中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)計算理論與設(shè)計方法研究.pdf

1、隨著國家―十二五‖規(guī)劃的實施與推進,社會城鎮(zhèn)化進程的步伐進一步加快,城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大,用地緊張、基礎(chǔ)設(shè)施滯后、環(huán)境污染等城鎮(zhèn)化問題集中涌現(xiàn)。為解決上述問題,城鎮(zhèn)土地的利用必須朝著綜合化、集約化的方向發(fā)展,這就對原有生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系提出新的要求?；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀及前期研究成果,將傳統(tǒng)生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)與混凝土豎向約束構(gòu)件有機結(jié)合提出中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)體系。本文立足于課題組主攻研究方向—中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)體系,采取試驗研究、理論分

2、析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,重點對中高層生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能與理論分析、結(jié)構(gòu)協(xié)同工作與構(gòu)件配比優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的簡化計算模型等方面的研究;在此基礎(chǔ)上,總結(jié)該混合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論及構(gòu)造措施,為中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供依據(jù),奠定該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　(1)結(jié)合課題組前期3榀中高層生態(tài)復(fù)合墻體的試驗研究,對比不同類型中高層生態(tài)復(fù)合墻體的承載力、滯回特性、延性、強度退化、剛度退化等抗震性能。結(jié)果

3、表明:肋梁、肋柱、豎向約束構(gòu)件所形成的框格有效約束砌塊受力及裂縫發(fā)展,按照―砌塊—肋格—豎向約束構(gòu)件‖模式各分災(zāi)元件依次發(fā)生破壞,形成多道抗震防線,充分利用不同構(gòu)件的耗能能力;墻體從屈服到破壞,骨架曲線變化平緩,無突變現(xiàn)象,均未出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象,抗倒塌能力較強。采用ABAQUS建立的中高層生態(tài)復(fù)合墻體數(shù)值模型,并對其進行靜力彈塑性分析,計算結(jié)果與試驗結(jié)果在荷載-位移曲線、出鉸機制等方面吻合較好;在此基礎(chǔ)上,開展關(guān)鍵參數(shù)變化的中高層生態(tài)復(fù)合墻

4、體數(shù)值擴展分析,獲得豎向約束構(gòu)件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、軸壓比、高寬比等關(guān)鍵因素對墻體彈性剛度、承載力和位移延性的影響規(guī)律,為建立合理的中高層生態(tài)復(fù)合墻體的計算理論和設(shè)計方法奠定基礎(chǔ)。
　　(2)基于數(shù)值及墻體試驗研究成果,結(jié)合墻體獨特構(gòu)造和復(fù)合材料力學(xué),建立適用于復(fù)合墻體的彈性階段模型—雙向纖維單層復(fù)合材料模型,推導(dǎo)出墻體彈性模量及剪切模量實用計算公式,并利用彈性力學(xué)對各向異性等效彈性板的抗側(cè)剛度進行推導(dǎo),同時考慮各

5、種影響因素,對正交各向異性等效彈性板的抗側(cè)剛度進行修正,結(jié)果表明:復(fù)合材料力學(xué)簡化模型用于復(fù)合墻體抗側(cè)剛度的計算,具有一定的理論依據(jù)和實用價值,能夠滿足實際工程計算需要;結(jié)合墻體受力特性及破壞過程,給出中高層生態(tài)復(fù)合墻體極限狀態(tài)時的抗剪抵抗機構(gòu),基于抗剪抵抗機構(gòu)、力的平衡條件,推導(dǎo)出中高層生態(tài)復(fù)合墻體的斜截面抗剪極限承載力計算公式,結(jié)果表明:該分析模型能夠較好的反映中高層生態(tài)復(fù)合墻體的極限承載力特性,可應(yīng)用于不同受力狀態(tài)下復(fù)合墻體的極限

6、承載力驗算;基于平截面假定,推導(dǎo)出中高層生態(tài)復(fù)合墻體的正截面抗彎極限承載力計算公式,同時給出界限受壓區(qū)高度,用于指導(dǎo)豎向約束構(gòu)件的配筋。
　　(3)結(jié)合中高層生態(tài)復(fù)合墻體試驗及數(shù)值模擬,根據(jù)其受力特性及構(gòu)造特點,提出中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,并根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,建立結(jié)構(gòu)平衡微分方程,量化復(fù)合墻板和豎向約束構(gòu)件承擔(dān)荷載的比例關(guān)系,解析解與數(shù)值解對比表明:該模型為計算實際結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移提供了一種較

7、為簡化、實用的解析方法;基于中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)空間協(xié)同工作的原理,推導(dǎo)出滿足層間側(cè)移角限值的豎向約束構(gòu)件的計算公式,量化不同控制因素作用下(抗震等級、場地類別、設(shè)計分組)縱向、橫向豎向約束構(gòu)件與復(fù)合墻板配比,指導(dǎo)中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。
　　(4)針對生態(tài)復(fù)合墻板非均勻周期性分布特點,選取合適的單胞,建立單胞模型能量表達式,利用能量極值原理、周期性條件、均勻性條件及數(shù)學(xué)變換,得到復(fù)合材料的宏觀性能的力學(xué)表達式

8、,并結(jié)合細觀力學(xué)有限元模型,建立不同尺度的代表性體積單元、邊界條件,模擬代表性體積單元在荷載工況下的強度試驗,得出代表性體積單元的等效材料特性及本構(gòu)關(guān)系,與試驗結(jié)果對比驗證其合理性,研究表明:勻質(zhì)化數(shù)值模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,該方法確定的材料屬性能夠反映墻板的宏觀性能;利用等效材料屬性及本構(gòu)關(guān)系,提出中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)的全過程簡化數(shù)值模型—豎向約束構(gòu)件-復(fù)合板彈塑性力學(xué)模型,與振動臺試驗結(jié)果進行了對比分析,結(jié)果表明:豎向約

9、束構(gòu)件-復(fù)合板彈塑性力學(xué)模型能較好地模擬中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)彈塑性階段的真實破壞過程及動力特性,模型具有一定的實用性,可適用于該混合結(jié)構(gòu)非線性動、靜力計算分析。
　　(5)根據(jù)前期中高層生態(tài)復(fù)合墻體試驗、數(shù)值模擬,并結(jié)合工程設(shè)計實例,重點對中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)房屋的平面布置、結(jié)構(gòu)選型、抗震等級等概念設(shè)計原則、豎向約束構(gòu)件設(shè)計與構(gòu)造、生態(tài)復(fù)合墻板豎向連接進行研究與探討,以期為中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

10、r>　　本文的主要創(chuàng)新之處在于:
　　(1)開展關(guān)鍵參數(shù)變化的中高層生態(tài)復(fù)合墻抗震性能對比研究,探討關(guān)鍵因素對墻體力學(xué)行為的影響規(guī)律
　　結(jié)合3榀中高層生態(tài)復(fù)合墻體的試驗研究,對比不同類型中高層生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能;利用已驗證數(shù)值模型,采用有限元軟件ABAQUS開展基于關(guān)鍵參數(shù)(豎向約束構(gòu)件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、軸壓比、高寬比)變化的數(shù)值擴展分析,探討關(guān)鍵因素對墻體力學(xué)行為的影響規(guī)律,為建立合理的中高層生態(tài)復(fù)合

11、墻體的計算理論和設(shè)計方法奠定基礎(chǔ)。
　　(2)推導(dǎo)出中高層生態(tài)復(fù)合墻體的抗側(cè)剛度與極限承載力計算公式,完善和補充墻體的理論分析
　　基于雙向纖維單層復(fù)合材料模型,推導(dǎo)各向異性等效彈性板的抗側(cè)剛度計算公式,該公式可用于復(fù)合墻體抗側(cè)剛度的計算,具有一定的理論依據(jù)和實用價值;基于抗剪抵抗機構(gòu),推導(dǎo)出中高層生態(tài)復(fù)合墻體的斜截面抗剪極限承載力計算公式,可應(yīng)用于不同受力狀態(tài)下復(fù)合墻體的極限承載力驗算;基于平截面假定,推導(dǎo)出中高層生態(tài)復(fù)合

12、墻體的正截面抗彎極限承載力計算公式,用于指導(dǎo)豎向約束構(gòu)件的配筋。
　　(3)建立中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)協(xié)同工作模型,提出不同控制因素作用下豎向約束構(gòu)件與復(fù)合墻板配比計算方法
　　結(jié)合中高層生態(tài)復(fù)合墻體試驗及數(shù)值模擬,提出中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,量化復(fù)合墻板和豎向約束構(gòu)件承擔(dān)荷載的比例關(guān)系;基于協(xié)同工作原理,提出不同控制因素作用下豎向約束構(gòu)件與復(fù)合墻板配比計算方法,用于指導(dǎo)中高層生態(tài)復(fù)

13、合墻混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。
　　(4)建立基于代表性體積單元的中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)的全過程簡化數(shù)值模型—豎向約束構(gòu)件-復(fù)合板彈塑性力學(xué)模型
　　運用周期介質(zhì)均質(zhì)化理論及細觀有限元方法,建立不同尺度的代表性體積單元、邊界條件,模擬代表性體積單元在荷載工況下的強度試驗,得出代表性體積單元的等效材料特性及本構(gòu)關(guān)系;利用等效材料屬性及本構(gòu)關(guān)系,建立中高層生態(tài)復(fù)合墻混合結(jié)構(gòu)的全過程簡化數(shù)值模型—豎向約束構(gòu)件-復(fù)合板彈塑性力學(xué)模型