简析开洞率对剪力墙抗震性能的影响

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摘要：本文主要探讨了三个开洞率不同的剪力墙试件，并对该组试件进行模拟的静力试验，从而探讨开洞对剪力墙抗震性能的影响。本实验还利用了试件在开洞之后出现损耗的特点，讨论了在剪力墙的水平以及竖直方向都受力的工况下，是否能够进行刚度计算。实验之后，研究人员发现，在一面剪力墙上，孔洞位置以及频率的不同往往会对其抗震性能产生影响，只要洞的位置与频率不正确，就会使其水平方向与竖直方向所受到的力不一样，就会出现不同程度的裂缝，墙体出现不同程度损坏。同时发现，即便是所有的部件按照工业标准进行设计制造，但在实际加载时仍会出现剪切滑移的情况。

关键词：孔洞位置；开洞面积；折减率；剪力墙；抗震性能

一、试验设计

在日本京都大学，研究人员进行了三个有关钢筋混凝土剪力墙试件的静力模拟实验，每个实验中开洞的位置及偏离程度都不一样。该组实验主要讨论了开洞面积以及位置是如何影响剪力墙的抗震性能。在图 1 当中，给出了试验中所用剪力墙配件的相关信息，比例尺为1：0.4。在进行了超限度的开洞之后，剪力墙会发生无法预知的形变，因此在这样的工况下对其抗震能力进行测试，就能较为准确的得知其具体情况。试验主要对其开洞面积比以及开洞位置进行控制变量，所有的试件都以不同的剪切破坏程度进行了设计控制。

二、试验结果

实验过程中，利用水平荷载通过试件左侧的两台2000kN的MTS液压作动头施加，经由连接钢臂和紧贴在加载梁上的钢板传递到加载梁上，并通过控制第3层梁中点的层间位移角进行低周往复拟静力加载。加载分为两部分，第一循环为200kN，第二循环开始按每个位移角（0.05%，0.1%，0.25%，0.5%，0.75%，1.0%）循环两次进行控制加载，最终实验结果如图2。在图2当中，详细的给出了所有的试件在实验后产生的开裂与损伤。实线代表裂缝，黑色的区域表示混凝土在实验中由于受到压力而发生的剥落。在实验中，研究人员发现试件的形变超过一定限度的时候，墙体就会出现不同程度的开裂。【1】当形变进一步增强，墙体出现更大的形变，墙体的裂缝程度也明显加强。

在研究人员将试件形变增强到一定值时，其水平承载力也达到了一个临界点，随后，只要形变再次增强，墙体就会出现更强烈的反应，混凝土发生剥落，混凝土墙体内部的钢筋暴露，墙体多区域发生形变，稳定性大打折扣。继续增加试件形变时，底层墙体出现了剪切滑移，墙体无法承载更大的压力。仔细分析墙体出现的裂缝，研究人员发现，在实验刚开始的时候，墙体的受力传导是以将近450方向，在试件受力越来越大时，受力传递的角度也越来越大，并且呈集中向一点传递的趋势。而在墙体上凿出不同大小的孔就能良好地抑制上述情况的发生，在洞口设定一定的角度，引导力向一个方向传导，墙体某一处受到的力就会格外大，此时就会发生形变，导致严重的混凝土剥落及内部钢筋暴露，这也是墙体设计师在设计阶段就应当格外重视的问题。【2】

在对墙体采取偏心开洞处理后，即便不同墙体的开洞面积差异不大，也会由于在进行加载时的阴影面积的差异而出现不同的折减率。日本研究人员小野正行研究了许多单层开洞剪力墙试验之后，总结以下降低折减率的方法：（1）改变水平承载力与变形角关系降低折减率；（2）改善裂缝的开展进程及形态降低折减率。

三、计算分析与对比

在上述实验当中，详细的给出了剪力墙受力的限值，以及在不开洞的情况下的受力情况。考虑到混凝土受到压力不同对折减率的影响，因此在凿孔时即使采取偏心开洞措施，其折减率也不尽相同。仔细分析表 1，能够发现在采取了较为安全规范算法的情况下，实验的精度仍然受到诸如不同方向的承载力的影响。当改变了折减率之后将加载方向纳入到研究的范围，就能够得到对应的水平极限承载力。【3】施工时若按规定开洞，洞越大，试件的精确程度就越高。但是洞的大小若超过了一特定极限，反而会导致安全事故的发生。即便此次试验验证了该折减率的影响工况，但是要想得到更加确定的结果，还需要更多试验来验证和分析。表 1通过详细记录不同试件正负向极限承载力，说明了该折减率的精度较高，应该得到广泛的推广。

四、结论

（1）孔洞位置的偏心引起了剪力墙水平极限承载力在不同受力方向上的差异，并且从有洞侧加载的极限承载力要高于从无洞侧加载的极限承载力。

（2）在孔洞位置一致的情况下，孔洞面积影响剪力墙承载力和抗侧刚度的大小，并成反比例增长。

（3）在孔洞面积一致的情况下，孔洞位置的不同改变了应力传递的路径，对剪力墙的极限承载力、抗侧刚度及裂缝开展均产生影响。

参考文献：

[1]邵建中，顾强，沈健超等.基于屈服点谱法的中心支撑钢框架抗震性态评估[J].四川建筑科学研究，2012，38（5）：142-147

[2]游桂模，丁洁民，杨晖柱等.柔性摩天轮结构抗震性能研究[J].振动与冲击，2013，32（12）：76-83

[3]周德培，张建经，汤涌等.汶川地震中道路边坡工程震害分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（3）：565-576

作者简介：

曾恒富，湖北省十堰市人，05年考入陕西长安大学建工学院。09年本科毕业，同年考取了本校研究生资格，随后入伍。服役两年后，2011年再入长安大学建工学院，进行结构工程专业混凝土结构理论方向的研究学习。