雷曉艷（甘肅三仁工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

綠色纖維混凝土可以在各種結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，因此，需要在纖維混凝土剪力墻研究的基礎(chǔ)上，對(duì)綠色纖維混凝土帶翼緣開(kāi)洞剪力墻抗震性能展開(kāi)進(jìn)一步分析。本文利用ABAQUS 有限元軟件展開(kāi)試驗(yàn)，分別探究了帶翼緣開(kāi)洞剪力墻的延性、耗能、承載力進(jìn)行了分析，希望可以對(duì)纖維剪力墻發(fā)展提供有力幫助。

1 搭建計(jì)算模型

1.1 明確模型尺寸

本文以回收鋼纖維的纖維摻量為基礎(chǔ)，利用ABAQUS 軟件展開(kāi)模擬分析，共設(shè)置4 面剪力墻，且所有剪力墻梁截面都設(shè)置為矩形截面。設(shè)置尺寸時(shí)，高度為1850mm、厚度200mm、寬度為900mm，洞口以正方形為主，邊長(zhǎng)設(shè)置為300mm。設(shè)置剪力墻構(gòu)件時(shí)，分別設(shè)計(jì)出底梁和頂梁兩個(gè)部分，其中底梁可以展開(kāi)剛性基礎(chǔ)模擬，試驗(yàn)需要將剪力墻墻體固定在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)座上，尺寸設(shè)計(jì)為1850mm×450mm×600mm。混凝土強(qiáng)度以C30 為主，保護(hù)層的厚度設(shè)置為25mm[1]。頂梁則可以對(duì)樓板對(duì)墻體造成的約束進(jìn)行模擬，同時(shí)提供加荷點(diǎn)，作為加載梁。尺寸在1000mm×300mm×450mm。4 面剪力墻中的試件分別設(shè)置為W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1，具體試件的參數(shù)尺寸見(jiàn)表1。

表1 試件尺寸及參數(shù)

其中，試件編號(hào)WXB-1和WXB-1.5中分別使用了不同纖維摻量的回收鋼纖維，其中WXB-1的纖維摻量為1%，WXB-1.5 為1.5%?；厥珍摾w維可以代替補(bǔ)強(qiáng)筋，對(duì)開(kāi)洞位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。而試件編號(hào)WXY-1則在翼緣位置添加了纖維摻量為1%的回收鋼纖維，以此達(dá)到保留洞口補(bǔ)強(qiáng)筋的目的。

在模擬時(shí)，主要使用ABAQUS 有限元模擬軟件展開(kāi)操作，構(gòu)建出符合實(shí)際情況的回收鋼纖維混凝土剪力墻模型，對(duì)變量參數(shù)展開(kāi)分析，明確變量參數(shù)是否具備可行性[2]。

1.2 設(shè)置模型參數(shù)

對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，需要分別對(duì)鋼筋和混凝土進(jìn)行定義。其中，對(duì)鋼筋定義時(shí)需要采用線性三維桁架單元T3D2，對(duì)混凝土進(jìn)行定義時(shí)則需要利用線性六面體減縮積分C3D8R。鋼筋材料和混凝土的材料參數(shù)具體可見(jiàn)表2和表3。

表2 鋼筋材料的具體參數(shù)

表3 混凝土材料的具體參數(shù)

建立混凝土模型時(shí)，按照網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，可以分為4個(gè)方面，分別是暗柱混凝土、加載梁混凝土、底梁混凝土、剪力墻混凝土。其中，暗柱混凝土尺寸設(shè)置為100mm，加載梁混凝土尺寸設(shè)置為200mm，底梁混凝土尺寸設(shè)置為200mm，剪力墻混凝土尺寸設(shè)置為100mm，鋼筋選擇50mm 的網(wǎng)格尺寸。將約束設(shè)置在混凝土與鋼筋之間，而對(duì)于底梁、加載梁、剪力墻之間則依靠綁定約束加以固定[3]。

1.3 加載模型

加載模型過(guò)程中，有限元模型會(huì)受到來(lái)自豎直方向的荷載力，具體計(jì)算公式為：

式中fc代表混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值，MPa；N代表豎向壓力，N；Ac代表混凝土截面面積，mm2；n代表軸壓比。

在加載過(guò)程中，位移會(huì)對(duì)水平方向加以控制，因此加載制度需要增加到24mm，具體加載制度見(jiàn)圖1。

圖1 加載模型圖

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 混凝土損傷以及應(yīng)力應(yīng)變分布情況

一方面，關(guān)于受壓損傷。帶翼緣開(kāi)洞剪力墻在上部墻體區(qū)域出現(xiàn)了很多受壓損傷，且很多損傷位于洞口位置，相對(duì)來(lái)說(shuō)墻體翼緣和底部位置較為完整。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，WXB-1的承載能力較強(qiáng)，對(duì)比W-1，WXB-1 應(yīng)用纖維摻量為1%的回收鋼纖維，可以降低洞口受壓情況，提升構(gòu)件承載能力，充分發(fā)揮自身作用。而WXB-1.5和WXB-1對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)將纖維摻量從1%提升到1.5%則可以對(duì)翼緣受壓損傷造成抑制作用，降低洞口受壓損傷。對(duì)比WXY-1和W-1，倘若補(bǔ)強(qiáng)鋼筋不變化，只是將1%的回收鋼纖維加入翼緣位置，同樣可對(duì)洞口受壓損傷起到限制效果。但是試件的延性會(huì)受到一定影響，出現(xiàn)了延性降低的情況。

另一方面，關(guān)于受拉損傷。受拉損傷多發(fā)生在墻身，而非翼緣位置[4]，并且墻身上的受拉損傷沒(méi)有出現(xiàn)集中的情況。經(jīng)過(guò)分析后，發(fā)現(xiàn)回收鋼纖維能夠?qū)κ芾瓝p傷進(jìn)行抑制，降低墻體受到的影響。

2.2 鋼筋應(yīng)力分布情況

對(duì)鋼筋應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)鋼筋應(yīng)力最大的位置為洞口底部和兩側(cè)位置。其中，WXB-1和W-1 對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)洞口處回收鋼纖維能夠充分發(fā)揮作用，構(gòu)件受力效果明顯強(qiáng)于補(bǔ)強(qiáng)筋。同時(shí)，對(duì)WXB-1.5和WXB-1進(jìn)行對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)摻量提升到1.5%后回收鋼纖維的強(qiáng)化效果較為明顯，但是左下部位鋼筋應(yīng)力不斷增加，薄弱面較為明顯。除此之外，WXY-1中，翼緣位置損傷較小，導(dǎo)致回收鋼纖維表現(xiàn)較差。

2.3 滯回曲線

在水平位移的影響下，分別獲取W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 四墻面的有限元模型頂部參考點(diǎn)，進(jìn)而繪制出水平荷載-水平位移的滯回曲線。對(duì)比W-1滯回曲線和WXB-1.5滯回曲線后，可以發(fā)現(xiàn)采用回收鋼纖維可以提升構(gòu)件受力承載能力，并且變形能力和延性不會(huì)出現(xiàn)較大變化[5]。而對(duì)比WXB-1和WXB-1.5時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)從1%提升到1.5%后，回收鋼纖維的承載能力進(jìn)一步強(qiáng)化，曲線包絡(luò)面積更大，能耗量更高。而WXY-1和WXB-1.5對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)對(duì)翼緣位置進(jìn)行了進(jìn)一步強(qiáng)化，承載能力沒(méi)有發(fā)生較大變化，但是試件變形能力出現(xiàn)下降的情況。

2.4 骨架曲線

W-1、WXB-1、WXB-1.5、WXY-1 的模型骨架曲線具體可見(jiàn)圖2。

圖2 模型骨架曲線

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，骨架曲線的走勢(shì)基本相同，無(wú)論是哪個(gè)編號(hào)的試件，都屬于線性分布情況。隨著曲線前進(jìn)，開(kāi)裂后滯回曲線會(huì)逐漸脫離直線的范疇，呈現(xiàn)為彈塑性。在水平荷載增加直到峰值后，洞口位置會(huì)出現(xiàn)十分嚴(yán)重?fù)p傷，并且對(duì)下部墻體造成影響，為下部墻體帶來(lái)?yè)p傷，進(jìn)而影響整體墻體的承載力。待峰值結(jié)束后，剩余曲線逐漸區(qū)域平穩(wěn)，出現(xiàn)平直階段，此時(shí)穩(wěn)定性會(huì)不斷增加。

試件WXB-1 和WXB-1.5 的荷載超過(guò)W-1 的峰值荷載，說(shuō)明回收鋼纖維能夠替代補(bǔ)強(qiáng)筋，可以通過(guò)回收鋼纖維進(jìn)行強(qiáng)化。而WXY-1 的峰值荷載超過(guò)W-1 的峰值荷載，說(shuō)明翼緣部位強(qiáng)化后可以進(jìn)一步改變剪力墻，提升其承載力。根據(jù)圖2，對(duì)剪力墻變形和延性進(jìn)行了進(jìn)一步分析，具體分析結(jié)果可見(jiàn)表4。

表4 剪力墻變形和延性分析表

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，如果利用回收鋼纖維替代補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，且摻量為1.5%時(shí)，W-1 的延性比與WXB-1.5 的延性比基本相同，能夠同時(shí)滿足抗震需求。

2.5 翼緣形狀

除摻量等因素外，翼緣形狀也會(huì)對(duì)翼緣開(kāi)洞剪力墻的抗震性能造成影響。通常情況下，帶翼緣剪力墻中，與無(wú)洞剪力墻相比，開(kāi)洞剪力墻擁有更高的延性，若是僅進(jìn)行單側(cè)翼緣設(shè)置，在負(fù)向加載過(guò)程中開(kāi)洞剪力墻會(huì)出現(xiàn)比正向加載狀態(tài)下更高的延性，但是相較于相同條件的雙側(cè)翼緣開(kāi)洞剪力墻，其延性僅處于較低水平[6]。

相比于無(wú)翼緣剪力墻，帶翼緣剪力墻擁有更高的極限承載力，但是在延性方面會(huì)存在一定損失，倘若僅進(jìn)行單側(cè)翼緣布置，則剪力墻會(huì)具備與雙翼緣剪力墻的加載極限承載力相同的加載承載力，但是此種情況會(huì)在一定程度上減小其負(fù)向極限承載力，同時(shí)出現(xiàn)比正向推覆延性更高的延性。

2.6 開(kāi)洞率

為了進(jìn)一步明確帶翼緣和洞口剪力墻抗震性能與開(kāi)洞大小之間的關(guān)系，在研究過(guò)程中需要設(shè)置相同的洞口距離、邊緣等參數(shù)，確定在各種洞口大小下剪力墻各項(xiàng)參數(shù)。在實(shí)施該部分操作時(shí)，因?yàn)樵囼?yàn)洞口較小，地梁與洞口之間距離需要達(dá)到一定程度，但是當(dāng)洞口尺寸達(dá)到一定范圍時(shí)，地梁與洞口之間將會(huì)出現(xiàn)零距離。最終通過(guò)試驗(yàn)了解到，與不開(kāi)洞剪力墻相比，開(kāi)洞剪力墻能夠在一定程度上提升最大承載力，此種結(jié)果主要原因是有一些縱向受力鋼筋存在于洞口附近，而當(dāng)僅擁有較小開(kāi)洞率時(shí)，附加鋼筋會(huì)存在比洞口承載力更高的強(qiáng)化效果。當(dāng)具有較小開(kāi)洞率且與相關(guān)要求相符時(shí)，可將洞口的削弱剔除剪力墻最大承載力考慮因素，同時(shí)，在不斷提升開(kāi)洞率的過(guò)程中，剪力墻呈現(xiàn)出先提升后降低的延性變化規(guī)律，當(dāng)開(kāi)洞率處于16%以內(nèi)時(shí)，相較于無(wú)洞口剪力墻，帶洞口剪力墻明顯擁有更大極限位移，且在不斷提升開(kāi)洞率的過(guò)程中擁有越來(lái)越大的極限位移。而當(dāng)達(dá)到16%以上的開(kāi)洞率時(shí)，剪力墻極限位移會(huì)有提升轉(zhuǎn)變?yōu)榻档蜖顟B(tài)。同時(shí)，在剪力墻滿足規(guī)范要求的前提下，可以不對(duì)剪力墻最大承載力的削弱進(jìn)行考慮。另外，對(duì)于不存在附加鋼筋的剪力墻來(lái)說(shuō)，當(dāng)開(kāi)洞率處于30%以下時(shí)，剪力墻極限承載力與開(kāi)洞率之間存在反比例關(guān)系，存在線性變化特征。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)回收鋼纖維的纖維摻量、所處位置進(jìn)行研究，對(duì)是否造成帶翼緣開(kāi)洞剪力墻造成影響進(jìn)行了分析，希望可以不斷提升帶翼緣開(kāi)洞剪力墻的性能。具體結(jié)論如下：

（1）從受壓損傷分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，回收鋼纖維能夠有效提升試件承載力和變形能力，同時(shí)洞口位置的開(kāi)裂位移有所增加。

（2）對(duì)滯回曲線進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)回收鋼纖維摻量提升可以強(qiáng)化試件的承載能力。但是此過(guò)程中鋼筋應(yīng)力也可能增加，導(dǎo)致出現(xiàn)新的薄弱位置。

（3）利用回收鋼纖維對(duì)帶翼緣開(kāi)洞剪力墻進(jìn)行強(qiáng)化，能夠有效提升試件的承載能力。但是應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)試件的延性會(huì)出現(xiàn)下降，且墻身變形能力也會(huì)受到影響。