剪力墙开洞形式对框剪结构抗震性能影响

剪力墙开洞形式对框剪结构抗震性能影响
摘要：钢筋混凝土剪力墙是完全由剪力墙抵抗水平荷载的结构，是高层建筑结构主要的抗侧移体系。

剪力墙是一种片状的结构，其高度大，厚度小，承载能力大，平面内的刚度大，但其剪切变形比较大，并且平面外的刚度很小。

随着人们对建筑美观和用途的需要逐步改变，以往单一的建筑外形逐步趋向于多元化，在剪力墙上开洞的情况也越来越复杂，洞口不再是规则的形状和排列，出现了许多异性洞口的建筑案例。

一方面丰富了建筑的形式，另一方面对建筑结构特别是剪力墙的研究提出了新课题，其对结构所产生的影响也变得较为复杂，尤其是洞口尺寸、形状、排列方式的逐渐多样性。

我们对这一个问题进行深入的分析，具有较大的理论和实际意义[1]。

本文选取八种不同形式的剪力墙作为研究对象，对于洞口大小、排列情况、异性洞口等因素对开洞剪力墙的特性的改变做了分析。

利用ABAQUS软件对八种不同形式的开洞剪力墙的对框架-剪力墙结构抗震性能影响。

关键字：剪力墙，高层建筑结构，开洞，ABAQUS软件
The Influence of Different forms Shear Wall Openings on Seismic Performance of a
Frame-shear Wall Structure
YuYu
(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)
Abstract: Reinforced concrete shear wall which completely resists horizontal load by the structure of shear wall is
a major lateral resistant system of high-rise building structure. Shear wall is a kind of lamellar structure that it has big
height, small thickness, large bearing capacity, large the in-plane stiffness, but the shear deformation is large, and out-of-plane stiffness is small. As people's need for building beautiful and function gradually change, and a single building form gradually tend to be diversified, open hole in shear wall is more and more complex, the shape and arrangement of the mouth of the cave is no longer rules, appeared a lot of straight hole construction cases.On the one hand, enrich the forms of construction, on the other hand, to the building structure, especially the study of the shear wall put forward the new subject, the impact of its structure becomes more complex, especially the hole size, shape, arrangement of diversity gradually.Our in-depth analysis of this problem, has great theoretical and practical significance.
This article selects 8 differents forms of shear wall as the research object, analysized the change of the characteristics of the open hole shear wall for the hole size,arrangement and straight hole. By using ANSYS software to 8 different forms of open hole shear wall with frame - shear wall structure seismic performance influence.
Keywords: shear wall, high-rise building structure, hole, ANSYS software
1 引论
剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元。

它可以组成完全由剪力墙抵抗侧力的剪力墙结构，也可以和框架共同抵抗侧向力而形成框架-剪力墙结构，实腹筒也是由剪力墙组成。

剪力墙具有较大刚度，在结构中往往承受水平力的大部分，成为一种有效的抗侧力结构。

在地震区，设置剪力墙(筒体)可以改善结构抗震性能。

在抗震结构中剪力墙也称为抗震墙[2]。

高层建筑中的剪力墙结构，实际上是一悬臂构，它的受力情况将随洞口的大小、形状和位置的不同而变化。

在通常矩形洞口且其位置接近横向尺度中部的情况下，其受力特性主要取决于洞口的大小，据此可将剪力墙分为不同的类型，每种类型有不同的力学特性[3]。

1.1 单片剪力墙构件分类
按墙肢截面长度与宽度之比分为：
4:w w h b <异形柱； =4~5:w w h b 小墙肢短肢剪力墙；
=5~8:w w h b 短肢剪力墙；
8:w w h b >普通剪力墙。

根据剪力墙高宽比的大小可将剪力墙分为：高强H 2w b >、中高墙H 12w b ≤≤和矮墙H 1w
b <。

1.2 洞口率的影响及类型划分
根据有无洞口、洞口大小和位置以及形状等可分为四类，即整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架[4]。

洞口大小常用洞口系数ρ来表示，其定义为：
=100%ρ⨯墙面洞口面积墙面不计洞口的面积
图1 剪力墙的类型
（1）整截面墙：指没有洞口的实体墙或洞口很小的剪力墙，其受力状态如同竖向悬臂构件。

当剪力墙高宽比较大时。

受弯变形后截面仍保持平面，法向应力呈线性分布。

（2）整体小开口墙：指洞口稍大且成列布置的剪力墙，截面上法向应力稍偏离直线分布，相当于整体弯矩直线分布和墙肢局部弯曲应力的叠加。

墙肢的局部弯矩一般不超过总弯矩的15%，且墙肢在大部分楼层没有反弯点；
（3）联肢墙：其洞口更大且成列布置，使连梁刚度比墙肢小很多，壁式框架：连梁中部有反弯点，各墙肢单独作用较显著，联结起来的剪力墙。

当开有一列洞口时为双肢墙可看成是若干单独剪力墙由连梁联当开有多列洞口时为多肢墙；
（4）当洞口大而宽、墙肢宽度相对较小，墙肢刚度与连梁刚度相差不太远时，剪力墙的受力性能与框架结构相类似。

其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩，在许多楼层内墙肢有反弯点。

1.3 国内外对剪力墙洞口研究的一些成果
1.3.1 我国规范中对开洞剪力墙的一些规定[5]
我国混凝土高层设计规程[6]中对开洞剪力墙的门窗洞口按上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁，为避免墙肢形成悬殊的洞口来进行设置。

在抗震设计时，一、二、三级抗震等级开洞剪力墙底部加强部位不采用错列开洞形式，其他情况如无法避免错列开洞，应控制错列开洞墙的洞口的水平距离大于2米，设计时应仔细分析计算，并在洞口周边采取加固措施。

当无法避免叠合错洞口布置时，应按有限元方法分析计算并在洞口周边采取加强措施或采用轻质材料填充将叠合洞口转化为规则开洞形式。

对结构整体计算中采用杆系、薄壁杆系模型或对洞口做了简化处理的其他有限元模型时，应对不规则开洞口的剪力墙的计算结果进行分析、判断并进行补充计算和校核。

目前，除了平面有限元方法外，尚没有更好的简化计算方法计算错列洞口墙。

采用弹性平面有限元方法得到应力后，可不考虑混凝土的作用按应力进行配筋，并加强构造措施。

1.3.2国内外对开洞剪力墙研究的一些成果
（1）国内对连肢墙的理论分析[7-8]基本上都是应用Chitty [9]连续连接介质法(Rosman法)，得到的控制微分方程是以连梁的分布弯矩为基本未知函数，求得了连梁在水平均布荷载、倒三角形分布荷载和顶点集中荷载作用下的解，这些成果己经应用于工程设计对联肢剪力墙的试验研究多集中在对连梁性能、墙肢间的剪力分配、各种新型连梁的剪力墙受力性能、联肢剪力墙极限承载能力的简化计算、联肢剪力墙的动力特性和对各种分析模型的验证上。

（2）Coull. A.根据剪力墙的受力性能将剪力墙分为单肢剪力墙，连杆连接剪力墙和联肢剪力墙。

联肢剪力墙是指由受弯构件组成的两片或两片以上墙肢所构成的剪力墙。

在实际工程中，相当数量的剪力墙都是联肢墙。

尤其是在住宅建筑中，许多剪力墙为设置门窗洞口，需要开一系列的矩形洞口。

对于此类剪力墙，在进行结构设计时，必须保证结构的合理性和结构的抗震性能。

（3）对于纯剪力墙结构合理刚度的研究主要有如下实例:傅学怡先生最早提出了满足结构整体稳定、水平位移、延性、强度、协同工作等约束条件的确定高层主体结构断面数量的参考表格及实用计算公式;屠成松等人似承重结构的总造价值为目标函数，并以设计规范、规程的要求为约束条件，建立了高层筒中筒结构设计的优化力学模型，合理采用分部优化方法，通过对构件用应复合形法并结合程序实现了优化设计，但没探讨不同烈度和场地类别对最优化刚度的影响。

（4）清华大学[}m]和中国建筑科学研究院曾分别进行过钢筋混凝土普通四层三肢和四层双肢剪力墙低周反复荷载试验，采用只在顶点加低周反复荷载的方法，重点研究了结构的破坏机制。

此外，清华大学建筑研究室通过对两片带翼缘的剪力墙在不同轴压比下的试验破坏现象和滞回曲线的比较，两片墙的其他方面都是相同的。

墙1轴压比为0.4,它的受压区先出现竖向裂缝，受压钢筋先达到屈服应力，受压区混凝土破碎而丧失承载内力，破坏是突然的，由实测的滞回曲线可见，该剪力墙只有很小的塑性变形，位移延性比2.17;墙2的轴压比为0.2，是典型的大偏压破坏，受拉钢筋先屈服，最后混凝土受压区出现竖向裂缝而压碎，它的实测滞回曲线比较丰满塑性变形大，延性比为5.59。

（5）同济大学建筑设计研究院为改善钢筋混凝土低剪力墙的抗震性能，分析研究
了劲性钢筋混凝土开洞低剪力墙抗震性能。

通过7榀劲性钢筋混凝土低剪力墙的低周反复水平加载试验，同时结合前期研究成果，重点研究了劲性钢筋混凝土低剪力墙在破坏形态、耗能能力、延性、抗剪承载力方面的改善及洞口对剪力墙延性的作用等。

（6）北京工业大学曹万林教授，提出了一种新型延性双肢剪力墙一带暗支撑双肢剪力墙，并对其模型进行了抗震性能试验研究。

试验结果表明:带暗支撑双肢短肢剪力墙比普通双肢短肢剪力墙的承载力、后期刚度、延性、耗能能力均有明显提高;墙肢裂缝相对较多且密，裂缝宽度相对较小;不同墙肢截面高厚比的双肢短肢剪力墙的破坏特征不同;连梁跨高比影响暗支撑双肢剪力墙的延性、耗能性能等。

（7）近几十年来，工程界对高层剪力墙开洞优化设计重在对开洞的布置规则，并且取得了一定的可喜的成果;采用优化准则法的王法武等人[10]，以结构自重为优化目标，同时考虑结构侧移要求，对高层框架和剪力墙结构的重量优化问题进行了研究，但实际设计和运用中，其涉及到结构敏感度分析问题;邵志坚等人通过分析大量的计算模型，讨论了影响高层剪力墙结构的三个必要因素:开洞口率、墙面积率及混凝土强度等级，用多种商业软件计算得到结构的大量不同的位移、内力、地震力、自振周期等，并应用数理统计的方法进行回归分析取得了不同层数的高层剪力墙结构的墙率、周期拟合公式，但没有阐明在水平地震作用下满足相关规定的最优数量;
综上所述，国内外院校和科研所的一些实验和所取得成果，主要针对剪力墙在水平
荷载作用下，重点对剪力墙在破坏形态、耗能能力、延性、抗剪承载力方面及剪力墙的
外部形变进行论述研究，忽略了剪力墙开洞后，在多种荷载作用的复杂情况下，开洞率
的大小以及洞口布置规则和不规则形式的条件下，其刚度、位移的力学性能和耗能强度
分析。

2 剪力墙模型的选取准则
2.1剪力墙外部尺寸的选取
本文的剪力墙模型将选取具有普遍代表性的形式，这样研究结果才具有代表意义。

根据理论可知，剪力墙的高宽比（H/B）对剪力墙的应用分布和变形特征有较大影响，剪力墙的高宽比一般而言都大于2.根据具有代表性的选取原则，本文的八种剪力墙的外部尺寸都一样，高6.5m，宽2.5m，厚0.2m。

2.2洞口形式的选取
2.2.1 剪力墙开洞率的选取
根据剪力墙的分类标准，开洞率低于15%，属于整体剪力墙；开洞率超过15%，洞口规则呈列状排列，属于小开口剪力墙；开洞率超过65%的，洞口尺寸较大，可按框架计算。

根据上述分类标准，对本文所选取的剪力墙作如下规定:小洞口剪力墙的开洞率定位10%；中洞口剪力墙的开洞率定位30%；大洞口剪力墙开洞率定位60%。

这样的开洞率选择保证了所选取的剪力墙对实际应用中的各种剪力墙都具有代表性。

本文规定剪力墙上洞口的形状为正方形。

具体开洞尺寸、排列方式等，见图2-1—2-6所示。

图2-1 规则排列小洞墙模型图2-2不规则排列小洞墙模型图2-3 规则排列中洞墙模型
图2-4不规则排列中洞模型图2-5大洞口墙模型图2-6狭长洞口模型
2.2.2 剪力墙洞口排列方式选取准则
在实际工程当中，虽然普通的剪力墙洞口排列都是规则的，但随着人们对建筑使用功能的要求逐渐提高，许多建筑剪力墙上的洞口形式多样。

因此，本文对于小洞口剪力墙模型和中洞口剪力墙模型均采用两种洞口排列方式:规则排列和不规则排列。

大洞口剪力墙因其洞口较大，只作规则排列。

同时规定，洞口两侧部分剪力墙的截面长度要不小于0. 25m。

2.2.3 洞口形状的选取准则
在实际工程应用中，剪力墙常常有不规则形状的洞口形式，比如狭长形洞口和宽扁形洞
口。

为了对洞口形状对剪力墙的刚度和受力性能的影响进行对比分析，本文规定：对于小洞口剪力墙、中洞口剪力墙、大洞口剪力墙，不论洞口排列是否规则，均采用正方形洞口;另外选取带狭长形洞口的剪力墙和带宽扁形洞口的剪力墙模型，进行对比分析，这样，本文所选的八种剪力墙模型在洞口形状上具有了较高的代表性。

2.2.4 剪力墙的荷载选取准则
剪力墙主要功能是承担水平荷载，因此本文只考虑水平荷载而不考虑竖向荷载。

剪力墙作为高层建筑的主要抗侧力构件，其水平荷载主要是通过刚性楼板传递的风荷载和地震荷载，为了简化其受力模型，也为了减小剪跨比造成的影响，本文在对八种不同开洞形式的剪力墙进行分析时，将水平荷载都施加在了剪力墙的顶部。

3 用ANSYS软件分析框架-剪力墙结构
3.1 用ANSYS软件剪力框架-剪力墙模型
本文所选取的八种剪力墙模型的建模方式，都采用交互式建模和命令建模相结合的方式。

本文混凝土单元采用ANSYS软件中的SOLID65单元来建立。

本文不考虑混凝土的应力松弛现象。

对于剪力传递系数，在混凝土开裂的状态下，选择0. 125，在混凝土闭合的状态下，选择1。

在建模当中对于混凝土的开裂做了考虑，混凝土单轴抗拉强度为1.78N/mm2。

建模当中没有考虑混凝土的压溃现象。

其余参数按照软件默认的方式来设。

此外，本文采用ANSYS软件的LINK8单元来模拟剪力墙边缘主筋。

对于钢筋受拉应力一一应变关系曲线，采用的是双线性的模型，此外还在荷载加载位置上，设置了弹性垫块，通过软件中的SOLID45单元来对垫块进行模拟，这样可以避免在荷载加载当中剪力墙出现应力奇异的现象。

荷载加载采用面荷载的方式。

本文主要讨论的是剪力墙在水平荷载下的刚度和受力特性，因此对于混凝土的重量，在建模当中不作考虑。

3.2 网格划分
ANSYS软件当中有四种网格划分方法：第一种是延伸划分、第二种是映像划分、第三种是自由化分、第四种是自适应划分。

延伸划分方法主要就是对一个二维网格进行转化延伸，变成为三维网格，本文对剪力墙进行网格划分的方法采用的就是延伸划分，小单元采用的是六面体，其边长为10cm。

本文采用直线划分方式来划分剪力墙的边缘钢筋，且混凝土的单元长度，等于钢筋的单元长度[11]。

图3 剪力墙的有限元模型
3.3 用ANSYS软件对模型求解
用ANSYS软件进行静力学分析过程，分为下列几个步骤：
(1)选择分析类型。

即欲进行哪种分析，本文要进行静力学分析，故选择命令ANTYPE，STATI。

(2)施加荷载。

本文采用交互式命令的方式来施加荷载，只施加水平力和自由度约束。

加载过程不考虑温度所造成的影响，加载的过程是单增的。

我们将剪力墙当做了竖向悬臂构件，所以自由度约束选择施加在剪力墙的底端。

(3)荷载步。

荷载步就是是ANSYS软件在分析当中对荷载进行配置的过程，可以根据结构的荷载历程(时间的和空间的)，在不同的荷载步内对模型施加不同的荷载。

本文当中，全部的求解过程的荷载步都设为1个。

(4)荷载子步。

荷载子步代表的是在某个荷载步内设置的的求解点。

不同的分析类型，其荷载子步有不同的目的。

本文的荷载子步设置为30个。

采用NSUBST命令来设置荷载子步。

(5)其他设置。

①时间设置。

本文时间数等于荷载子步数。

采用TIME命令来设置。

②线性搜索设置。

设置为开，采用LNSRCH, 1命令来设置。

③自动时间步设置。

设置为开，采用AUTOSTS, 1命令来设置。

④输出设备设置，采用OUTPR, BASIC, ALL.OUTRES, ALL, ALL命令。

⑤N-R方法设置。

设置为完全。

采用NROPT, FULL命令设置。

⑥收敛误差设置。

收敛标准为力的二范数收敛，误差容限0. 05，采用CNVTOL, F, 0. 05, 2命令设置。

⑦用命令LSWRITE将所有设置保存到文件中。

3.4 ANSYS分析后处理
ANSYS软件的后处理是指检查、提取分析的结果，是使用ANSYS软件对结构进行分析的最重要环节。

ANSYS软件的后处理方式有两种：
①通用后处理模块，POST1。

主要用来观察在给定的时间点上整个模型的结果，能
以图形、文本形式或动画形式输出。

②时间历程后处理模块，POST26
4 剪力墙的不同开洞形式对框架-剪力墙的抗震性能影响
4.1开洞率大小对剪力墙刚度和变形性能的影响
剪力墙的抗侧向位移的性能是通过等效刚度来表示的。

下图列出了本文中八种不同
开洞形式的剪力墙的位移一一时间曲线，与剪力墙的位移一一荷载曲线是等效的。

图4.1 整体剪力墙顶端位移—时间曲线图4.2 规则排列小洞口墙顶端位移—时间曲线图4.3 不规则排列小洞口墙顶端位移—时间曲线图图4.4规则排列中洞墙顶端位移—时间曲线图
图4.5不规则排列中洞墙顶端位移—时间曲线图4.6狭长洞口墙顶端位移—时间间曲线
图5.7 大洞口墙顶端位移—时间曲线图图5.8 宽扁洞口墙顶端位移一时间曲线图
首先比较整体墙和带有规则排列的小洞口墙，比较图4-1和图4-2。

如图可见，整体墙和规则排列小洞口墙的位移一时间曲线较为相似，斜线段的时间接近，之后都有竖直段，竖直段之后两图有区别，整体剪力墙的形状是上凸的，而小洞口剪力墙是上凹的，整体剪力墙的这一段较为平缓。

从两图的斜线段看出，两种剪力墙混凝土开裂时间接近，说明两种剪力墙底端受拉区开裂时的静荷载大小接近，其斜率也接近说明位移随时间而增长的幅度也是接近的。

因为混凝土的裂缝开展是递进的，所以整体剪力墙的图4-1的竖直段要比图4-2的竖直段长一些，且之后的曲线更为平缓，这也说明整体墙开裂之后钢筋何混凝土间应力的传递要更为平缓。

带小洞口的剪力墙混凝土开裂过程较短，钢筋与混凝土之间应力的传递也较短，因此图4-2中的竖直段较短，且与之后的斜线间有尖角，这主要是因为洞口的影响，尤其是在底部，洞口使得主拉应力发生间断。

总体上看，整体剪力墙和带小洞口的剪力墙的变性特征是弯曲变形。

图4-2、图4-4、图4-7是洞口大小不同但排列规则的剪力墙的位移一一时间曲线，相对比可以看出，直线段斜率变化加大，说明洞口越大即开洞率越大对剪力墙刚度的影响也越大。

从图4-7还看出，大洞口剪力墙的变性特征不再是弯曲形，而是类似于框架结构的剪切型。

图4-7的形状和其它图形形状不同，第一、它是由一系列斜率不同的直线段连接组成，第二、它没有竖直段。

出现第一种现象的原因，是因为大洞口的出现使得剪力墙接近于框架，墙肢和连梁接近于杆件。

当某个杆件端部受拉区混凝土出现裂缝，整个结构的刚度就会减小。

随着第二条、第三条裂缝的出现，结构的整体刚度进一步减小。

但在下一条裂缝出现的间隔里，剪力墙的刚度不变，因此带大洞口的剪力墙的变形一一时间曲线是由一系列曲率不同的直线段组成，且曲率逐渐加大，即刚度不断减小。

出现第二个现象的原因，首先是因为大洞口的出现使得墙肢和连梁的截面都变得较小，在弯曲变形情况下，若变形曲率相同，则墙肢和连梁受拉区的裂缝较小，使得裂缝间钢筋何混凝土间应力的传递较为平缓，避免了荷载不变而变形(裂缝)增长较大的情况。

其次，当裂缝在剪力墙底部的受拉区出现时，位移时间曲线上才会出现竖直段，而裂缝出现在剪力墙上其它的部位，则不会出现位移的突然大幅增加。

大洞口的出现使得剪力墙各个构件上的受拉区都有可能第一个出现裂缝。

图5-9和图5-10有助于说明这一点。

图5.1规则排列中洞墙裂缝与变形图5.2规则排列大洞墙裂缝与变形图5.3规则排列小洞墙裂缝与变形
图5.4不规则排列小洞墙裂缝与变形图5.5排列不规则中洞墙变形图图5.6整体墙裂缝与变形图
4.2洞口是否规则排列对剪力墙刚度和变形性能的影响
我们通过对比带规则排列小洞口剪力墙和不规则排列小洞口剪力墙的位移一时间曲线图4-2和图4-3来说明。

首先比较两图中裂缝出现的时间先后，也就是比较裂缝出现时荷载的大小。

发现不规则排列小洞口剪力墙开裂要早，说明开裂时其荷载较小。

这是因为洞口排列不规则，使得剪力墙底部受拉区墙肢的截面较小，因此这里的混凝土拉应力首先达到了抗拉强度而开裂，洞口规则排列的剪力墙底部墙肢截面则较大，开裂要晚一些。

图-3的竖直段
较短，是因为其受拉区截面较小所以裂缝不大，从而钢筋何混凝土间的应力传递较为平缓的缘故。

图4-3和图-4表示了两种剪力墙的裂缝与变形情况，可以很好地说明这一点。

其次，发现图4-3要比图4-2更为复杂。

这一点可以从规则排列洞口剪力墙和不规则排列洞口剪力墙的裂缝、变形情况进行说明。

如图5-11和图5-12所示，图5-11中只有剪力墙底部出现裂缝，在底部裂缝出现后，规则排列小洞口剪力墙的变形性能还是特性结构的特性。

而图4-4中，不仅剪力墙底部出现裂缝，而且在底部洞口的角部，混凝土也出现了裂缝，这说明这里有较为严重的应力集中现象。

随着这些部位的裂缝逐渐出现、开展，剪力墙的整体刚度也逐渐变小，但在两个裂缝出现的间隔，结构还是表现为弹性变形的特征，因此，图4-3所示的不规则洞口的剪力墙的位移时间曲线是较为复杂的折线组成。

第三，对比图4-3和图4-2发现，相同的时间(荷载)下，图4-3的位移要比图4-2
的位移大很多。

这个现象说明剪力墙上洞口排列不规则的话，会对其刚度产生较大的削
弱。

4.3不同的洞口形状对剪力墙的影响
图4-6与图4-8本别是带狭长洞口的剪力墙和带宽窄洞口的剪力墙的位移一时间曲线，图4-8要比图4-6复杂，通过对比我们得到三点结论:
(1)带宽扁洞口的剪力墙裂缝出现时间要早。

这时因为宽扁洞口的出现将剪力墙分成了短柱和强梁，在水平力作用下的短柱，主要的变形形式是剪切变形，因此带宽扁洞口的剪力墙较容易发生脆。