基于OpenSees的預(yù)制剪力墻抗震性能數(shù)值分析

1、 基于OpenSees的預(yù)制剪力墻抗震性能數(shù)值分析 潘浩Summary：為深入研究預(yù)制剪力墻的抗震性能，在已有該類試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用OpenSees纖維模型法進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明纖維模型法能夠較好吻合預(yù)制剪力墻試驗(yàn)的受力性能，進(jìn)而研究試件在不同軸壓比下的抗震性能.Key：預(yù)制剪力墻;纖維模型;OpenSees;抗震性能：TU378.8 ：A ：1673-260X（2019）09-0103-03裝配式建筑是建筑行業(yè)主要的發(fā)展方向，符合資源節(jié)約化發(fā)展的要求，在工程項(xiàng)目中應(yīng)用日益廣泛.其中預(yù)制剪力墻是裝配式建筑主要受力構(gòu)件，不僅具有工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝方便和節(jié)約大量勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還具有與現(xiàn)澆剪

2、力墻相似的整體性，是一種新型的綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)體系，可以促進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.預(yù)制剪力墻自從引入國內(nèi)以來引起我國學(xué)者廣泛關(guān)注.其中王敦等1研究了含有接縫連接梁的預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能，結(jié)果表明預(yù)制混凝土剪力墻的破壞模式和承載力與現(xiàn)澆剪力墻基本相同;錢佳茹等2研究了不同的豎向鋼筋連接方式預(yù)制混凝土剪力墻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)制剪力墻其各方面抗震性能指標(biāo)均能夠滿足結(jié)構(gòu)抗震要求;姜洪斌等3研究了預(yù)制剪力墻在反復(fù)荷載作用下的抗震性能，結(jié)果表明預(yù)制剪力墻的變形能力和耗能性能得到了提高.連星等4-7主要研究了低軸壓比下疊合式剪力墻的抗震性能，結(jié)果表明在低軸壓比下，疊合式的剪力墻的破壞模式、受力和變形過程與現(xiàn)澆

3、剪力墻相似.大量試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)制剪力墻具有良好的自復(fù)位能力，其承載力與普通現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)，但在高軸壓比下預(yù)制剪力墻的研究較少.在相同的工況下，選擇Reference2中的TW1試件進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性.然后對(duì)不同軸壓比下預(yù)制剪力墻的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.使用有限元方法模擬剪力墻是最常用和最有效的方法之一.本文采用OpenSees軟件中的纖維模型方法，對(duì)預(yù)制剪力墻在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了模擬，為預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的研究提供了參考價(jià)值.1 試驗(yàn)概況1.1 試件設(shè)計(jì)試件由三部分組成分別是上部的加載梁、預(yù)制墻體和底部的地梁.其中墻體尺寸如下：墻高2800m

4、m，墻長1300mm，厚度200mm.墻體采用全預(yù)制澆筑，經(jīng)實(shí)測取平均值其混凝土立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)40.8Mpa，鋼筋采用HRB400，具體鋼筋實(shí)測值如表1所示.其中試件詳細(xì)尺寸和鋼筋配筋圖如圖1所示.1.2 試件加載及破壞形式豎向垂直載荷由液壓千斤頂施加，并在試驗(yàn)過程中保持不變.當(dāng)垂直荷載為500kN時(shí)，軸壓比為0.12.在水平方向上，由水平助動(dòng)器施加往復(fù)力，逐漸加載直至試件破壞.通過施加水平往復(fù)力，隨著水平荷載的逐漸增大水平裂縫由墻體下部逐漸向上部開展，并且墻板左右側(cè)水平裂縫開展較為對(duì)稱，最終破壞為壓彎破壞，取得良好的試驗(yàn)效果.2 數(shù)值分析模型2.1 纖維模型法在Opensees中，纖維模型

5、將鋼筋混凝土剪力墻中的鋼筋和混凝土分別分成不同的離散纖維束單元.通過選擇合適的鋼筋和混凝土本構(gòu)關(guān)系，反映了纖維束的力學(xué)性能.纖維模型法可以很好地模擬不同截面形狀構(gòu)件的力學(xué)性能，因?yàn)橥瑫r(shí)考慮了軸向力和彎矩的相互作用，具有較高的精度8.2.2 混凝土和鋼筋本構(gòu)模型基于OpenSees軟件中有豐富的材料本構(gòu)參數(shù)和對(duì)試驗(yàn)的高寬比進(jìn)行分析后結(jié)合實(shí)際情況選擇了其中的Concrete04混凝土本構(gòu)模型和Steel02鋼筋本構(gòu)模型.Concrete04模型是Mander9提出的模型骨架曲線表達(dá)式，其中受壓部分的骨架曲線采用的取初始切線剛度EC=5000（fco單位為MPa），而受拉的骨架線由兩段構(gòu)成，拉應(yīng)力首

6、先按照斜率為Ec的直線方式增加到峰值拉應(yīng)力后，再按指數(shù)曲線方式進(jìn)行下降10，Concrete04模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示.鋼筋采用Steel02模型，模型由Menegotto-Pinto修正后的模型，因采用了應(yīng)變的顯函數(shù)表達(dá)形式而顯著提高了計(jì)算效率.同時(shí)很好地吻合了鋼筋反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果，也考慮了包興格效應(yīng)，該模型如圖3所示.3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比分析3.1 滯回性能對(duì)比滯回曲線是試件在循環(huán)往復(fù)力作用下的載荷-位移特性曲線，反映了試件在循環(huán)往復(fù)力過程中的變形特性、能耗和剛度退化.通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比分析得出兩者滯回曲線基本一致.試件加載初期基本成線性變化趨勢，隨著水平往復(fù)力逐漸增大試件

7、水平位移也逐漸提高，殘余變形量較小.當(dāng)水平力達(dá)到150KN時(shí)試件開始產(chǎn)生裂縫，隨水平荷載逐漸增大至300KN時(shí)試件最外側(cè)豎向鋼筋開始屈服，殘余變形量較大.通過對(duì)曲線形狀的比較，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)滯回曲線具有一定的捏縮效應(yīng)，且形狀較為飽滿.兩個(gè)滯回曲線趨勢一致，說明纖維模型法可以通過選擇合適的鋼筋和混凝土本構(gòu)參數(shù)，模擬預(yù)制剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能.3.2 不同軸壓比的骨架曲線和剛度退化性能對(duì)比基于以上對(duì)比分析說明纖維模型法能夠準(zhǔn)確反映預(yù)制剪力墻的抗震性能，但試驗(yàn)過程中只進(jìn)行了低周壓比下的抗震性能分析對(duì)于不同軸壓比的對(duì)比分析沒有研究.因此通過高效準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方式能夠快速得出在其他工況下剪力墻的

8、抗震性能，不僅能夠大大減少大量人力物力資源也節(jié)省了大量的時(shí)間成本.軸壓比是影響剪力墻抗震性能的主要因素之一，圖6通過改變軸壓比大小由試件試驗(yàn)中的0.12增大至0.60，試件的承載能力也逐漸提高，由337.4KN增大至593.2KN，最大承載力提高了1.76倍，但骨架曲線的初始彈性階段變化基本一致，軸壓比變化對(duì)其影響較小.隨著軸壓比的逐漸增大，在相同水平位移下試件承載力均不斷提升.因此，提高軸壓比可以提高試件的承載力，但建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定一級(jí)抗震墻的軸壓比不得超過0.4，二級(jí)和三級(jí)抗震墻不得超過0.6.通過數(shù)值模擬得出試件在不同軸壓比下的滯回曲線和骨架曲線分析得出試件剛度退化曲線變化規(guī)律如圖7

9、所示.不同軸壓比下的預(yù)制剪力墻剛度退化趨勢基本一致，隨著軸壓比的逐漸增大，在相同水平位移下試件剛度系數(shù)均不斷增大.試件加載前期剛度退化較快，當(dāng)水平位移達(dá)到35mm時(shí)剛度退化速度基本趨于穩(wěn)定，表明試件具有良好的耗能能力.4 結(jié)論通過對(duì)預(yù)制剪力墻抗震性能的數(shù)值模擬，建立了纖維單元模型，分別賦予鋼筋和混凝土的不同本構(gòu)參數(shù).通過與現(xiàn)有試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，并對(duì)預(yù)制剪力墻在不同軸壓比作用下的抗震性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）通過OpenSees程序，選擇了混凝土Mander模型和鋼筋Steel02模型的材料本構(gòu)關(guān)系，其中模擬值與試驗(yàn)值滯回曲線吻合較好，說明所選擇的本構(gòu)參數(shù)模型能較好地模擬出預(yù)

10、制剪力墻的抗震性能.（2）軸壓比對(duì)試件承載力和水平位移有顯著影響.隨著軸壓比的增大，試件的承載力逐漸增大，但當(dāng)軸壓比增大到0.36時(shí)承載能力提升幅度有所降低.（3）不同的軸壓力比對(duì)試件剛度退化的影響更為明顯.隨著水平位移的增大，剛度退化趨勢更明顯.當(dāng)水平位移超過35mm時(shí)，試樣的剛度退化率降低，并趨于穩(wěn)定，說明預(yù)制構(gòu)件具有較好的變形能力.Reference：1王敦，呂西林，盧文勝.帶接縫連接梁的預(yù)制混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（10）：1-11.2錢稼茹，楊新科，秦珩，等.豎向鋼筋采用不同連接方法的預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32

11、（6）：51-59.3姜洪斌，陳再現(xiàn)，張家齊，等.預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)研究J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：34-40.4連星.疊合板式剪力墻的抗震性能實(shí)驗(yàn)分析及理論研究D.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.5沈小璞，馬巍，陳信堂，等.疊合混凝土墻板豎向拼縫連接抗震性能試驗(yàn)研究J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（9）：1366-1371.6李寧.半裝配疊合板式剪力墻工字形試件試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬D.合肥工業(yè)大學(xué)，2012.4.7周博文.嵌入式基礎(chǔ)疊合板剪力墻平面外受彎性能試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析D.合肥工業(yè)大學(xué)，2013.4.8梁興文，葉艷霞.混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析M.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.9Mander J.B， Priestley