剪力墙开洞结构受力性能的研究

第30卷，第3期

2014年9月世界地震工程WOＲLDEAＲTHQUAKEENGINEEＲINGVol．30No．3Sep．2014文章编号：1007－6069（2014）03－0023－04

剪力墙开洞结构受力性能的研究

赵更歧，肖

摘水，鲁渊，黄小星，郭春立（郑州大学土木工程学院，河南郑州450000）要：剪力墙作为框架剪力墙结构主要的抗侧力构件，在其上开设洞口，不仅会降低剪力墙自身抗

而且会对原有框架剪力墙结构的抗震性能产生影响。以一个15层钢筋混凝土框架剪力墙侧能力，

写字楼为例，对该写字楼的各层剪力墙进行开洞，利用ANSYS有限元软件建立该框剪结构开洞前与

开洞后的有限元模型，分析当开洞率变化时，开洞剪力墙在多遇地震作用下的变形以及应力的变化

情况。得出了剪力墙开洞后，在洞口的上角部应力集中严重，需在此部位采用粘贴斜向钢板或增设

钢筋混凝土斜梁的方法进行加固补强。

关键词：开洞剪力墙；ANSYS；地震反应

中图分类号：P315文献标志码：A

Studyonstructureperformanceoftheholeonshearwall

ZHAOGengqi，XIAOShui，LUYuan，HUANGXiaoxing，GUOChunli

（DepartmentofCivilEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou，450000，China）

Abstract：Shearwallasthemaincomponenttoresistlateralforceontheframe－shearwallstructure，openingaholeonitwillnotonlyreducethelateralresistanceoftheshearwall，butalsohaveaninfluenceonthestructureseismicperformanceoftheoriginalframeshearwall．A15layerreinforcedconcreteframeshearwallwithaofficebuilding，asanexample，wasopenedholesonthelayersofshearwallandframedshearstructurebyusingANSYSfiniteelementsoftwaretoestablishthefiniteelementmodelofopenholebeforeandaftertheopeninghole，andusedtoanalyzethechangeofstresswhenopenedholeratechange，openedholedeformationofshearwallsundertheac-tionofmoresevereearthquake．ItwasconcludedthatthestressconcentrationontheshearwallafteropenholeAn-gleisserious，anditcanbereinforcedinthisplacebyusingthestickupobliquetothesteelplateoraddingrein-forcedconcretebeammethod．

Keywords：Shearwallwithopenings；ANSYS；earthquakeresponse

引言

在工程改造加固领域，往往会遇到业主为了改变建筑的使用功能，需对既有结构中的剪力墙开设洞口，剪力墙开洞已经成为改造工程中一种常见的形式。然而，剪力墙作为框架－剪力墙结构主要的抗侧力构件，在其上开设洞口，不仅会降低剪力墙自身的抗侧能力，而且还会对原有框架－剪力墙结构的抗震性能产生影［1］《混凝土结构加固构造图集06SG311－1》上有关于剪力墙开洞粘钢的构造图；但是当洞口大小不响。在

一样时，所采用的方法没有明确的规定。因此，对既有剪力墙开洞后的抗震性能进行研究，可以直观地了解剪力墙开洞后对整个结构的影响，为改造加固设计提供依据，从而避免了盲目设计与施工，对改造加固工程

收稿日期：2014－02－22；修订日期：2014－06－21

作者简介：赵更歧（1970－），博士，主要从事工程加固技术研究．E－mail：zhaogengqi@zzu．edu．cn男，教授，

有一定的指导意义。

1模型建立

结构形式为框架－剪本工程位于抗震设防烈度为7度的地区，

力墙结构，属于乙类建筑，地面粗糙程度类别为B类，场地类型为Ⅲ

类。该工程共十五层，平面为，首层层高，其它各层层高均为；柱截

面尺寸为，梁截面尺寸为，剪力墙厚度为，楼板厚度为。结构平面布

置及剪力墙分布如图1所示，本论文所研究的有限元模型采用AN-

SYS整体式有限元方法进行建模［2］，梁、柱单元采用BEAMl88单元，

剪力墙、楼板采用SHELL63单元，本工程所建模型，其底端均采用固

结。在模型中，实现底端固结的方式是将模型底部与地面接触的所

［3］有节点均施加全部约束。本论文所研究目的是探讨一个15层钢

筋混凝土框架结构内部剪力墙开洞率的变化所引起的结构自身变

形情况以及剪力墙自身应力变化情况。因此考虑以下二种方案：方

案一、各层部分剪力墙居中开洞；方案二、原结构，即均未开洞。而

方案一又考虑洞口尺寸不同，即开洞率的不同，又进行了细分。方

G2、G3；方案二所选具体模型为：WK。案一所选具体模型为：G1、

所选开洞模型具体参数见表1。

表1

Table1

模型名称

G1

G2

G3

WK方案二方案一方案图1结构平面布置图及剪力墙分布ThestructurelayoutanddistributionofshearwallFig．1ANSYS模型及参数洞口尺寸modelsandparametersofANSYSB（m）1230H（m）22

20无开洞剪力墙开洞的洞口形式

2各层剪力墙开洞模型变形分析

对该框剪结构中的各层剪力墙按照方案一的三种模型分别开设洞口，在地震作用下，对开洞后的模型采用有限元分析软件ANSYS进行计算分析，对比方案一中三种不同开洞模型与方案二中WK模型在相同地震作用下的楼层位移、层间位移角，如图2所示

。

图2

Fig．2X方向的楼层位移和层间位移角ThedisplacementanddisplacementAnglebetweenthelayersofXdirection

G2、G3三种模型的楼层位移曲线变化均匀，方案一中G1、楼层位移随着楼层数的从图2左图可以得出，

G1、G2、G3模型的各层水平位移也呈现增大趋势，G1、增加逐渐增大；随着各层剪力墙开洞率的增加，此外，

G2、G3三种模型在地震作用方向的各层水平位移明显大于原结构模型WK的水平位移，说明了剪力墙开洞

后，削弱了原结构的刚度，随着开洞率的增大，刚度削弱越严重。

G2、G3三种模型的层间位移角曲线先是随楼层数的增加逐渐增大，从图2右图可以得出，方案一中G1、

G1、G2、G3模型在X方当达到最大层间位移角后，层间位移角又逐渐减少。随着各层剪力墙开洞率的增加，

WK、G1、G2、G3四种模型的最大层间位移角分别发生在结构的第九层、向的最大层间位移角逐渐增大，第八

1/3954、1/3809、1/3498均小于规范层、第七层、第五层，最大层间位移角分别为1/3966、［4］规定的1/800。

3

3．1各层剪力墙开洞模型应力分析应力分析

对该框剪结构中的各层剪力墙按照方案一的三种模型分别开设洞口，并采用ANSYS进行计算，分析该框剪结构剪力墙开洞后的应力变化情况。在输入X方向单向地震力作用下，通过反应谱分析，得到原结构WK模型的应力集中部位出现在首层剪力墙底部两个角部；G1开洞模型应力集中部位分别出现在首层剪力墙的底部两个角部和各层剪力墙开洞洞口四个角部；G2和G3开洞模型应力集中部位均出现在各层剪力墙开洞洞口四个角部。随着各层剪力墙开洞率的不断增加，应力集中部位的位置由首层剪力墙底部两个角部转移到各层剪力墙开洞洞口四个角部附近。现选取每层洞口的右上角处的节点应力值进行分析，绘出右上角部节点的应力值沿楼层变化曲线图，如图3所示

。

图3

Fig．3各层洞口右上角第一主应力值楼层变化曲线thefirstprincipalstressoftheupperrightcornerineachholeschangingcurve

G2、G3三种模型来说，对于G1、各层的洞口角部均出现应力集中现象，且随着开洞率的根据图3可知，

增加，应力集中程度越来越大；对于每种模型来说，第二层剪力墙的洞口右上角部应力集中程度均大于其他

G2、G3三模型第二各层洞口右上角部应力集中程度，即第二层剪力墙相对于其他各层易先出现开裂。G1、

层开洞剪力墙应力云图如图4所示。

开洞剪力墙的应力云图左右基本呈对称分布，因此选取右半部分应力云图中具有代表性的节点的应力进行分析。根据图4所示应力云图，分别选取右半部分洞口上下两个角部节点，洞口下角左侧节点，并以洞

Y轴（竖向）正负向各取一个节点，口上角节点为中心点分别沿X轴（水平向）正负向、进行应力分析，随着

Y方向的各节点应力各层剪力墙开洞率的增加，在第二层处洞口上下角处和以洞口上角节点为中心，沿X、

值明显增大。其中洞口上角节点和沿X轴负向节点的应力值变化幅度最大，应力集中程度最明显，即裂缝易从这些部位开始出现

。

图4

Fig．4G1、G2、G3三个模型第二层开洞剪力墙的应力云图1stprincipalstressofthesecondfloorofG1，G2，G3

G2第二层开洞剪力墙最大应力出现在洞口上角处，通过对节点应力值进行对比分析，可知：G1、剪力墙

易先从洞口上角处开裂；在洞口角部出现水平方向和竖向裂缝。G3开洞剪力墙最大应力均出现在洞口上角的左方0．5m处附近，即距连梁右端0．5m处节点应力值最大，连梁右端0．5m处附近易先出现开裂，在连梁右端产生垂直连梁的裂缝；其次洞口上角部出现开裂，在洞口上角部产生水平裂缝。

3．2加固建议

各层剪力墙开洞后，应力集中部位由首层剪力墙两个角部转移到各层剪力墙洞口四个角部附近，且结构在第二层开洞剪力墙应力集中程度最大。随着第二层剪力墙开洞率的增加，洞口四个角部和连梁端部0．5m处附近的混凝土应力值变化幅度最大，应力集中程度最明显，即裂缝易从这些部位开始出现，并沿着竖向、水平向延伸。针对于这些可能出现裂缝的位置，可以采用粘贴钢板法、钢板套灌注法以及增加斜向支撑等加固方法进行补强；同时，对连梁部分可采用粘钢、增大截面的方法进行加固补强［5］，使连梁的刚度得以保证。4结论

以一个15层钢筋混凝土框架剪力墙写字楼为例，利用ANSYS有限元软件分别建立该框剪结构开洞前与开洞后的有限元模型，分析当开洞率变化时，开洞剪力墙在多遇地震作用下的变形以及应力的变化情况，得出：

（1）随着各层剪力墙开洞率的增加，G1、G2、G3模型的各层水平位移呈现增大趋势。

（2）该结构开洞后，应力集中部位由首层剪力墙两个角部转移到各层剪力墙洞口四个角部附近，且第二层开洞剪力墙应力集中程度最大；在第二层，最大第一主应力由洞口上角部转移到连梁端部0．5m处，洞口四个角部和连梁端部0．5m处附近的混凝土应力集中程度最大，裂缝易先从这些部位开始沿着竖向、水平向展开。

（3）针对该剪力墙开洞后，洞口上角部易出现裂缝的部位可粘贴斜向钢板或增设钢筋混凝土斜梁的方法进行加固补强，墙肢和连梁上易出现的裂缝的部位可沿墙肢和连梁通长粘贴钢板或采取增大截面的方法进行加固补强。

参考文献

［1］陈怀亮，张大长，张旭东．钢筋混凝土开洞剪力墙极限承载力分析模型的改进［J］．南京工业大学学报，2007，2（29）CHENHuailiang，

ZHANGDachang，ZHANGXudong．ModificationonanalysismodelsofultimatestrengthofＲCshearwallwithopening［J］．JournalofNanjingU-niversityofTechnology，2007，2（29）

［2］肖良丽，陈萌，孟会英．ANSYS分析短肢剪力墙抗震性能［J］．世界地震工程，2007，23（2）171～175XIAOLiangli，CHENMen，MEN

Huiying．ANSYSanalysisofearthquake－resistantbehaviorofshort－limbedwalls．WorldEarthquakeEngineering，2007，23（2）171～175［3］张瑞芳．ANSYS8．0应用基础与实例教程［M］．北京：电子工业出版社，2006．2～3ZHANGＲuifang．TheapplicationofANSYS8basedtuto-

rialsandexamples［M］．Beijing：ElectronicsindustryPress，2006．2～3

［4］JGJ3－2010，S］JGJ3－2010，Specificationofdesignoftallbuildingstructures［S］高层建筑结构设计规范［

［5］GB50367－2006，S］．GB50367－2006，Designcodeforstrengtheningconcretestructure［S］．混凝土结构加固设计规范［

第30卷，第3期

2014年9月世界地震工程WOＲLDEAＲTHQUAKEENGINEEＲINGVol．30No．3Sep．2014文章编号：1007－6069（2014）03－0023－04

剪力墙开洞结构受力性能的研究

赵更歧，肖

摘水，鲁渊，黄小星，郭春立（郑州大学土木工程学院，河南郑州450000）要：剪力墙作为框架剪力墙结构主要的抗侧力构件，在其上开设洞口，不仅会降低剪力墙自身抗

而且会对原有框架剪力墙结构的抗震性能产生影响。以一个15层钢筋混凝土框架剪力墙侧能力，

写字楼为例，对该写字楼的各层剪力墙进行开洞，利用ANSYS有限元软件建立该框剪结构开洞前与

开洞后的有限元模型，分析当开洞率变化时，开洞剪力墙在多遇地震作用下的变形以及应力的变化

情况。得出了剪力墙开洞后，在洞口的上角部应力集中严重，需在此部位采用粘贴斜向钢板或增设

钢筋混凝土斜梁的方法进行加固补强。

关键词：开洞剪力墙；ANSYS；地震反应

中图分类号：P315文献标志码：A

Studyonstructureperformanceoftheholeonshearwall

ZHAOGengqi，XIAOShui，LUYuan，HUANGXiaoxing，GUOChunli

（DepartmentofCivilEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou，450000，China）

Abstract：Shearwallasthemaincomponenttoresistlateralforceontheframe－shearwallstructure，openingaholeonitwillnotonlyreducethelateralresistanceoftheshearwall，butalsohaveaninfluenceonthestructureseismicperformanceoftheoriginalframeshearwall．A15layerreinforcedconcreteframeshearwallwithaofficebuilding，asanexample，wasopenedholesonthelayersofshearwallandframedshearstructurebyusingANSYSfiniteelementsoftwaretoestablishthefiniteelementmodelofopenholebeforeandaftertheopeninghole，andusedtoanalyzethechangeofstresswhenopenedholeratechange，openedholedeformationofshearwallsundertheac-tionofmoresevereearthquake．ItwasconcludedthatthestressconcentrationontheshearwallafteropenholeAn-gleisserious，anditcanbereinforcedinthisplacebyusingthestickupobliquetothesteelplateoraddingrein-forcedconcretebeammethod．

Keywords：Shearwallwithopenings；ANSYS；earthquakeresponse

引言

在工程改造加固领域，往往会遇到业主为了改变建筑的使用功能，需对既有结构中的剪力墙开设洞口，剪力墙开洞已经成为改造工程中一种常见的形式。然而，剪力墙作为框架－剪力墙结构主要的抗侧力构件，在其上开设洞口，不仅会降低剪力墙自身的抗侧能力，而且还会对原有框架－剪力墙结构的抗震性能产生影［1］《混凝土结构加固构造图集06SG311－1》上有关于剪力墙开洞粘钢的构造图；但是当洞口大小不响。在

一样时，所采用的方法没有明确的规定。因此，对既有剪力墙开洞后的抗震性能进行研究，可以直观地了解剪力墙开洞后对整个结构的影响，为改造加固设计提供依据，从而避免了盲目设计与施工，对改造加固工程

收稿日期：2014－02－22；修订日期：2014－06－21

作者简介：赵更歧（1970－），博士，主要从事工程加固技术研究．E－mail：zhaogengqi@zzu．edu．cn男，教授，

有一定的指导意义。

1模型建立

结构形式为框架－剪本工程位于抗震设防烈度为7度的地区，

力墙结构，属于乙类建筑，地面粗糙程度类别为B类，场地类型为Ⅲ

类。该工程共十五层，平面为，首层层高，其它各层层高均为；柱截

面尺寸为，梁截面尺寸为，剪力墙厚度为，楼板厚度为。结构平面布

置及剪力墙分布如图1所示，本论文所研究的有限元模型采用AN-

SYS整体式有限元方法进行建模［2］，梁、柱单元采用BEAMl88单元，

剪力墙、楼板采用SHELL63单元，本工程所建模型，其底端均采用固

结。在模型中，实现底端固结的方式是将模型底部与地面接触的所

［3］有节点均施加全部约束。本论文所研究目的是探讨一个15层钢

筋混凝土框架结构内部剪力墙开洞率的变化所引起的结构自身变

形情况以及剪力墙自身应力变化情况。因此考虑以下二种方案：方

案一、各层部分剪力墙居中开洞；方案二、原结构，即均未开洞。而

方案一又考虑洞口尺寸不同，即开洞率的不同，又进行了细分。方

G2、G3；方案二所选具体模型为：WK。案一所选具体模型为：G1、

所选开洞模型具体参数见表1。

表1

Table1

模型名称

G1

G2

G3

WK方案二方案一方案图1结构平面布置图及剪力墙分布ThestructurelayoutanddistributionofshearwallFig．1ANSYS模型及参数洞口尺寸modelsandparametersofANSYSB（m）1230H（m）22

20无开洞剪力墙开洞的洞口形式

2各层剪力墙开洞模型变形分析

对该框剪结构中的各层剪力墙按照方案一的三种模型分别开设洞口，在地震作用下，对开洞后的模型采用有限元分析软件ANSYS进行计算分析，对比方案一中三种不同开洞模型与方案二中WK模型在相同地震作用下的楼层位移、层间位移角，如图2所示

。

图2

Fig．2X方向的楼层位移和层间位移角ThedisplacementanddisplacementAnglebetweenthelayersofXdirection

G2、G3三种模型的楼层位移曲线变化均匀，方案一中G1、楼层位移随着楼层数的从图2左图可以得出，

G1、G2、G3模型的各层水平位移也呈现增大趋势，G1、增加逐渐增大；随着各层剪力墙开洞率的增加，此外，

G2、G3三种模型在地震作用方向的各层水平位移明显大于原结构模型WK的水平位移，说明了剪力墙开洞

后，削弱了原结构的刚度，随着开洞率的增大，刚度削弱越严重。

G2、G3三种模型的层间位移角曲线先是随楼层数的增加逐渐增大，从图2右图可以得出，方案一中G1、

G1、G2、G3模型在X方当达到最大层间位移角后，层间位移角又逐渐减少。随着各层剪力墙开洞率的增加，

WK、G1、G2、G3四种模型的最大层间位移角分别发生在结构的第九层、向的最大层间位移角逐渐增大，第八

1/3954、1/3809、1/3498均小于规范层、第七层、第五层，最大层间位移角分别为1/3966、［4］规定的1/800。

3

3．1各层剪力墙开洞模型应力分析应力分析

对该框剪结构中的各层剪力墙按照方案一的三种模型分别开设洞口，并采用ANSYS进行计算，分析该框剪结构剪力墙开洞后的应力变化情况。在输入X方向单向地震力作用下，通过反应谱分析，得到原结构WK模型的应力集中部位出现在首层剪力墙底部两个角部；G1开洞模型应力集中部位分别出现在首层剪力墙的底部两个角部和各层剪力墙开洞洞口四个角部；G2和G3开洞模型应力集中部位均出现在各层剪力墙开洞洞口四个角部。随着各层剪力墙开洞率的不断增加，应力集中部位的位置由首层剪力墙底部两个角部转移到各层剪力墙开洞洞口四个角部附近。现选取每层洞口的右上角处的节点应力值进行分析，绘出右上角部节点的应力值沿楼层变化曲线图，如图3所示

。

图3

Fig．3各层洞口右上角第一主应力值楼层变化曲线thefirstprincipalstressoftheupperrightcornerineachholeschangingcurve

G2、G3三种模型来说，对于G1、各层的洞口角部均出现应力集中现象，且随着开洞率的根据图3可知，

增加，应力集中程度越来越大；对于每种模型来说，第二层剪力墙的洞口右上角部应力集中程度均大于其他

G2、G3三模型第二各层洞口右上角部应力集中程度，即第二层剪力墙相对于其他各层易先出现开裂。G1、

层开洞剪力墙应力云图如图4所示。

开洞剪力墙的应力云图左右基本呈对称分布，因此选取右半部分应力云图中具有代表性的节点的应力进行分析。根据图4所示应力云图，分别选取右半部分洞口上下两个角部节点，洞口下角左侧节点，并以洞

Y轴（竖向）正负向各取一个节点，口上角节点为中心点分别沿X轴（水平向）正负向、进行应力分析，随着

Y方向的各节点应力各层剪力墙开洞率的增加，在第二层处洞口上下角处和以洞口上角节点为中心，沿X、

值明显增大。其中洞口上角节点和沿X轴负向节点的应力值变化幅度最大，应力集中程度最明显，即裂缝易从这些部位开始出现

。

图4

Fig．4G1、G2、G3三个模型第二层开洞剪力墙的应力云图1stprincipalstressofthesecondfloorofG1，G2，G3

G2第二层开洞剪力墙最大应力出现在洞口上角处，通过对节点应力值进行对比分析，可知：G1、剪力墙

易先从洞口上角处开裂；在洞口角部出现水平方向和竖向裂缝。G3开洞剪力墙最大应力均出现在洞口上角的左方0．5m处附近，即距连梁右端0．5m处节点应力值最大，连梁右端0．5m处附近易先出现开裂，在连梁右端产生垂直连梁的裂缝；其次洞口上角部出现开裂，在洞口上角部产生水平裂缝。

3．2加固建议

各层剪力墙开洞后，应力集中部位由首层剪力墙两个角部转移到各层剪力墙洞口四个角部附近，且结构在第二层开洞剪力墙应力集中程度最大。随着第二层剪力墙开洞率的增加，洞口四个角部和连梁端部0．5m处附近的混凝土应力值变化幅度最大，应力集中程度最明显，即裂缝易从这些部位开始出现，并沿着竖向、水平向延伸。针对于这些可能出现裂缝的位置，可以采用粘贴钢板法、钢板套灌注法以及增加斜向支撑等加固方法进行补强；同时，对连梁部分可采用粘钢、增大截面的方法进行加固补强［5］，使连梁的刚度得以保证。4结论

以一个15层钢筋混凝土框架剪力墙写字楼为例，利用ANSYS有限元软件分别建立该框剪结构开洞前与开洞后的有限元模型，分析当开洞率变化时，开洞剪力墙在多遇地震作用下的变形以及应力的变化情况，得出：

（1）随着各层剪力墙开洞率的增加，G1、G2、G3模型的各层水平位移呈现增大趋势。

（2）该结构开洞后，应力集中部位由首层剪力墙两个角部转移到各层剪力墙洞口四个角部附近，且第二层开洞剪力墙应力集中程度最大；在第二层，最大第一主应力由洞口上角部转移到连梁端部0．5m处，洞口四个角部和连梁端部0．5m处附近的混凝土应力集中程度最大，裂缝易先从这些部位开始沿着竖向、水平向展开。

（3）针对该剪力墙开洞后，洞口上角部易出现裂缝的部位可粘贴斜向钢板或增设钢筋混凝土斜梁的方法进行加固补强，墙肢和连梁上易出现的裂缝的部位可沿墙肢和连梁通长粘贴钢板或采取增大截面的方法进行加固补强。

参考文献

［1］陈怀亮，张大长，张旭东．钢筋混凝土开洞剪力墙极限承载力分析模型的改进［J］．南京工业大学学报，2007，2（29）CHENHuailiang，

ZHANGDachang，ZHANGXudong．ModificationonanalysismodelsofultimatestrengthofＲCshearwallwithopening［J］．JournalofNanjingU-niversityofTechnology，2007，2（29）

［2］肖良丽，陈萌，孟会英．ANSYS分析短肢剪力墙抗震性能［J］．世界地震工程，2007，23（2）171～175XIAOLiangli，CHENMen，MEN

Huiying．ANSYSanalysisofearthquake－resistantbehaviorofshort－limbedwalls．WorldEarthquakeEngineering，2007，23（2）171～175［3］张瑞芳．ANSYS8．0应用基础与实例教程［M］．北京：电子工业出版社，2006．2～3ZHANGＲuifang．TheapplicationofANSYS8basedtuto-

rialsandexamples［M］．Beijing：ElectronicsindustryPress，2006．2～3

［4］JGJ3－2010，S］JGJ3－2010，Specificationofdesignoftallbuildingstructures［S］高层建筑结构设计规范［

［5］GB50367－2006，S］．GB50367－2006，Designcodeforstrengtheningconcretestructure［S］．混凝土结构加固设计规范［