绿色纤维混凝土带翼缘开洞剪力墙抗震性能研究分析

2024-04-21雷晓艳甘肃三仁工程设计咨询有限责任公司甘肃兰州730000

砖瓦 2024年4期

雷晓艳（甘肃三仁工程设计咨询有限责任公司，甘肃兰州 730000）

绿色纤维混凝土可以在各种结构中发挥重要作用，因此，需要在纤维混凝土剪力墙研究的基础上，对绿色纤维混凝土带翼缘开洞剪力墙抗震性能展开进一步分析。本文利用ABAQUS 有限元软件展开试验，分别探究了带翼缘开洞剪力墙的延性、耗能、承载力进行了分析，希望可以对纤维剪力墙发展提供有力帮助。

1 搭建计算模型

1.1 明确模型尺寸

本文以回收钢纤维的纤维掺量为基础，利用ABAQUS 软件展开模拟分析，共设置4 面剪力墙，且所有剪力墙梁截面都设置为矩形截面。设置尺寸时，高度为1850mm、厚度200mm、宽度为900mm，洞口以正方形为主，边长设置为300mm。设置剪力墙构件时，分别设计出底梁和顶梁两个部分，其中底梁可以展开刚性基础模拟，试验需要将剪力墙墙体固定在实验室的台座上，尺寸设计为1850mm×450mm×600mm。混凝土强度以C30 为主，保护层的厚度设置为25mm[1]。顶梁则可以对楼板对墙体造成的约束进行模拟，同时提供加荷点，作为加载梁。尺寸在1000mm×300mm×450mm。4 面剪力墙中的试件分别设置为W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1，具体试件的参数尺寸见表1。

表1 试件尺寸及参数

其中，试件编号WXB-1和WXB-1.5中分别使用了不同纤维掺量的回收钢纤维，其中WXB-1的纤维掺量为1%，WXB-1.5 为1.5%。回收钢纤维可以代替补强筋，对开洞位置进行补强。而试件编号WXY-1则在翼缘位置添加了纤维掺量为1%的回收钢纤维，以此达到保留洞口补强筋的目的。

在模拟时，主要使用ABAQUS 有限元模拟软件展开操作，构建出符合实际情况的回收钢纤维混凝土剪力墙模型，对变量参数展开分析，明确变量参数是否具备可行性[2]。

1.2 设置模型参数

对模型参数进行设置时，需要分别对钢筋和混凝土进行定义。其中，对钢筋定义时需要采用线性三维桁架单元T3D2，对混凝土进行定义时则需要利用线性六面体减缩积分C3D8R。钢筋材料和混凝土的材料参数具体可见表2和表3。

表2 钢筋材料的具体参数

表3 混凝土材料的具体参数

建立混凝土模型时，按照网络进行划分，可以分为4个方面，分别是暗柱混凝土、加载梁混凝土、底梁混凝土、剪力墙混凝土。其中，暗柱混凝土尺寸设置为100mm，加载梁混凝土尺寸设置为200mm，底梁混凝土尺寸设置为200mm，剪力墙混凝土尺寸设置为100mm，钢筋选择50mm 的网格尺寸。将约束设置在混凝土与钢筋之间，而对于底梁、加载梁、剪力墙之间则依靠绑定约束加以固定[3]。

1.3 加载模型

加载模型过程中，有限元模型会受到来自竖直方向的荷载力，具体计算公式为：

式中fc代表混凝土的轴心抗压强度值，MPa；N代表竖向压力，N；Ac代表混凝土截面面积，mm2；n代表轴压比。

在加载过程中，位移会对水平方向加以控制，因此加载制度需要增加到24mm，具体加载制度见图1。

图1 加载模型图

2 模拟结果及分析

2.1 混凝土损伤以及应力应变分布情况

一方面，关于受压损伤。带翼缘开洞剪力墙在上部墙体区域出现了很多受压损伤，且很多损伤位于洞口位置，相对来说墙体翼缘和底部位置较为完整。通过观察可以发现，WXB-1的承载能力较强，对比W-1，WXB-1 应用纤维掺量为1%的回收钢纤维，可以降低洞口受压情况，提升构件承载能力，充分发挥自身作用。而WXB-1.5和WXB-1对比后，发现将纤维掺量从1%提升到1.5%则可以对翼缘受压损伤造成抑制作用，降低洞口受压损伤。对比WXY-1和W-1，倘若补强钢筋不变化，只是将1%的回收钢纤维加入翼缘位置，同样可对洞口受压损伤起到限制效果。但是试件的延性会受到一定影响，出现了延性降低的情况。

另一方面，关于受拉损伤。受拉损伤多发生在墙身，而非翼缘位置[4]，并且墙身上的受拉损伤没有出现集中的情况。经过分析后，发现回收钢纤维能够对受拉损伤进行抑制，降低墙体受到的影响。

2.2 钢筋应力分布情况

对钢筋应力分布情况进行分析后，发现钢筋应力最大的位置为洞口底部和两侧位置。其中，WXB-1和W-1 对比后，发现洞口处回收钢纤维能够充分发挥作用，构件受力效果明显强于补强筋。同时，对WXB-1.5和WXB-1进行对比时，发现掺量提升到1.5%后回收钢纤维的强化效果较为明显，但是左下部位钢筋应力不断增加，薄弱面较为明显。除此之外，WXY-1中，翼缘位置损伤较小，导致回收钢纤维表现较差。

2.3 滞回曲线

在水平位移的影响下，分别获取W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 四墙面的有限元模型顶部参考点，进而绘制出水平荷载-水平位移的滞回曲线。对比W-1滞回曲线和WXB-1.5滞回曲线后，可以发现采用回收钢纤维可以提升构件受力承载能力，并且变形能力和延性不会出现较大变化[5]。而对比WXB-1和WXB-1.5时，可以发现从1%提升到1.5%后，回收钢纤维的承载能力进一步强化，曲线包络面积更大，能耗量更高。而WXY-1和WXB-1.5对比后，发现对翼缘位置进行了进一步强化，承载能力没有发生较大变化，但是试件变形能力出现下降的情况。

2.4 骨架曲线

W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 的模型骨架曲线具体可见图2。

图2 模型骨架曲线

从图2中可以发现，骨架曲线的走势基本相同，无论是哪个编号的试件，都属于线性分布情况。随着曲线前进，开裂后滞回曲线会逐渐脱离直线的范畴，呈现为弹塑性。在水平荷载增加直到峰值后，洞口位置会出现十分严重损伤，并且对下部墙体造成影响，为下部墙体带来损伤，进而影响整体墙体的承载力。待峰值结束后，剩余曲线逐渐区域平稳，出现平直阶段，此时稳定性会不断增加。

试件WXB-1 和WXB-1.5 的荷载超过W-1 的峰值荷载，说明回收钢纤维能够替代补强筋，可以通过回收钢纤维进行强化。而WXY-1 的峰值荷载超过W-1 的峰值荷载，说明翼缘部位强化后可以进一步改变剪力墙，提升其承载力。根据图2，对剪力墙变形和延性进行了进一步分析，具体分析结果可见表4。

表4 剪力墙变形和延性分析表

从表4中可以发现，如果利用回收钢纤维替代补强钢筋，且掺量为1.5%时，W-1 的延性比与WXB-1.5 的延性比基本相同，能够同时满足抗震需求。

2.5 翼缘形状

除掺量等因素外，翼缘形状也会对翼缘开洞剪力墙的抗震性能造成影响。通常情况下，带翼缘剪力墙中，与无洞剪力墙相比，开洞剪力墙拥有更高的延性，若是仅进行单侧翼缘设置，在负向加载过程中开洞剪力墙会出现比正向加载状态下更高的延性，但是相较于相同条件的双侧翼缘开洞剪力墙，其延性仅处于较低水平[6]。

相比于无翼缘剪力墙，带翼缘剪力墙拥有更高的极限承载力，但是在延性方面会存在一定损失，倘若仅进行单侧翼缘布置，则剪力墙会具备与双翼缘剪力墙的加载极限承载力相同的加载承载力，但是此种情况会在一定程度上减小其负向极限承载力，同时出现比正向推覆延性更高的延性。

2.6 开洞率

为了进一步明确带翼缘和洞口剪力墙抗震性能与开洞大小之间的关系，在研究过程中需要设置相同的洞口距离、边缘等参数，确定在各种洞口大小下剪力墙各项参数。在实施该部分操作时，因为原试验洞口较小，地梁与洞口之间距离需要达到一定程度，但是当洞口尺寸达到一定范围时，地梁与洞口之间将会出现零距离。最终通过试验了解到，与不开洞剪力墙相比，开洞剪力墙能够在一定程度上提升最大承载力，此种结果主要原因是有一些纵向受力钢筋存在于洞口附近，而当仅拥有较小开洞率时，附加钢筋会存在比洞口承载力更高的强化效果。当具有较小开洞率且与相关要求相符时，可将洞口的削弱剔除剪力墙最大承载力考虑因素，同时，在不断提升开洞率的过程中，剪力墙呈现出先提升后降低的延性变化规律，当开洞率处于16%以内时，相较于无洞口剪力墙，带洞口剪力墙明显拥有更大极限位移，且在不断提升开洞率的过程中拥有越来越大的极限位移。而当达到16%以上的开洞率时，剪力墙极限位移会有提升转变为降低状态。同时，在剪力墙满足规范要求的前提下，可以不对剪力墙最大承载力的削弱进行考虑。另外，对于不存在附加钢筋的剪力墙来说，当开洞率处于30%以下时，剪力墙极限承载力与开洞率之间存在反比例关系，存在线性变化特征。