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短肢剪力墙非线性力学模型及地震反应分析

张守军  
【摘要】: 短肢剪力墙结构是一种新型建筑结构形式,由于其建筑功能、结构受力和工程造价均较合理,近年来在我国得到了广泛地应用和发展。但短肢剪力墙在地震区应用经验不多,尚缺少深入的研究和实际地震的考验。为安全起见,高层规程对这种结构抗震设计进行了更加严格的规定。对短肢剪力墙结构抗震性能的研究,可以完善设计理论以及规范的相关规定,为抗震设计提供必要的参考依据。结构非线性地震反应的计算机模拟分析技术是研究结构非弹性地震反应规律的基本工具与手段之一,用计算机模拟的方法进行短肢剪力墙结构弹塑性地震反应的研究,不仅具有理论上的意义而且具有广阔的应用前景。围绕上述目标,本文主要完成了以下工作。 进行了短肢剪力墙基本受力性能的分析研究,为有限元模型的建立提供了必要的基础。(1)短肢剪力墙属中高剪力墙,其发生弯曲破坏的可能性较大,并且可以通过调整配箍率,使其破坏趋向于弯曲破坏这种延性较好的破坏形式。(2)剪力滞效应对其侧移刚度有一定的影响,但随着构件长宽比增加,其影响程度越来越小。高层结构中的短肢剪力墙,剪力滞效应对其侧移刚度的影响很小。(3)短肢剪力墙开裂或进入弹塑性阶段后,会发生中性轴偏移和主惯性轴的扭转现象,从而影响构件的抗弯刚度,并产生构件的伸长和斜弯曲。本文提出了广义形心和主刚度惯性矩的概念,从而为构件进入弹塑性状态后的研究提供了理论依据。(4)短肢剪力墙属于强肢弱梁型结构,连梁的屈服先于墙肢的屈服,连梁屈服后其内力在构件之间发生重分布,为结构抗震提供了多道防线。(5)研究了短肢剪力墙截面几何参数对其力学性能的影响。 本文建立了基于有限单元柔度法并考虑剪切变形和几何非线性的弹塑性纤维单元模型,从而有效地提高了计算的精度,并使模型可以用于短柱及剪力墙等长细比较小的构件分析。目前,大多数有限元模型是基于刚度法建立的,但刚度法单元由于位移形函数的近似性,在强非线性阶段位移插值函数严重偏离了构件真实的位移场分布。有限单元柔度法的基本思路是将力选作未知量采用力的插值函数,作为问题求解的出发点,对于假定的任意截面内力分布,作为单元控制方程之一的平衡条件也总是能得到严格满足。在结构分析中可以用一个单元模拟一个构件,从而减少了单元量,增加了计算的效率。纤维模模型是目前处理空间杆系双向弯曲与变轴力耦合问题最为实用有效的分析模型,它同时可以正确反映异形截面构件开裂或进入弹塑性阶段后,中性轴偏移和主惯性轴的扭转对构件刚度、构件伸长和双向弯曲的影响。 根据基于有限单元柔度法纤维单元模型,本文研制了结构非线性分析程序,实现了钢筋混凝土剪力墙结构材料与几何双重非线性问题的模拟。程序的静力非线性分析采用荷载增量法与牛顿-拉斐逊法相结合的方法,动力响应问题的求解采用Newmark-β法进行。程序的研制采用模块化编程思路,各模块之间相对独立,通过接口进行连接,可以根据计算需要接入不同的模块,从而完成不同的计算功能。每一杆件单元的不同纤维可以具有不同的材料特性,便于处理诸如钢筋混凝土构件这类由不同材料构成的杆件模拟问题。程序除能输出宏观构件层次的计算数据外,还能得到纤维的应力或应变历程这样的细部信息,为研究者进行结构抗震性能的深入研究提供了更多便利。 采用本文研制的结构非线性分析程序,成功模拟了各种类型的钢筋混凝土短肢剪力墙构件和部分对称双肢剪力墙结构的拟静力试验,并对部分试验未能给出的数据做了进一步地分析。模拟结果正确反应了各种短肢剪力墙构件和结构的受力性能,并与实验结果显示出良好的一致性。验证了本文所建理论的正确性和所研制的结构非线性分析程序求解问题的有效性与可靠性,从而可以代替部分实验,为结构抗震性能研究提供了一个非常有力的手段。最后,完成了短肢剪力墙结构的动力特性分析和非线性时程分析,结果表明短肢剪力墙结构具有较好的抗震性能,结构的薄弱部位位于底部,在构件设计时应适当加强。


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