剪力墙模型化方法的校核及框-剪结构强震反应分析

论文摘要

剪力墙作为高层建筑体系的主要承重构件，具有抗侧刚度大、抗震性能好的特点，其受力变形特征直接影响着整个结构的性能。鉴于试验成本之昂贵，剪力墙模型化在当今工程界研究领域具有深远的意义。以国外剪力墙模型的相关研究为基础，并依托结构非线性分析模拟平台OpenSEES，本文主要专注于以下几方面的研究：第一，综合比较所选的三种剪力墙模型方法的理论差异。从模型化方法的提出、模型中的相关假设、材料本构的选用及模型化方法数值实现这几方面进行了相关的探讨，以初步考察三种模型化方法的异同。第二，基于已有的剪力墙低周往复试验结果，校核所选的模型化方法的有效性。除了对模拟结果的准确性进行比较外，还进一步验证了积分点数目的选取、单元数目的划分对模拟结果及运算效率的影响，以优选一种综合效果最优的剪力墙模型化方法。第三，在OpenSEES平台对一高层空间框-剪结构进行强震反应的对比分析。对结构中的剪力墙采用三种不同模型化方法，比较各方法模拟下剪力墙构件及整个结构反应的差别，以验证所选模型的有效性及稳定性。本文主要取得以下的结论：①低剪跨比（2.0）剪力墙的模拟，应采用从截面层次考虑非线性剪切效应的纤维模型，假若仅使用基于力的分布塑性梁-柱单元，模拟结果会明显失真；中高剪跨比（2.0）剪力墙的模拟，以上两种方法均可适用；此外，文中还探索性地验证了基于位移的剪弯耦合梁-柱单元模拟构件单调力-位移曲线的有效性。②在剪力墙的模型化中，增加积分点数目及单元划分数量，不会明显改善基于力的分布塑性梁-柱单元及从截面层次考虑非线性剪切效应的纤维模型的模拟效果；增加单元数量得划分相对增加积分点数目而言，会更显著地增加程序的运算成本。因此，笔者建议在剪力墙的模型化中，可采用1个单元、4个积分点的模型化方案。③通过对一高层空间框-剪结构在不同剪力墙模型化方法下的强震对比分析，发现假若对结构中剪力墙的模拟采用基于力的分布塑性梁-柱单元，会高估结构的弯曲变形能力、低估框架部分的抗剪能力及结构的损伤；而适当选用从截面层次考虑非线性剪切效应的纤维模型，则能更真实地反应结构在强震中的整体反应、局部损伤、剪力墙的刚度及强度退化、捏缩效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 剪力墙模型化的研究背景
• 1.2.1 宏观非线性单元的研究
• 1.2.2 微观有限元的研究
• 1.2.3 塑性梁-柱单元的研究
• 1.3 本文的研究目的
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 剪力墙模型的选用及对比
• 2.1 剪力墙模型的选用
• 2.2 基于力的分布塑性梁-柱单元
• 2.2.1 纤维单元理论的提出
• 2.2.2 模型中的相关假设
• 2.2.3 纤维本构的使用
• 2.2.4 模型化方法的数值实现
• 2.3 从截面层次考虑非线性剪切效应的纤维模型
• 2.3.1 考虑非线性剪切效应方法的提出
• 2.3.2 模型化方法的基本方程
• 2.3.3 剪切本构的使用
• 2.3.4 模型化方法的实现
• 2.4 基于位移的剪弯耦合梁-柱单元
• 2.4.2 剪弯耦合模型的提出
• 2.4.3 修正的位移插值函数
• 2.4.4 RC 膜本构的使用
• 2.4.5 模型化方法的数值实现
• 2.5 三种模型化理论的对比
• 2.5.1 模型化理论的共同点
• 2.5.2 模型化理论的不同点
• 2.6 本章小结
• 3 剪力墙模型化方法的校核
• 3.1 模拟平台的选用
• 3.2 模型化中相关参数的确定
• 3.2.1 材料强度及弹性模量
• 3.2.2 混凝土及钢筋本构模型的其它参数
• 3.3 模型化方法模拟效果的比较
• 3.3.1 北京工业大学 RCSW0.1-1 剪力墙试件的模拟
• 3.3.2 重庆大学 W-1 剪力墙试件的模拟
• 3.3.3 华南理工大学建筑设计院 SPW4 剪力墙试件的模拟
• 3.3.4 同济大学 SW1-2 剪力墙试件的模拟
• 3.3.5 加州大学洛杉矶分校 RW2 剪力墙试件的模拟
• 3.3.6 韩国 KU W3 剪力墙试件的模拟
• 3.3.7 剪力墙试件中的弯曲与剪切变形的分离
• 3.4 本章小结
• 4 高层空间框－剪结构的设计及模型化
• 4.1 结构方案及工程概况
• 4.2 结构中主要承重构件的配筋
• 4.3 分析模型的构建
• 4.3.1 材料强度及弹性模量
• 4.3.2 混凝土及钢筋本构模型的其他参数
• 4.3.3 瑞利（Rayleigh）阻尼参数的确定
• 4.3.4 梁、柱抗扭刚度的取值
• 4.3.5 Hirosawa 骨架曲线特征参数的取值
• 4.4 计算结果输出位置的控制
• 4.5 空间框－剪结构中柱、墙屈服状态的判别
• 4.6 地震波的选取及输入
• 4.6.1 结构双向水平地震动的输入
• 4.6.2 选波方案
• 4.6.3 本文所选的地震波
• 4.6.4 地震波其它参数的确定
• 4.6.5 对所选地震波产生的结构底部弹性剪力验算
• 5 高层空间框－剪结构强震反应的对比分析
• 5.1 剪力墙不同模型化方法下结构地震反应的对比评价内容
• 5.2 罕遇地震（a=0.40g）作用下结构反应的对比分析
• 5.3 模拟结果的分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 本文的主要工作与成果
• 6.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 高层空间框-剪结构强震反应分析相关图表
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录