纤维模型中考虑剪切效应的RC结构非线性特征研究

论文摘要

作为用来模拟构件非线性反应的一种细化模型,纤维模型引起了各国研究者的普遍关注。已有研究成果表明,这种模型在较大的非线性变形状态下能较好与构件的实际变形相吻合,较之传统方法精度更高。然而,虽然纤维模型可以模拟构件的弯曲和轴向效应,并能很好地考虑弯曲和轴向效应的耦合,但它不能模拟构件的剪切效应。对于纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法,国内外研究甚少。为了模拟构件的剪切变形,本文提出了考虑剪切效应的模型化方法。基于考虑剪切效应的模型化方法,以国外新近开发的结构非线性分析工具OpenSees为平台,重点研究了以下几个方面的内容:第一,在OpenSees中实现考虑剪切效应的模型化方法,从而形成对剪切效应的模拟;第二,基于试验结果的统计分析与回归对小跨高比连梁、短柱与剪力墙的剪切恢复力特征参数进行在中国实际情况下的校核与修正,并提出适应中国国情的定参公式。以几片典型剪力墙的抗震性能试验结果为标准点,对前面的模型化方法进行校准,得出:基于OpenSees平台纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法能较好地模拟出剪力墙构件的实际抗剪承载力与最大位移,并且能够较好地模拟出试验中的刚度退化、强度退化和捏缩效应,具有一定的可靠性和稳定性。以此经过校准的模型化方法作为后续研究的理论依据;第三,以经过校准的考虑剪切效应模型化方法,对剪力墙的非线性变形能力进行系列分析。研究了剪跨比、轴压比、墙板配筋率、边框暗柱配筋率、混凝土强度、加载方式等主要因素对剪力墙非线性性能的影响规律;第四,基于本文提出的纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法,借鉴已有研究结论,通过初步探讨研究得出,中性轴处最大的轴向变形可作为延性水平的标志,它与抗剪承载力有着一定的函数关系。本文通过引入一组与中性轴处最大轴向变形相关的剪力-剪应变骨架曲线,近似考虑了轴向、弯曲效应与剪切效应的耦合作用,并详细阐述了截面的剪切滞回模型,编制了程序流程图;第五,本文针对一严格按照我国规范设计的设防烈度为八度（剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为二级）的高层民用建筑钢筋混凝土三维框架-剪力墙为例,以考察剪切效应对空间框架-剪力墙结构在罕遇地震作用下的非线性反应影响规律为重点,完成了以下研究内容,主要结论如下:①考虑剪切效应框架-剪力墙结构的整体反应明显大于不考虑剪切效应的整体反应。②考虑剪切效应的剪力墙模型可以更合理地反映剪力墙的实际抗剪承载力、剪切刚度、刚度退化、强度退化、捏缩效应及耗能情况,对比分析结果表明,不考虑剪切效应模型高估了剪力墙的抗剪承载力与剪切刚度及弯曲耗能能力,低估了剪力墙的剪切耗能能力。③在罕遇地震（a=0.46g）双向作用下,考虑剪切效应与不考虑剪切效应的空间框架-剪力墙的屈服机制、薄弱环节位置基本相同,考虑剪切效应模型的屈服杆件数量大于不考虑剪切效应模型的杆件数量。考虑剪切效应模型杆件损伤程度普遍大于不考虑剪切效应模型的杆件损伤程度,不考虑剪切效应的模型化方法低估了结构、构件的延性需求。这说明,不考虑剪切效应的模型化方法低估了整个空间结构的局部反应,对于整个空间结构的抗震性能评价是不利的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 地震作用下结构剪切效应分析模型
• 1.2 结构剪切效应非线性分析模型研究现状
• 1.2.1 短柱、深梁
• 1.2.2 剪力墙
• 1.2.3 剪切滞回模型定参方法
• 1.3 本文的研究目的
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 OpenSees 中考虑剪切效应的纤维模型介绍
• 2.1 OpenSees 程序概述
• 2.2 OpenSees 中考虑剪切效应的纤维模型介绍
• 2.2.1 纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法
• 2.2.2 有限元模型的建立
• 2.2.3 进行非线性分析
• 3 剪切恢复力特征参数研究
• 3.1 剪力墙剪切恢复力特征参数研究
• 3.1.1 Benjamin 公式
• 3.1.2 G850010-2002 公式
• 3.1.3 Hirosawa（广泽）公式
• 3.1.4 对Hirosawa（广泽）公式的校核与修正
• 3.1.5 捏缩效应参数的确定
• 3.2 小跨高比连梁剪切恢复力特征参数研究
• 3.2.1 龚炳年—方鄂华公式
• 3.2.2 软化桁架模型公式
• 3.2.3 拉压杆模型（the strut-and-tie model）
• 3.2.4 公式的校核与修正
• 3.3 短柱剪切恢复力特征参数研究
• 3.3.1 短柱的判别方法及定参骨架曲线
• 3.3.2 周小真公式
• 3.3.3 Hirosawa（广泽）公式
• 3.3.4 GB50010-2002 公式
• 3.3.5 公式的校核与修正
• 4 模型化方法的校核
• 4.1 材料本构模型的参数确定
• 4.1.1 材料强度及弹性模量
• 4.1.2 混凝土与钢筋本构模型的其它参数
• 4.2 校核结果与实验结果的对比
• 4.2.1 大连理工大学SJ 系列剪力墙构件的模拟
• 4.2.2 西安建筑科技大学SW 系列剪力墙构件的模拟
• 4.2.3 重庆大学W 系列剪力墙构件的模拟
• 4.2.4 北京工业大学SW 系列剪力墙构件的模拟
• 4.3 本章小结
• 5 剪力墙非线性性能影响因素系列分析
• 5.1 剪力墙高宽比对其性能的影响
• 5.1.1 有限元模型
• 5.1.2 计算结果分析
• 5.2 剪力墙轴压比对其性能的影响
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 计算结果分析
• 5.3 剪力墙墙板配筋率对其性能的影响
• 5.3.1 有限元模型
• 5.3.2 计算结果分析
• 5.4 剪力墙边框暗柱配筋率对其性能的影响
• 5.4.1 有限元模型
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.5 剪力墙混凝土强度对其性能的影响
• 5.5.1 有限元模型
• 5.5.2 计算结果分析
• 5.6 低周反复加载对剪力墙性能的影响
• 5.6.1 有限元模型
• 5.6.2 计算结果分析
• 5.7 本章小结
• 6 近似考虑轴向、弯曲效应与剪切效应耦合方法初探
• 6.1 方法的提出
• 6.1.1 方法的提出与论证
• 6.1.2 V- γ骨架曲线的定参
• 6.2 程序流程图的编制
• 6.3 本章小结
• 7 空间框架－剪力墙结构实例设计与非线性模型的建立
• 7.1 结构方案与概况
• 7.2 结构的配筋
• 7.3 非线性分析模型的建立
• 7.3.1 材料强度及弹性模量
• 7.3.2 混凝土与钢筋本构模型中的其他参数
• 7.3.3 瑞雷（Rayleigh）阻尼系数的确定
• 7.3.4 梁柱抗扭刚度取值
• 7.3.5 墙剪切参数取值
• 7.4 计算结果的输出控制
• 7.5 空间框架－剪力墙墙、柱屈服判断
• 7.6 地震波的选取与输入
• 7.6.1 结构双向水平地震动输入
• 7.6.2 选波原则
• 7.6.3 本文所选地震波
• 7.6.4 地震波其它参数的确定
• 7.6.5 对所选地震波产生的结构底部弹性剪力验算
• 8 空间框架－剪力墙结构非线性地震反应规律对比分析
• 8.1 考虑与不考虑剪切效应下结构地震反应对比评价内容
• 8.2 罕遇地震（a=0.419）下考虑与不考虑剪切效应结构反应对比评价
• 8.3 罕遇地震（a=0.469）下考虑与不考虑剪切效应结构反应对比评价
• 8.4 本章小节
• 9 结论与展望
• 9.1 本文的研究工作和主要结论
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 罕遇地震下结构分析相关图表
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录