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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 混合结构研究所涉及的基本内容
• 1.2.1 混合结构协同工作原理
• 1.2.2 混合结构协同工作的线性、非线性反应计算方法
• 1.2.3 非线性计算中的结构单元恢复力模型
• 1.2.4 混合结构优化设计方法
• 1.3 本文的研究目的和内容
• 1.3.1 目前研究中的问题
• 1.3.2 本文研究内容
• 参考文献
• 2 基于能量法的密肋复合墙-剪力墙结构协同工作计算分析
• 2.1 引言
• 2.2 密肋复合墙—剪力墙混合结构的基本假设和计算简图
• 2.2.1 密肋复合墙—剪力墙结构协同工作原理与基本假设
• 2.2.2 密肋复合墙—剪力墙混合结构协同工作计算简图
• 2.2.3 密肋复合墙的等效刚度
• 2.2.4 连续连杆法的基本假设
• 2.3 密肋复合墙—剪力墙刚接体系基于能量法的结构平衡微分方程
• 2.3.1 密肋复合墙—剪力墙混合结构势能方程推导
• 2.3.2 密肋复合墙—剪力墙混合结构平衡微分方程求解
• 2.3.3 密肋复合墙—剪力墙混合结构平衡微分方程内力求解
• 2.3.4 算例分析
• 2.4 密肋复合墙—剪力墙基于能量法的整体稳定性研究
• 2.4.1 基本假定和侧移函数
• 2.4.2 混合墙肢和连梁沿楼层截面属性不变
• 2.4.3 混合墙肢和连梁沿楼层截面属性改变
• 2.4.4 算例分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 密肋复合墙—剪力墙结构基于优化原理的剪力墙合理刚度及布置
• 3.1 引言
• 3.2 地震作用下密肋复合墙—剪力墙结构中剪力墙合理刚度
• 3.2.1 地震作用
• 3.2.2 考虑墙肢剪切变形的最大层间位移角
• 3.2.3 不考虑墙肢剪切变形的最大层间位移角
• 3.2.4 误差分析
• 3.2.5 优化模型
• 3.3 计算方法及算例
• 3.3.1 拉格朗日乘子优化算法
• 3.3.2 计算步骤
• 3.3.3 计算程序
• 3.3.4 算例及分析结果
• 3.3.5 剪力墙设置数量
• 3.4 剪力墙布置对密肋复合墙—剪力墙结构受力性能的影响
• 3.4.1 结构信息
• 3.4.2 方案选取
• 3.4.3 结果分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 4 密肋复合墙—剪力墙混合结构宏观力学模型分析
• 4.1 引言
• 4.2 密肋复合墙受力性能及宏观单元分析模型研究
• 4.2.1 密肋复合墙体受力性能和破坏模型
• 4.2.2 密肋复合墙体宏观单元分析模型研究
• 4.3 宏观分析模型在有限元程序中的实现
• 4.3.1 竖杆Link单元的刚度方程
• 4.3.2 确定中竖杆相对转动中心高度
• 4.3.3 确定Link单元的连接单元属性
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 密肋复合墙体压、弯、剪复合受力试验计算对比
• 4.4.2 密肋复合墙结构振动台试验计算对比
• 4.4.3 结论
• 4.5 剪力墙结构单元的力学模型及恢复力模型
• 4.5.1 破坏形态
• 4.5.2 力学模型
• 4.5.3 钢筋混凝土剪力墙弯由恢复力模型及其特征点的确定
• 4.5.4 剪力墙恢复力模型及其特征点的确定
• 4.6 密肋复合墙—剪力墙混合结构模态分析
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 5 密肋复合墙—剪力墙混合结构弹塑性地震反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 混合结构静力弹塑性反应分析
• 5.2.1 Push-over方法的基本原理和实施步骤
• 5.2.2 水平加载模式的选择
• 5.3 基于位移的地震反应非线性静力分析的实现
• 5.3.1 模型尺寸及材料性质
• 5.3.2 塑性铰力—位移关系确定
• 5.3.3 结构整体模型
• 5.3.4 结构静力弹塑性分析
• 5.3.5 密肋复合墙—剪力墙混合结构抗震性能评估
• 5.4 密肋复合墙-剪力墙混合结构弹塑性时程反应分析
• 5.4.1 结构模型假定和运动微分方程
• 5.4.2 集中质量矩阵
• 5.4.3 阻尼
• 5.4.4 输入地震波选择
• 5.5 弹塑性时程反应方程的数值积分法
• 5.5.1 基本假设和思路
• 5.5.2 求解方法
• 5.5.3 参数选取
• 5.5.4 实例计算
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 密肋复合墙—剪力墙结构实用设计计算方法及构造研究
• 6.1 引言
• 6.2 设计原则
• 6.3 中、高层密肋复合墙—剪力墙混合结构概念设计
• 6.3.1 密肋复合墙—剪力墙混合结构的变形特征
• 6.3.2 混合结构抗震等级、轴压比、房屋使用高度和高宽比的调整
• 6.3.3 密肋复合墙部分总剪力的调整
• 6.3.4 混合结构中剪力墙的合理布置
• 6.3.5 结构竖向布置
• 6.3.6 楼盖结构
• 6.3.7 水平位移限值
• 6.4 密肋复合墙—剪力墙混合结构计算分析
• 6.4.1 一般规定
• 6.4.2 计算模型和计算程序的选用
• 6.4.3 钢筋混凝土连梁设计
• 6.4.4 混凝土墙体底部基础设计
• 6.5 密肋复合墙—剪力墙混合结构构造要求
• 6.5.1 一般规定
• 6.5.2 剪力墙构造
• 6.5.3 密肋复合墙体、剪力墙的连接构造
• 6.5.4 连梁构造
• 6.6 其他
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 主要工作及结论
• 7.2 建议与展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间参加的主要科研项目