装配式建筑剪力墙结构抗震性能分析

摘要：本研究旨在深入分析装配式建筑剪力墙结构的抗震性能。通过制作装配式剪力墙结构试件（VKSM）与现浇混凝土剪力墙结构试件（KSM），确保两者墙身高度、厚度、宽度均一致，以及试验的有效性。对各个试件施加强震作用，分析试件的水平位移、水平荷载，屈服荷载与位移等关键数据。同时，关注各个试件的延性系数、耗能指标的变化，得出抗震性能最佳的试件。试验结果显示，试件KSM_1的延性系数与耗能指标均低于试件VKSM_1，VKSM_2，证明装配式剪力墙结构试件的抗震性能更佳。此外，剪力墙结构的抗震性能与屈服位移、屈服荷载、延性系数、能量耗散系数等指标密切相关，抗震指标越大，剪力墙结构的抗震性能越佳。

关键词：装配式建筑；剪力墙结构；抗震性能分析

中图分类号：TU375文献标识码：A"" 文章编号：

Seismic Performance Analysis of Prefabricated Building Shear Wall Structures

Abstract：This study aims to conduct an in-depth analysis of the seismic performance of prefabricated building shear wall structures.By making prefabricated shear wall structural specimens （VKSM） and cast-in-place concrete shear wall structural specimens （KSM），ensure that the height，thickness，and width of the two wall bodies are consistent，and the effectiveness of the test.Apply strong seismic action to each specimen，analyze key data such as horizontal displacement，horizontal load，yield load，and displacement of the specimen.At the same time，pay attention to the changes in the ductility coefficient and energy consumption index of each specimen，and determine the specimen with the best seismic performance.The test results show that the the ductility coefficient and energy consumption index of specimen KSM_1 lower than the specimen VKSM_1 and VKSM_2，with proves that the seismic performance of prefabricated shear wall structural specimens have better.In addition，the seismic performance of shear wall structures is closely related to yield displacement，yield load，ductility coefficient，energy dissipation coefficient，and other indicators.The larger the seismic index，the better the seismic performance of shear wall structures.

Keywords：prefabricated buildings; Shear wall structure; Seismic performance analysis

0 引言

装配式剪力墙结构是建筑行业应用较多的结构体系，对于建筑工业化的发展具有重要作用。装配式剪力墙结构的核心技术在于：墙体与墙体、墙体与楼板、墙体与结构梁之间的连接方式，连接方式的牢固程度直接决定了装配式建筑结构的质量[1]。现有技术方面，分为湿式与干式两种连接形式。湿式连接需要预留孔浆锚搭接技术，以混凝土现浇带连接的形式，满足连接牢固需求。该技术在现场操作较为简单，但是其本身构造较复杂，灌浆质量难以保证，会影响结构的耐久性与抗震性[2]。干式连接不需要任何混凝土粘合剂，通过混凝土本身结构性能，将各个部分连接在一起，为建筑提供良好的抗剪性能。

随着装配式建筑的广泛应用，其连接节点构造复杂、施工精度高等问题也随之显现，使结构无法发挥出抗震性能，影响装配式建筑的施工质量[3]。装配式建筑的梁、柱是主体结构的受力构件，梁柱通过角钢连接，能够将上层压力与梁柱自重传递到角钢上，更符合构件的受力需求。在地震来临时，梁柱焊接节点会发生不同程度的损害，威胁到建筑主体机构的安全性，更易造成建筑坍塌事故[4]。剪力墙作为典型的抗侧力构件，能够与剪力框架相结合，能够很大程度上改善建筑构件的破损问题，在装配式建筑中广泛应用。因此，本文进行装配式建筑剪力墙结构的抗震性能分析。

1 试件设计与制作

本次试验结合试验室场地条件，制作了3个剪力墙机构试件，编号分别为KSM_1，VKSM_1，VKSM_2。其中，KSM_1试件为现浇混凝土剪力墙结构；VKSM_1，VKSM_2为装配式混凝土剪力墙结构[5]。剪力墙试件的设计参数见表1。

由表1可知，本文制作的试件中，KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的前跨比、混凝土柱截面尺寸、轴压比存在变化，其余参数均保持一致，可以满足试验需求。剪力墙墙身钢板竖向拼接方式中，试件KSM_1通长两排螺栓密布，试件VKSM_1居中210 mm范围内两排螺栓密布，试件VKSM_2通长两排螺栓密布[6]。将试件VKSM_1，VKSM_2在某预制工厂加工与制作之后，运输到试验室分析现场。将试件KSM_1在试验室内完成内填混凝土的施工。VKSM_1作为装配式剪力墙结构的标准试件，墙身的截面尺寸为450 mm×100 mm，墙身的钢板厚度为3 mm，暗柱的钢板厚度为4 mm。焊接在墙身钢板上的钢筋采用横向布置，间距约为100 mm。墙身钢板竖向拼接方式与墙身底部采用M10@35连接[7]。试件VKSM_2与试件VKSM_1的轴压比不同，其余尺寸参数均相同。在混凝土浇筑的过程中，预留3个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，3个试块在相同条件下养护，并取抗压强度为60.4 N/mm2的试块作为KSM_1试件。本次试验采用反复水平的加载方式，加载装置见图1。

由图1可知，本文在试件与竖向千斤顶的位置上放置垫梁，竖向荷载以均匀的形式施加在剪力墙构件上。水平荷载由作动器施加，加载点在加载量的中心。在基础梁的两端同时设置水平千斤顶，满足剪力墙构件底部的固定约束边界条件[8]。在试验的过程中，施加大小与方向固定的竖向荷载，再通过作动器施加水平荷载。同时，以1/1000位移角、1/500位移角作为1次荷载循环，往复3次循环。当试件的水平荷载降到峰值荷载的85%以下，停止试验。此时，剪力墙结构试件更能够符合装配式建筑的使用需求。

2 试验过程

在剪力墙结构试件的往复荷载作用下，分析KSM_1，VKSM_1，VKSM_2试件的滞回曲线变化情况。滞回曲线越饱满，耗能能力越强，结构抗震性能越强。滞回曲线在各个加载层之间不断位移，最大荷载值的连线作为骨架曲线[9]。通过骨架曲线反映剪力墙结构的初始刚度、屈服位移、屈服荷载、峰值荷载、极限位移、延性等抗震性能指标。各个试件的骨架曲线见图2。

由图2可知，试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2均在（20，250）的位置承载力最高，试件VKSM_2的承载顶点超过了350 kN；试件VKSM_1的承载力顶点超过了300 kN；试件KSM_1的承载力顶点低于250 kN。在（0，0）的位置上，试件VKSM_2的斜率＞试件VKSM_1的斜率＞试件KSM_1的斜率。

本文通过剪力墙结构滞回曲线获得骨架曲线，骨架曲线在原点的切线方向即为结构在受到正向或反向作用力时的响应方向，此时的斜率为结构的初始刚度。即在位移，承载力（0，0）的条件下，试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的骨架斜率为初始刚度。骨架曲线处于最高点时，横坐标为峰值点位移，纵坐标为峰值荷载。骨架曲线的顶点作为水平线，与原点切向相交的位置，做横坐标的垂线，与骨架曲线相交的点就是屈服点，横坐标为屈服位移，纵坐标为屈服荷载[10]。在骨架曲线下降段，0.85倍峰值荷载对应的荷载值就是极限荷载，极限荷载对应的位移值即极限位移值。在骨架曲线上，屈服位移与荷载、极限位移与荷载、峰值位移与荷载的特征点分为正、负两个方向。试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2结构的正、负刚度平均值作为各个试件结构的初始刚度。以骨架曲线为基础，计算各个试件的延性系数，公式如下：

式（1）中：u为延性系数；△u为剪力墙结构的极限位移，mm；△y为剪力墙结构的屈服位移，mm。u表示试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2屈服之后，结构的形变能力。u越大，试件的抗震性能越佳。试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2进入屈服之后，同一层间的位移加载与荷载加载均进行了夺权加载。多次循环的最大荷载与其对应的位移，就是构件的环线刚度。环线刚度的曲线斜率越平缓，刚度变化幅度越小，试件的整体抗震结构越稳定。根据试件的环线刚度变化情况，分析等效阻尼系数，计算公式如下：

式（2）中：H为剪力墙结构的等效粘滞阻尼系数，Ns；Ed为滞回曲线面积，J；Es为弹性势能，J。H与屈服位移、屈服荷载有关，屈服位移、屈服荷载越大，H越大，剪力墙结构能够吸收与分散的地震能量越多，从而减小剪力墙结构的振动响应幅度，对于提升结构抗震性能具有重要作用。试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2在计算H的过程中，H越大，耗能环形状越饱满，抗震性能越佳。根据H的变化情况，计算出试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2在整个抗震过程的能量耗散系数。计算公式如下：

式（3）中：Ea为能量耗散系数。Ea越大，证明剪力墙结构试件的耗能能力越强，试件的抗震性能也随之增加。刚度退化情况能够反映剪力墙试件在水平作用下，随着塑性增加而降低的过程，也能够反映能量耗散情况（见图3）。

如图3所示，（0，0）的位置为各个试件的初始刚度，向各个试件施加负向位移时，位移越大，刚度越小；向各个试件施加正向位移时，位移越大，刚度越小。在-40 mm的位移时，试件VKSM_2的刚度＞试件VKSM_1的刚度＞试件KSM_1的刚度。在+40 mm的位移时试件VKSM_2的刚度＞试件VKSM_1的刚度＞试件KSM_1的刚度。由此可见，剪力墙结构吸收地震波的过程中，刚度呈现退化形式，但是试件VKSM_2与试件VKSM_1的刚度始终高于试件KSM_1的刚度，延迟了墙身开裂的时间，减小了裂缝的宽度，进而提升了试件的抗震能力。

3 试验结果

地震波具有强烈的不确定性，本次试验选择了合适的地震波，确保抗震性能分析的有效性。本文利用设计反应谱选择地震波，结合地震特性与多方面考量，该方法选择的地震波是偏安全的结果。整个抗震性能分析分成3组，分别为KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的结构，场地类型为II类，8度设防。随机选取出3条天然地震波，地震名称分别为“Coyote Lake”“Imperial Valley-06”“El Centro Array #10”。“Coyote Lake”断层距为3.11 km，以水平的方向传输地震波；“Imperial Valley-06”断层距为10.42 km，以水平的方向传输地震波；“El Centro Array #10”断层距为8.6 km，以水平的方向传输地震波。本文利用Seismo Match软件生成了人工地震波，对地面运动记录进行调整与匹配，使其频谱加速度与目标响应速度相匹配。在人工地震波的条件下，本文对构件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2的延性进行分析（见表2）。

如表2所示，延性系数越大，剪力墙结构的延性越佳，在强震作用下能够承受的塑性形变能力越强，从而满足剪力墙结构的抗震性能需求。无论是屈服荷载、屈服位移，还是峰值荷载、峰值位移，或是极限荷载、极限位移，试件VKSM_1，VKSM_2均高于试件KSM_1，试件VKSM_1，VKSM_2的延性系数同样高于试件KSM_1。同时，试件VKSM_2的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载均高于试件VKSM_1，屈服、峰值、极限位移同样存在不同程度的变化。试件VKSM_2最终的延性系数高于试件VKSM_1。由此可见，装配式剪力墙结构抗震性能较佳，并且屈服、峰值、极限荷载越大，抗震性能越佳。试件耗能指标见表3。

如表3所示，本文结合加载循环H，Ea在屈服点、峰值点、极限点对应的变化，将试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2进行耗能分析。其中，极限循环条件下，H值与Ea值处于较高的状态；屈服循环条件，H值与Ea值处于相对较低的状态。但从整体来看，试件KSM_1，VKSM_1，VKSM_2中的VKSM_2在极限循环时的H值与Ea值更高；KSM_1在极限循环时的H值与Ea值较低。由此证明，试件VKSM_2的抗震性能＞VKSM_1的抗震性能＞试件KSM_1的抗震性能，即装配式剪力墙结构试件的抗震性能更佳。

4 结论

近年来，装配式建筑的优势逐渐凸显，例如，现场安装与施工速度较快、现场浪费与损耗更少等，使其成为运用前景较为广阔的建筑结构。与传统建造方式相比，装配式建筑能够根据建筑设计进行定制制造，适应不同的建筑施工环境。本文以试验的形式深入分析装配式建筑剪力墙结构的抗震性能。试验结果表明，剪力墙结构的抗震性能与屈服位移、屈服荷载、延性系数、能量耗散系数有关，只有各个抗震指标均满足需求，才能确保装配式建筑的整体安全性与稳定性，本试验结果可为类似工程施工提供借鉴。

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