摘要：人们在对既有建筑物进行改造过程中经常会遇到在既有剪力墙上增设门窗洞口的情况。既有剪力墙开洞后，在外荷载作用下，内力将会重新分布。本文利用非线性有限元的分析方法对这种开大洞口的剪力墙进行简化模拟，对剪力墙的受力性能进行分析，讨论了这种既有剪力墙的开裂和破坏形态，希望对今后类似工程的加固设计能有参考作用。
关键词：既有剪力墙 内力重分布 非线性有限元分析
The Existing Shear Wall with Big Hole is Stuided
by Noliner Finite Element Anlysis
LiliPing
( Nan Jing Gu Qiang Construction Technology Co., Ltd Jiang Su Nan Jing)
Abstract: People often encounter shear wall in both windows and doors of the mouth of the cave in the reform process of adjacent buildings. The internal forces of shear wall with opening hole will have to distribution under outer loads. This paper, the shear wall with opening big hole is simply simulated and analyzed by nonlinear finite element method. This article mainly discussed the mechanical performance and it’s crack and damage form. Hoped will be able to have the reference function to the next similar project reinforcement design.
Keywords: existing shear wall; redistribution of internal force; nonlinear finite element
前言
由于这种既有剪力墙的设置给业主的使用带来不便，需要增设门窗洞口，开洞后能够更好地满足业主的使用的要求，因此近年来被越来越多地应用于住宅建筑及商业建筑的改造工程中。但既有剪力墙开洞后导致墙体的内力重新分布，其受力性能也较为复杂。
开洞后剪力墙的抗震性能较差，国家相关规范和规程中对剪力墙的开洞进行了较严格的规定，因此剪力墙在开洞前需要论证分析是否可行，若可行，应该对其进行相应的加固处理。本文对这种开洞后的剪力墙进行计算和分析是为了在实际工程中，当不可避免需要改造时，能够对其合理加固设计提供参考。本文通过对这种既有剪力墙的非线性有限元分析，给出了相应的结论。
一、开洞后剪力墙的有限元模型建立及类型判别
在进行短肢剪力墙的受力分析之前，首先要能了解开洞后剪力墙的类型才能合理地进行计算分析。开洞后，原剪力墙会出现新的连梁，由于连梁和墙肢是共同工作的，我们可以根据考虑轴向变形的整体参数α来划分剪力墙：
（1－1）
式中 H —— 建筑物的总高度；
D —— 连梁的刚度系数；
h —— 层高；
T —— 轴向变形影响参数；
—— 各墙肢的刚度。
式（1－1）中的α值实际上是反映了连梁与墙肢刚度之间的比例关系。如果剪力墙的洞口很大，连梁的刚度很小，墙肢的刚度又相对较小，也就是α的值较小。此时连梁的约束作用很弱，两墙肢的联系很差。在地震力作用下，双肢墙转化为由连梁铰接的两段悬臂墙，这时墙肢轴力为零，地震所产生的弯矩由两段独立的悬臂墙直接分担。如果剪力墙的洞口很大，连梁的刚度也很大，墙肢的刚度又相对较小，则α的值较大。此时连梁的约束作用很强，墙的整体性很好，双肢墙转化为整体悬臂墙，墙肢中的轴力抵抗地震作用产生的弯矩的大部分，因此墙肢中的弯矩较小。当α的值介于上述两种情况之间时，独立悬臂墙与整体悬臂墙二者都在起作用，此时，墙肢截面上的实际正应力由两部分组成，一部分是作为整体悬臂墙作用产生的正应力，另一部分是作为独立悬臂墙作用产生的正应力。
本文选用的模型是某工程中业主需要在一至八层同样位置处得剪力墙新增设洞口，洞口尺寸为1500mmX2200mm，由于新增设洞口较大，根据上面的判别方法，原有剪力墙变成双肢剪力墙。本文采用非线性有限元建立模型进行分析。模型荷载采用倒三角形荷载模式，该建筑物总高度约为25m，因此该片剪力墙总高度亦25m，其截面尺寸如图一所示。
图一 既有剪力墙开洞截面示意图（单位：mm）
本模型中既有剪力墙选取的单元为SOLID65，文在荷载作用处增设矩形钢板，矩形钢板选用的单元为SOLID45。为了在弹塑性分析时综合考虑上述因素，建立本构关系时，应同时考虑以下三个基本要求：
（1）假定一个符合材料特性的屈服准则；
（2）建立合适的塑性变形流动法则；
（3）建立与材料变形特征相应的硬化和软化定律；
除此之外，还应从三个方面加以探讨：混凝土的特性、钢筋的特性以及钢筋与混凝土之间的粘结和滑移现象。
综合考虑后本文混凝土的本构关系采用的是《混凝土结构设计规范》规定的本构关系，钢筋的本构关系采用的是理想弹塑性模型。有限元建模的过程中采用体直接建模法，在划分网格时，先对线划分网格然后在对体的网格进行划分，单元的大小为100mm×100mm×100mm。如图二所示。
二、既有剪力墙非线性有限元的分析过程
本文按照受力简图来模拟既有剪力墙的受力情况，在施加荷载时考虑到荷载直接作用在混凝土单元上会导致应力集中，使得局部混凝土的崩溃导致结构的整体提前破坏而不能进行准确地分析。解决这种的问题有两种方法，一是在力的作用点处将网格划分的更细；二是在模型的集中力作用点处添加钢板。考虑到本文所选的无翼缘短肢剪力墙的模型比较规则，不便在局部将网格细分。因此，在模型的集中力的作用点处添加一矩形的钢板，其截面尺寸为200mm×100mm×600mm。这样外力作用在钢板上，通过单元力的传递而传给混凝土单元，防止集中力直接作用在混凝土上所产生的应力集中的现象。同时，增加的钢板也可以加速收敛。
图二 既有剪力墙开洞后的有限元网格划分图
三、 既有剪力墙的非线性有限元的分析结果
通过对对有限元模型在倒三角形荷载的作用下结构受力情形的模拟，在ANSYS的非线性有限元分析之后，可以得出剪应力云图、首裂缝以及破坏裂缝分布形态图。
从剪应力云图（图三）中可以看出：对于每层来说连梁的剪应力要大于墙肢剪应力，整个结构模型中的最大剪应力值出现在第三层的连梁端部，并不是在底层，墙肢的最大剪应力也不是出现在底层。因此在加固过程中要注意中间层墙体及新增连梁的加固。
图三 双肢短肢剪力墙模型的剪应力云图
本文还给出了该片剪力墙在外力作用下的首裂缝及破坏裂缝分布形态图，双肢短肢剪力墙结构在倒三角形荷载作用下的首裂缝和破坏裂缝的分布图，从图中可以发现整个结构在水平荷载作用下，首先在右墙肢的底部发生开裂。与右墙肢相联系的连梁一端发生开裂，其裂缝是从底部向上发展的，而与左墙肢相联系的连梁的上侧开始开裂不断向下发展。随着荷载的增加，连梁的裂缝不断增大，此时，左墙肢处于受压状态，墙肢的底部也开始出现水平裂缝，而右墙肢则处于受拉状态。荷载的继续增加，左墙肢的水平裂缝不断向上延伸，连梁开始屈服。同时，左墙肢的第一条裂缝继续向墙肢内部延伸；右墙肢裂缝发展迅速。再加大荷载时，连梁也开始出现裂缝并向右墙肢发展，所有的裂缝不断的变宽、变长，形成贯通的裂缝，连梁首先破坏，使得墙肢丧失约束而形成两片单独的墙肢，从而导致了整体结构发生破坏。
图四 既有剪力墙开洞后的首裂缝及破坏裂缝分布形态图
四、结束语
房屋改造过程中，在既有剪力墙上开洞是常见的。如果仅按照现有的规范做法很难达到协同工作的目的。希望通过本文对这类墙体的受力分析能够对类似墙体的加固设计有帮助。在进行开洞后墙体加固应尽量采用混凝土进行加固设计，同时更要注意因开洞而形成的连梁的加固。
参考文献：
['1']包世华 方鄂华；《高层建筑结构设计》（第二版）['M']；清华大学出版社，2001；
['2']《混凝土结构设计规范》['M']，中国建筑工业出版社，2002；
['3'] 容柏生，高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构['J'],建筑结构；1997；
['4'] 张晋、吕志涛，短肢剪力墙—筒体结构模型结构振动台实验研究['J']，东南大学学报，2001；
['5'] 刘伟，王娱，朱蕴东，双肢短肢剪力墙结构抗震性能实验研究['J']，世界地震工程，2004，6；
赠人玫瑰，手有余香。
摘要：人们在对既有建筑物进行改造过程中经常会遇到在既有剪力墙上增设门窗洞口的情况。既有剪力墙开洞后，在外荷载作用下，内力将会重新分布。本文利用非线性有限元的分析方法对这种开大洞口的剪力墙进行简化模拟，对剪力墙的受力性能进行分析，讨论了这种既有剪力墙的开裂和破坏形态，希望对今后类似工程的加固设计能有参考作用。
关键词：既有剪力墙 内力重分布 非线性有限元分析
The Existing Shear Wall with Big Hole is Stuided
by Noliner Finite Element Anlysis
LiliPing
( Nan Jing Gu Qiang Construction Technology Co., Ltd Jiang Su Nan Jing)
Abstract: People often encounter shear wall in both windows and doors of the mouth of the cave in the reform process of adjacent buildings. The internal forces of shear wall with opening hole will have to distribution under outer loads. This paper, the shear wall with opening big hole is simply simulated and analyzed by nonlinear finite element method. This article mainly discussed the mechanical performance and it’s crack and damage form. Hoped will be able to have the reference function to the next similar project reinforcement design.
Keywords: existing shear wall; redistribution of internal force; nonlinear finite element
前言
由于这种既有剪力墙的设置给业主的使用带来不便，需要增设门窗洞口，开洞后能够更好地满足业主的使用的要求，因此近年来被越来越多地应用于住宅建筑及商业建筑的改造工程中。但既有剪力墙开洞后导致墙体的内力重新分布，其受力性能也较为复杂。
开洞后剪力墙的抗震性能较差，国家相关规范和规程中对剪力墙的开洞进行了较严格的规定，因此剪力墙在开洞前需要论证分析是否可行，若可行，应该对其进行相应的加固处理。本文对这种开洞后的剪力墙进行计算和分析是为了在实际工程中，当不可避免需要改造时，能够对其合理加固设计提供参考。本文通过对这种既有剪力墙的非线性有限元分析，给出了相应的结论。
一、开洞后剪力墙的有限元模型建立及类型判别
在进行短肢剪力墙的受力分析之前，首先要能了解开洞后剪力墙的类型才能合理地进行计算分析。开洞后，原剪力墙会出现新的连梁，由于连梁和墙肢是共同工作的，我们可以根据考虑轴向变形的整体参数α来划分剪力墙：
（1－1）
式中 H —— 建筑物的总高度；
D —— 连梁的刚度系数；
h —— 层高；
T —— 轴向变形影响参数；
—— 各墙肢的刚度。
式（1－1）中的α值实际上是反映了连梁与墙肢刚度之间的比例关系。如果剪力墙的洞口很大，连梁的刚度很小，墙肢的刚度又相对较小，也就是α的值较小。此时连梁的约束作用很弱，两墙肢的联系很差。在地震力作用下，双肢墙转化为由连梁铰接的两段悬臂墙，这时墙肢轴力为零，地震所产生的弯矩由两段独立的悬臂墙直接分担。如果剪力墙的洞口很大，连梁的刚度也很大，墙肢的刚度又相对较小，则α的值较大。此时连梁的约束作用很强，墙的整体性很好，双肢墙转化为整体悬臂墙，墙肢中的轴力抵抗地震作用产生的弯矩的大部分，因此墙肢中的弯矩较小。当α的值介于上述两种情况之间时，独立悬臂墙与整体悬臂墙二者都在起作用，此时，墙肢截面上的实际正应力由两部分组成，一部分是作为整体悬臂墙作用产生的正应力，另一部分是作为独立悬臂墙作用产生的正应力。
本文选用的模型是某工程中业主需要在一至八层同样位置处得剪力墙新增设洞口，洞口尺寸为1500mmX2200mm，由于新增设洞口较大，根据上面的判别方法，原有剪力墙变成双肢剪力墙。本文采用非线性有限元建立模型进行分析。模型荷载采用倒三角形荷载模式，该建筑物总高度约为25m，因此该片剪力墙总高度亦25m，其截面尺寸如图一所示。
图一 既有剪力墙开洞截面示意图（单位：mm）
本模型中既有剪力墙选取的单元为SOLID65，文在荷载作用处增设矩形钢板，矩形钢板选用的单元为SOLID45。为了在弹塑性分析时综合考虑上述因素，建立本构关系时，应同时考虑以下三个基本要求：
（1）假定一个符合材料特性的屈服准则；
（2）建立合适的塑性变形流动法则；
（3）建立与材料变形特征相应的硬化和软化定律；
除此之外，还应从三个方面加以探讨：混凝土的特性、钢筋的特性以及钢筋与混凝土之间的粘结和滑移现象。
综合考虑后本文混凝土的本构关系采用的是《混凝土结构设计规范》规定的本构关系，钢筋的本构关系采用的是理想弹塑性模型。有限元建模的过程中采用体直接建模法，在划分网格时，先对线划分网格然后在对体的网格进行划分，单元的大小为100mm×100mm×100mm。如图二所示。
二、既有剪力墙非线性有限元的分析过程
本文按照受力简图来模拟既有剪力墙的受力情况，在施加荷载时考虑到荷载直接作用在混凝土单元上会导致应力集中，使得局部混凝土的崩溃导致结构的整体提前破坏而不能进行准确地分析。解决这种的问题有两种方法，一是在力的作用点处将网格划分的更细；二是在模型的集中力作用点处添加钢板。考虑到本文所选的无翼缘短肢剪力墙的模型比较规则，不便在局部将网格细分。因此，在模型的集中力的作用点处添加一矩形的钢板，其截面尺寸为200mm×100mm×600mm。这样外力作用在钢板上，通过单元力的传递而传给混凝土单元，防止集中力直接作用在混凝土上所产生的应力集中的现象。同时，增加的钢板也可以加速收敛。
图二 既有剪力墙开洞后的有限元网格划分图
三、 既有剪力墙的非线性有限元的分析结果
通过对对有限元模型在倒三角形荷载的作用下结构受力情形的模拟，在ANSYS的非线性有限元分析之后，可以得出剪应力云图、首裂缝以及破坏裂缝分布形态图。
从剪应力云图（图三）中可以看出：对于每层来说连梁的剪应力要大于墙肢剪应力，整个结构模型中的最大剪应力值出现在第三层的连梁端部，并不是在底层，墙肢的最大剪应力也不是出现在底层。因此在加固过程中要注意中间层墙体及新增连梁的加固。
图三 双肢短肢剪力墙模型的剪应力云图
本文还给出了该片剪力墙在外力作用下的首裂缝及破坏裂缝分布形态图，双肢短肢剪力墙结构在倒三角形荷载作用下的首裂缝和破坏裂缝的分布图，从图中可以发现整个结构在水平荷载作用下，首先在右墙肢的底部发生开裂。与右墙肢相联系的连梁一端发生开裂，其裂缝是从底部向上发展的，而与左墙肢相联系的连梁的上侧开始开裂不断向下发展。随着荷载的增加，连梁的裂缝不断增大，此时，左墙肢处于受压状态，墙肢的底部也开始出现水平裂缝，而右墙肢则处于受拉状态。荷载的继续增加，左墙肢的水平裂缝不断向上延伸，连梁开始屈服。同时，左墙肢的第一条裂缝继续向墙肢内部延伸；右墙肢裂缝发展迅速。再加大荷载时，连梁也开始出现裂缝并向右墙肢发展，所有的裂缝不断的变宽、变长，形成贯通的裂缝，连梁首先破坏，使得墙肢丧失约束而形成两片单独的墙肢，从而导致了整体结构发生破坏。
图四 既有剪力墙开洞后的首裂缝及破坏裂缝分布形态图
四、结束语
房屋改造过程中，在既有剪力墙上开洞是常见的。如果仅按照现有的规范做法很难达到协同工作的目的。希望通过本文对这类墙体的受力分析能够对类似墙体的加固设计有帮助。在进行开洞后墙体加固应尽量采用混凝土进行加固设计，同时更要注意因开洞而形成的连梁的加固。
参考文献：
['1']包世华 方鄂华；《高层建筑结构设计》（第二版）['M']；清华大学出版社，2001；
['2']《混凝土结构设计规范》['M']，中国建筑工业出版社，2002；
['3'] 容柏生，高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构['J'],建筑结构；1997；
['4'] 张晋、吕志涛，短肢剪力墙—筒体结构模型结构振动台实验研究['J']，东南大学学报，2001；
['5'] 刘伟，王娱，朱蕴东，双肢短肢剪力墙结构抗震性能实验研究['J']，世界地震工程，2004，6；
赠人玫瑰，手有余香。