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中高层密肋复合墙—剪力墙混合结构协同工作性能与抗震设计方法研究

张旭峰  
【摘要】: 密肋复合墙—剪力墙混合结构系由带边框的密肋复合墙板与混凝土剪力墙组合而形成联合抗侧力的一种结构体系。这种新型结构体系在保持了密肋复合墙结构的诸多优点的基础上,将部分复合墙用混凝土剪力墙取代,从而使整个结构的抗侧力体系加强,结构的整体抗震能力提高。本文在总结分析已有研究成果的基础上,以密肋复合墙—剪力墙混合结构为主要研究对象,利用数值分析与解析分析相结合的方法,围绕着结构的协同工作原理、结构的非线性分析模型两个方面开展了研究工作,着重对密肋复合墙—剪力墙混合结构的协同工作性能及计算方法、剪力墙刚度优化方法和在水平地震作用下的非线性行为进行了较为深入细致的研究,并对密肋复合墙—剪力墙混合结构的抗震设计方法和构造措施进行了一些初步的研究和探讨,主要研究内容及成果如下: (1)根据高层建筑混凝土结构技术规程以及《密肋壁板结构技术规程》,研究了密肋复合墙—剪力墙混合结构的协同工作性能。采用合理假定建立了其计算简图,并进行了密肋复合墙和剪力墙的协同工作计算。深入分析了密肋复合墙体和层间剪力墙的内力分配与变形协调。 (2)以结构协同工作的能量化分析及我国现行抗震设计规范反应谱理论为出发点,建立了结构的优化模型。研究表明:以结构地震作用为目标函数,最大层间位移角为约束条件,在满足层间位移角限值的条件下,结构地震作用最小时的剪力墙刚度即为合理;该优化模型能反映出结构高度、结构重量、抗震等级、场地类别和设计分组等因素对剪力墙合理刚度的影响。 (3)在建立优化模型的基础上,采用MATLAB编程进行实例计算。结合具体实例探讨了连梁刚度和墙肢剪切变形对剪力墙合理刚度的影响,并在不同地震烈度、场地土类别和设计分组情况下对结构的剪力墙合理刚度进行了比较,最后探讨了剪力墙的不同布置对结构受力性能的影响。 (4)在前期试验的基础上,分析了中高层密肋复合墙结构中墙板的受力机理和变形特征,提出适用于中高层密肋复合墙结构计算的宏观模型,并与剪力墙研究较为成熟的多竖杆模型组合,提出了适用于中高密肋复合墙—剪力墙混合结构的宏观单元模型。 (5)利用有限元程序SAP建立了混合结构的宏观模型。推导了SAP程序中有限单元杆件的单元刚度矩阵和力学参数,研究了密肋复合墙和剪力墙的恢复力模型和特征点,使其模型能够较为真实的反应密肋复合墙体和剪力墙的受力、变形特征。 (6)采用SAP有限元程序对密肋复合墙—混凝土剪力墙混合结构进行了非线性地震反应分析。利用静力非线性分析方法对密肋复合墙—剪力墙混合结构在地震作用下的抗震性能进行了评估;同时利用时程分析方法对密肋复合墙—剪力墙混合结构在不同地震波作用下的非线性变形特征进行了研究。 (7)在密肋复合墙—剪力墙混合结构的解析解和数值解的基础上,通过与密肋复合墙结构体系和传统结构体系—框架、剪力墙、框剪结构等结构体系的对比分析,提出了密肋复合墙—剪力墙混合结构的实用设计计算方法和构造措施。 本文的创新之处在于: (1)基于能量原理推导了具有协同工作性能的混合结构变形曲线方程 从能量原理出发,建立了水平荷载作用下考虑墙肢剪切变形和轴向变形时刚接体系的系统势能方程,其中采用铁木辛科梁原理考虑连梁的剪切变形对弯曲应变能的影响。再利用连梁的剪力平衡,建立结构约束方程,从而构造辅助泛函,根据变分原理,建立结构的平衡微分方程,求解结构的位移,进而求解结构的内力。 (2)提出了密肋复合墙—剪力墙混合结构中剪力墙的刚度优化设计方法 以混合结构协同工作中能量化分析及我国现行抗震设计规范反应谱理论为出发点,建立了密肋复合墙—剪力墙混合结构的优化模型,即以结构地震作用为目标函数,最大层间位移角为约束条件,在满足层间位移角限值的条件下,结构地震作用最小时的剪力墙数量最为合理。探讨了剪力墙布置时应注意的问题。 (3)建立了密肋复合墙—剪力墙结构的非线性宏观单元分析模型 在试验分析的基础上提出了适用于中高层密肋复合墙结构计算的宏观模型,并与剪力墙多竖杆模型结合,形成适用于中高层密肋复合墙—剪力墙混合结构的宏观单元模型。使用SAP中的Link单元建立模型,推导了SAP中Link单元的刚度矩阵,给出了Link单元相对转动中心高度的确定方法。结合密肋复合墙和剪力墙的恢复力模型及其特征点,确定了Link单元的不同连接单元力—位移关系。并对密肋复合墙—剪力墙结构进行了非线性地震反应分析。


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