魯 楠，楊曉華，周 磊，盧學臣

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲，412007）

不同開洞位置對短肢剪力墻抗震性能影響分析

魯 楠，楊曉華，周 磊，盧學臣

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲，412007）

建筑物在日常使用過程中，常在短肢剪力墻墻肢上開設布置管道的孔洞。為了研究后期開設孔洞的位置對短肢剪力墻受力性能的影響，建立6個在墻肢上開設孔洞大小相同而孔洞位置不同的短肢剪力墻有限元分析模型；研究在低周反復荷載作用下，孔洞位置對構件滯回特性、承載力、延性、耗能能力等抗震性能的影響；通過在不同軸壓比下改變孔洞位置，討論不同軸壓比下后期開設孔洞的位置對短肢剪力墻受力性能的影響。結果表明：墻肢開設孔洞位置不同對短肢剪力墻的承載能力和抗震性能有顯著影響，在相同軸壓比下，開設孔洞位置越靠近短肢剪力墻底部，對結構受力性能影響越大，并且軸壓比越大，影響越明顯。

開洞位置；短肢剪力墻；抗震性能

0 引言

短肢剪力墻結構是介于異型柱和剪力墻之間的一種結構形式，它結合了框架結構和剪力墻結構的優(yōu)點，在我國中高層民用建筑中得到了廣泛應用。隨著生活水平的提高，住戶需要安裝空調、抽油煙機等家用電器，居民在安裝家用電器時常常會在剪力墻墻肢上鉆孔，以便布設管線。JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[1]中僅對剪力墻預留洞口做了說明并提出了設計要求，對短肢剪力墻嚴格規(guī)定不能后期開設洞口。劉星等[2-3]通過對L形短肢剪力墻墻肢上部開設不同直徑圓形孔洞的縮尺比例模型進行試驗研究，得出了在墻肢上后期開設孔洞對短肢剪力墻的抗震性能影響較大的結論。

本文以在L形短肢剪力墻墻肢上部后期開設直徑為100 mm孔洞的具體實例為背景，研究在墻肢上后期開設孔洞位置的不同對剪力墻抗震性能的影響。

1 有限元模型

1.1 剪力墻原型

研究對象是某18層高層建筑中間層外側L形短肢剪力墻，樓層層高為2 800 mm。由于生活需要，住戶后期在短肢剪力墻墻肢上部開設了直徑為100 mm的圓形孔洞。該短肢剪力墻截面尺寸為1 400 mm× 600 mm×200 mm，肢厚比為7。短肢剪力墻轉角暗柱配置4B20，端部暗柱配置4B20，暗柱配置箍筋為B8@200，剪力墻豎向分布鋼筋均為B12@200，水平分布鋼筋均為B8@200?；炷翉姸鹊燃壊捎肅30。L形短肢剪力墻配筋如圖1所示。

圖1 短肢剪力墻配筋圖Fig. 1 Short-pier shear wall reinforcement diagram

1.2 建立有限元模型

利用ANSYS有限元結構分析軟件，建立有限元非線性計算模型，采用分離式建模方法，分別建立混凝土和鋼筋分析單元。

鋼筋實體按縱向鋼筋和水平分布筋的位置進行準確分割，選用三維桿單元link8進行模擬，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。鋼筋進入屈服階段，選用雙線性等向強化準則，不考慮鋼筋的硬化過程，采用完全彈塑性的雙直線模型[4]實現(xiàn)鋼筋在受力時的軸向拉壓狀態(tài)。彈性模量取2×105MPa，屈服強度為300 MPa，泊松比v=0.3，劃分單元網(wǎng)格長度為100 mm，鋼筋共劃分為1 406個單元。墻肢內鋼筋單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

混凝土選用solide65單元進行模擬。采用多線性等向強化準則，利用GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[5]規(guī)定的混凝土單軸應力-應變關系公式，用一系列數(shù)據(jù)點擬合混凝土的本構關系?；炷翉椥阅Ａ扛鶕?jù)規(guī)范取3×104MPa，泊松比v=0.2。通過設置剪力傳遞系數(shù)來考慮混凝土出現(xiàn)裂縫時，裂縫引起的剪切力損失?；炷羷澐謫卧W(wǎng)格長度為100 mm，為了與鋼筋單元協(xié)調，采用映射方法進行網(wǎng)格劃分，混凝土共劃分為2 528個單元。

圖2 鋼筋網(wǎng)格劃分圖Fig. 2 Steel bar mesh diagram

對開洞墻肢進行網(wǎng)格劃分時，先將洞口四周的墻體分割成六面體，再進行映射網(wǎng)格劃分。劃分時應處理好不同單元間節(jié)點的拓撲關系，以保證計算的順利進行。開設孔洞的剪力墻墻肢網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 開洞剪力墻有限元模型Fig. 3 The finite element model of opening shear wall

1.3 邊界條件與計算

計算模型是實際結構中間一層外墻，為了模擬結構的真實受力情況，網(wǎng)格劃分完成后，對底部單元節(jié)點施加固定約束，限制所有底部單元節(jié)點3個方向的自由度。根據(jù)樓板在水平荷載作用下，平面內剛度無限大的假定，考慮樓板對墻肢的側向約束作用，對墻肢頂部所有單元節(jié)點施加豎向約束，并按照軸壓比施加對應恒定的豎向均布壓力。在墻肢頂端單元節(jié)點處，施加水平方向的循環(huán)位移，通過逐級增加位移值，來模擬墻肢在低周反復荷載作用下的受力情況。

2 計算結果分析

通過分析數(shù)值計算結果，從滯回性能和骨架曲線方面，分別討論相同軸壓比下不同開洞位置和相同開洞位置不同軸壓比對結構耗能能力、延性、極限承載力的影響。

2.1 滯回曲線

通過對6個在短肢剪力墻上開設孔洞的有限元模型進行計算，得到了洞口距離墻肢底部分別為2 500, 2 100, 1 700, 1 300, 900, 500 mm的滯回曲線。模型中開設孔洞的直徑均為100 mm，軸壓比為0.2。圖4為孔洞距離墻肢根部不同高度有限元模型的滯回曲線。

圖4 模型滯回曲線Fig. 4 Hysteresis curves of models

從圖4可以看出，開洞位置不同，短肢剪力墻的滯回性能差異較大。當洞口開在距離底部500 mm處時，滯回曲線呈現(xiàn)反S形，滯回環(huán)面積小，結構的耗能能力低，抗震性能差。隨著洞口位置的上移，結構的耗能能力逐漸提高。當洞口位置距離墻根1 700 mm時，滯回曲線呈現(xiàn)飽和的梭形，曲線下降段比較平緩，構件的耗能能力和延性較好。

2.2 骨架曲線

根據(jù)數(shù)值計算得到的結果，將滯回曲線每一滯回環(huán)的峰值連線，得到6個開洞模型與未開洞模型的骨架曲線，如圖5所示。

圖5 骨架曲線Fig. 5 Skeleton curve

由圖5可以看出，骨架曲線中的4個關鍵點：開裂點、屈服點、極限承載力點和極限變形點[6]，都符合混凝土結構的恢復力模型。分析圖5中的曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，開洞位置不同，結構的極限承載力、極限位移有較大的變化，并且未開洞模型的承載力始終最大，延性最好。洞口開在2 500 mm處時的極限位移與未開洞的位移相近，但承載力有所下降。隨著洞口位置的下移，極限位移逐漸減小，極限承載力逐漸降低。

2.3 極限承載力

結構的極限承載力是結構所能承受荷載的最大能力，在軸壓比為0.2時，計算得出未開洞短肢剪力墻極限承載力分別為正向加載366.32 kN和反向加載397.28 kN?？紤]開洞位置對極限承載能力的影響，取不同開洞位置模型的極限承載力進行對比，給出了如圖6所示的折線圖。

圖6 不同開洞位置的剪力墻極限荷載Fig. 6 Ultimate load of shear wall of different opening locations

由圖6可知，開洞短肢剪力墻承載力相對未開洞的均有所降低，并且在墻肢根部位置開設孔洞對墻肢極限承載力的影響最大，分別降低了16.5%和8%。隨著開洞位置遠離墻肢根部，承載力有所恢復。當洞口開在1 700 mm以上時，極限荷載基本穩(wěn)定。從圖中還可看出，任何階段反向加載對應的極限荷載總大于正向加載對應的極限荷載，這是由于正向加載時L形墻肢內側受壓外側受拉，而反向加載時L形墻肢外側受壓內側受拉引起的，也即正向加載時，混凝土受壓面積小于反向加載時受壓面積。

2.4 軸壓比的影響

建立軸壓比為0.1和0.3的有限元模型，通過與上述軸壓比為0.2的模型進行對比，分析3種軸壓比下，改變孔洞位置對剪力墻力學性能的影響。并給出未開洞短肢剪力墻在不同軸壓比下的滯回曲線，如圖7所示。每一種軸壓比下，改變開洞位置，繪制出各軸壓比對應的骨架曲線，如圖8所示。

從圖7可以看出，軸壓比越大結構的耗能能力和延性越差。軸壓比為0.1時，滯回曲線呈飽滿的梭形；而軸壓比為0.3時滯回曲線成反S形，耗能能力低，極限位移明顯降低，延性變差。

圖7 不同軸壓比時剪力墻滯回曲線Fig.7 Hysteresis curves of shear wall of different axial compression ratios

圖8 不同軸壓比時的墻肢骨架曲線Fig. 8 Skeleton curves of shear wall of different Axial compression ratios

從圖8可以看出，相同開洞位置，軸壓比增大，結構的極限位移減小，延性變差，墻肢的極限荷載相應增加，這與短肢剪力墻有關研究的結論是一致的[7]。軸壓比為0.1時，改變洞口位置對結構受力性能的影響最小。軸壓比越大，洞口位置對受力性能影響越明顯。

3 結論

根據(jù)數(shù)值計算結果分析可以得到如下結論：

1）孔洞越靠近墻肢根部，構件的抗震性能削弱越明顯。當洞口位置在1 700 mm以上時，孔洞對結構抗震性能的影響程度明顯降低，能保證結構具有良好的耗能性能。因此，在實際工程中，洞口位置應開在墻體中部以上，宜開在墻體頂部1/3范圍內。

2）軸壓比對墻肢抗震性能的影響明顯。相同開洞位置軸壓比越大，結構的延性越差，極限位移越小，耗能能力減弱越明顯。這與有關剪力墻研究結論一致，說明本有限元模型具有可行性。

3）后期開洞對剪力墻受力性能有明顯的削弱，為保證結構的安全性、穩(wěn)定性，建議采用預留孔洞或對洞口采取加強措施。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. JGJ3—2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2010：94. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China. JGJ3—2010 Technical Specification for Tall Building Concrete Structures[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010：94.

[2]劉 星. 墻肢孔洞對短肢剪力墻抗震性能影響研究[D]. 株洲：湖南工業(yè)大學，2015.Liu Xing. Effects of Open Holes on the Seismic Performance of Short Leg Shear Wall[D]. Zhuzhou：Hunan University of Technology，2015.

[3]劉 星，楊曉華，陳端云，等. 單調荷載下開洞短肢剪力墻力學性能的有限元分析[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2015，29(2)：14-20. Liu Xing，Yang Xiaohua，Chen Duanyun，et al. Finite Element Analysis on Mechanical Properties of Short Pier Shear Wall with Openings Under Monotonic Loading[J]. Journal of Hunan University of Technology，2015，29(2)：14-20.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB 50010—2010混凝土結構設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：35. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China . GB 50010—2010 Code for Concrete Structure Design[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010：35.

[6]李曉蕾，李青寧. 鋼筋混凝土短肢剪力墻恢復力模型研究[J]. 地震工程與工程震動，2014，34(5)：100-107. Li Xiaolei，Li Qingning. Research on Restoring Force Model of RC Short-Pier Shear Wall[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics，2014，34(5)：100-107.

[7]張品樂，李青寧，李曉蕾. L形截面短肢剪力墻抗震性能的模型試驗研究[J]. 地震工程與工程震動，2010，30(4)：51-56. Zhang Pinle，Li Qingning，Li Xiaolei. Experimental Research on Seismic Performance of Short Pier Shear Wall with L-Shaped Section[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2010，30(4)：51-56.

（責任編輯：鄧光輝）

Influence of Different Opening Position on Seismic Performance of Short Pier Shear Wall

Lu Nan，Yang Xiaohua，Zhou Lei，Lu Xuechen
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Holes for placing pipelines are usually opened on the building. In order to study impacts of the hole position on the seismic performance of short pier shear wall, six short-pier shear wall finite element models with the same opening hole sizes and different opening positions are built. The influences of the hole positions on seismic performances of hysteretic behavior, bearing capacity, ductility, energy dissipation of short pier shear wall are investigated under low cycle repeated loading, and through changing opening position under different axial compression ratio, the impacts of hole position on the seismic performance of short pier shear wall are discussed. The calculated results show that different opening positions affect the bearing capacity and the seismic performance of short pier shear wall remarkably. Under the same axial compression ratio, the nearer the hole opening position to the wall bottom, the greater the impact on the structure performance will be. And the axial compression ratio is higher , the influence will be more obvious.

opening position；short-pier shear wall；seismic performance

TU312+.1

A

1673-9833(2015)05-0005-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.002

2015-08-02

魯 楠（1992-），男，安徽宣城人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為混凝土結構設計原理，E-mail：lunan19920622@163.com