内嵌开洞填充墙框架结构有限元非线性分析

论文摘要

填充墙钢筋混凝土框架结构是建筑结构中广泛被应用的一种常见结构体系,在结构设计中,设计人员往往按纯框架来进行设计,只考虑了墙体荷载,而忽略了墙体对框架结构受力性能的影响。在实际工程中,由于建筑功能的需要,常常在墙上开设门窗洞口,墙体开洞必会因洞口形状、大小、位置等因素而对结构的承载力、变形、抗侧刚度等各方面造成一定不同的影响,使开洞填充墙框架结构受力情况有别于纯框架和满布填充墙框架结构。本文首先介绍了课题研究的背景、重要性以及填充墙框架结构几种常见的破坏形态,然后详细介绍了本文所使用的有限元模型,混凝土、钢筋、砌体材料的本构关系以及本文所使用的ANSYS单元,通过模拟分析了一榀单层单跨填充墙框架结构,并与试验进行对比,验证了模型分析程序的正确性。本文运用ANSYS非线性有限元分析,首先建立了一榀单层单跨内嵌开洞填充墙框架结构模型,研究了该模型在水平荷载作用下,开洞形状、开洞率、门窗洞口位置等因素对框架结构承载性能、变形、抗侧刚度、破坏机理等方面的影响；并在前人计算公式基础上,通过数值分析结果,对内嵌窗洞框架结构极限承载力及初始刚度进行了公式拟合,满足一定精度要求。本文还通过建立一系列模型,分析了墙体约束效应以及结构层数对底层承载力的影响。接着本文还通过建立一榀两层单跨填充墙框架结构模型,分析了由于墙体边界条件的不同,二层以上楼层与底层受力性能的差异。最后,在单层单跨基础上,通过模拟在地震作用下各楼层荷载分布情况,以“倒三角”的加载方式,对内嵌洞口填充墙多层框架结构进行了非线性有限元分析。目前,国内外学者对内嵌开洞填充墙框架结构受力性能的研究还十分有限,因此本文的研究具有一定的理论和工程指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 前言
• 1.2 填充墙框架结构的研究现状
• 1.3 填充墙框架结构的破坏形态
• 1.3.1 填充墙框架结构的短柱破坏
• 1.3.2 填充墙框架结构的短梁破坏
• 1.3.3 填充墙框架结构的薄弱层破坏
• 1.3.4 填充墙框架结构的扭转破坏
• 1.3.5 填充墙墙体的破坏
• 1.4 填充墙对框架结构性能的影响
• 1.4.1 填充墙对结构承载性能的影响
• 1.4.2 填充墙对结构刚度性能的影响
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 有限元分析方法及模型验证
• 2.1 有限元分析方法简介
• 2.2 钢筋混凝土的三种有限元模型
• 2.3 钢筋混凝土及砌体本构关系和破坏准则
• 2.3.1 混凝土本构关系
• 2.3.2 钢筋本构关系
• 2.3.3 砌体本构关系
• 2.3.4 混凝土的破坏准则
• 2.4 本文所采用的单元介绍
• 2.4.1 Solid45单元
• 2.4.2 Solid65单元
• 2.4.3 link8单元
• 2.4.4 接触单元—TARGE170/CONTA173
• 2.5 模型验证
• 2.5.1 模型介绍
• 2.5.2 有限元模型的建立及非线性求解相关参数的设置
• 2.5.3 计算结果分析
• 第3章 单层单跨开洞填充墙框架结构的非线性分析
• 3.1 有限元模型简介
• 3.2 窗洞开洞率及开洞形状对框架结构受力性能的影响
• 3.2.1 通窗情况下结构剪力的计算公式
• 3.2.2 开洞率及开洞形状对结构内力影响
• 3.2.3 水平荷载作用下结构承载性能分析
• 3.2.4 结构裂缝发展情况分析及其破坏机理
• 3.2.5 开洞率对结构抗侧刚度分析
• 3.3 窗洞开洞率及开洞位置对框架结构受力性能的影响
• 3.3.1 考虑窗洞尺寸变化对填充墙框架结构受力性能的影响
• 3.3.2 考虑窗洞位置变化对填充墙框架结构受力性能的影响
• 3.4 开窗洞框架结构极限承载力及初始刚度计算公式的拟合
• 3.4.1 开窗洞框架结构极限承载力计算公式拟合
• 3.4.2 开窗洞框架结构初始刚度计算公式拟合
• 3.5 开门洞填充墙框架结构受力性能分析
• 3.5.1 门洞位置变化对填充墙框架结构承载性能的影响
• 3.5.2 开门洞填充墙框架结构裂缝发展情况分析
• 3.5.3 开门洞填充墙框架结构等效应力分析
• 3.5.4 门洞位置对填充墙框架结构刚度的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 多层填充墙框架结构非线性分析
• 4.1 二层以上结构对底层填充墙框架结构承载性能影响
• 4.1.1 模型介绍
• 4.1.2 墙体约束效应对底层结构的影响
• 4.1.3 结构层数对底层结构的影响
• 4.2 二层以上楼层与底层受力性能比较分析
• 4.2.1 模型介绍
• 4.2.2 二层墙体对框架结构承载性能的影响
• 4.2.3 两层单跨等效应力分析
• 4.2.4 二层墙体对框架结构刚度的影响
• 4.3 多层开洞填充墙框架结构受力性能分析
• 4.3.1 模型介绍
• 4.3.2 CD和MK试件荷载位移曲线分析
• 4.3.3 CD和MK试件裂缝发展情况分析
• 4.3.4 CD和MK试件等效应力分析
• 4.3.5 CD和MK试件层间侧移刚度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献