载至屈服荷载、峰值荷载及极限荷载时对应的压缩损伤云图和试验最终破坏形态，由图6可知，从屈服点至峰值点再至极限点，有限元模型的压缩损伤集中于墙板下底部两侧螺栓连接处，逐渐向墙板角部及中部发展，损伤高度不断扩大，在极限点时，墙板两侧角部与螺栓孔之间的斜三角区域产生严重损伤。试验墙板在破坏形态上，表现为两侧角部混凝土严重破坏脱落以及螺栓连接处大量斜裂缝发展，由此可见，上述建立有限元模型的损伤发展过程与试验过程表现出的破坏形态相符。

综上，本文利用ABAQUS软件对该类墙板模型开展拟静力试验的有限元计算方法是正确及可行的。

2 带洞口剪力墙参数分析

将上述模型验证中墙板编号为W1，除此之外，另设计有2片不同规格尺寸的墙板W2、W3，高度分别为600 mm、1 200 mm，其余寬度、肋部厚度及有效截面厚度等均与W1相同，将3种类型的墙板进行拼装组合，形成6组不同的干式连接装配式剪力墙模型C1～C6，其中C1～C3为三墙模型，C4～C6为四墙模型，如图7所示，相关模型参数列于表2中。

采用上述有限元方法对C1～C6模型分别开展拟静力分析，对比其在低周往复荷载下的骨架曲线及延性系数、能量耗散系数，分析开洞形式、洞口偏置及开洞率对干式连接带洞口装配式剪力墙抗震性能的影响。

2.1 骨架曲线

C1～C6模型的骨架曲线如图8所示，根据图8分别对比C1～C3、C4～C6可知：各模型的荷载增长趋势均相同，带洞口的C2、C3及C5、C6承载力明显低于对应的无洞模型C1、C4；在加载初期，三墙或四墙模型中的各组模型初始刚度基本可以保持一致，但曲线自各模型开始进入屈服阶段后产生分化，带洞口墙荷载始终低于无洞墙，且洞口越大越低，表明门洞、窗洞均会降低墙体承载能力，并且开洞率越大，降低效果越显著；此外，由于C5模型洞口为偏置设计，故曲线在正负加载方向上不对称，洞口所在侧墙体承载力较低。

2.2 延性

C1～C6模型的延性系数如表3所示。

根据表3可知：各组模型计算所得延性系数均在5以上，均具有良好的变形能力；三墙模型C1～C3中，窗洞墙C2延性系数最高，与无洞墙C1相差仅2.6%，门洞墙C3延性系数最低，与无洞墙C1相差32.5%，四墙模型C4～C6中，8%开洞率的偏置窗洞墙C5延性系数最高，与无洞墙C4相差仅6.3%，17%开洞率的窗洞墙C6延性系数最低，与无洞

墙C4相差32.3%，由此可见，在该干式连接装配式墙体上适当进行开窗洞可略微提升墙体延性表现，分析其原因为窗洞上下部墙体可发生轻微错动变形，但当洞口类型为门洞时，由于螺栓连接数量的减少，螺栓滑移作用減小，会极大降低墙体的延性，影响墙体的变形能力，此外，过大的开洞率也会导致墙体延性大幅度降低。

2.3 耗能能力

图9为C1～C6模型耗能曲线对比，由图9分别对比三墙模型C1～C3、四墙模型C4～C6可知：在加载前期，各模型耗能能力接近，随着加载位移的增长，各模型的能量耗散系数逐渐增长，其中带洞墙的增长速度大于无洞墙，且开洞率越大增长越大，这是由于洞口四周应力集中现象明显，混凝土裂缝开展较多，墙体塑性变形增大，故开洞墙的耗能能力有所增加，且随着洞口的增大，墙体塑性变形更加明显，耗能能力进一步提升。

3 结论

本文设计制作了一片足尺预制带肋墙板，并对其开展了拟静力试验，利用ABAQUS软件建立了相应的试验有限元模型及6组干式连接装配式剪力墙模型，对比分析了洞口形式、洞口偏置、开洞率对干式连接带洞口装配式剪力墙抗震性能的影响，得出结论：

（1）干式连接带洞口装配式剪力墙结构中洞口会明显降低墙体的承载能力，开洞率越大，墙体承载力降低程度越大。

（2）干式连接带洞口装配式剪力墙中洞口偏置会导致墙体受力不对称，且洞口所在侧墙体承载力会降低。

（3）洞口形式、洞口偏置、开洞率均会对干式连接装配式剪力墙结构延性及耗能能力产生影响，合理的窗洞设计可适量提升墙体延性，增强墙体耗能能力，但若开洞率过大则会导致墙体延性明显降低。

参考文献

［1］ 陈建伟，苏幼坡，龚丽妍，等.装配式开洞钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2016，37（S1）：251-260.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部. 装配式混凝土结构技术规程： JGJ 1-2014［S］.中国建筑工业出版社，2014.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范： GB50010-2010［S］.中国建筑工业出版社，2010.