基于子模型技术的带加强层框架-核心筒结构地震损伤数值模拟研究

摘要

带加强层框架-核心筒结构是高层建筑采用的主要结构形式之一，已建和在建的诸多高层建筑都采用这种结构体系以提高整体结构的抗侧移能力，但加强层局部刚度的提高对抗震十分不利，带加强层框架-核心筒结构在地震下的损伤破坏机制不明确。本文采用通用有限元分析软件ABAQUS对带加强层钢筋混凝土-框架核心筒结构计算模型在地震下的响应进行了分析，采用有限单元法中的子模型技术对结构的薄弱部位进行了更精细的仿真分析。非线性分析时混凝土采用钢筋混凝土损伤塑性模型，根据构件配筋情况将混凝土划分为素混凝土和钢筋混凝土，通过调整混凝土受拉-应力应变曲线考虑混凝土受拉刚化效应，并在一定程度上消除了网格尺寸的影响。
　　本文参考相关文献设计了典型的带加强层钢筋混凝土框架-核心筒结构计算模型，选取一榀框架建立了有限元计算模型。通过对不同方案计算对比，研究了结构抗侧移能力的影响因素，采用子模型法分析了加强层附近楼层的受力和变形特征。对比了结构弹性地震响应和弹塑性地震响应的差异，通过弹塑性时程分析研究了结构薄弱层的分布情况，用子模型法计算了薄弱层的塑性应变及损伤分布状态。进一步采用子模型法计算了加强层附近楼层在强烈地震下的变形特征、屈服机制及混凝土损伤分布。最后，建立更精细的节点子模型，模拟了节点的破坏过程。计算过程中通过对比子模型与全局模型节点位移、单元应力等的差异，验证子模型的合理性及计算精度。
　　计算表明，静力作用下加强层刚度越大结构抗侧移能力越强，动力作用下结构按低阶振型振动时加强层抗侧移效果更好。由弹性分析可知，加强层改变了其附近楼层的应力分布，楼层层间位移角在加强层处发生明显突变；罕遇地震下结构弹塑性层间位移角在加强层处突变更剧烈，紧邻加强层的楼层层间位移角最大，加强层附近楼层是薄弱部环节。在强震下，加强层框架梁损坏程度小，加强层附近楼层框架梁梁端先后出现塑性铰，加强层附近楼层剪力墙一定程度受损，梁出铰顺序和数量及剪力墙受损程度受地震波的影响大。核心筒与伸臂桁架连接节点混凝土破坏程度大，贯通于剪力墙的伸臂可能引起剪力墙中部出现裂纹。节点子模型计算表明，地震过程中框架节点梁端最先出现裂缝，当混凝土梁破坏程度较大时，柱头和柱脚出现裂纹，同时节点核心区混凝土也损坏。伸臂桁架改变了加强层框架节点梁、柱刚度关系，大震下框架柱破坏严重。计算表明，子模型的弹性和弹塑性计算结果精度高，子模型技术可用于高层建筑结构有限元分析中。

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1 绪 论

1.1 选题背景

1.2 加强层的形式及作用机理

1.3 带加强层框架-核心筒结构研究现状

1.4 本文的主要研究内容及创新点

2 子模型技术与钢筋混凝土非线性分析

2.1 子模型技术

2.2 钢筋混凝土非线性有限元分析

2.3 本章小结

3 带加强层框架-核心筒结构弹性受力分析

3.1 结构分析模型

3.2 加强层抗侧移效果模拟

3.3 带加强层结构弹性受力特征分析

3.4 多遇地震作用下结构的弹性时程分析

3.5 本章小结

4 带加强层框架-核心筒结构弹塑性地震响应分析

4.1 弹塑性材料参数

4.2 地震作用下结构弹塑性时程分析

4.3 本章小结

5 强震下薄弱层（部位）破坏机制分析

5.1 地震波的选取

5.2 加强层附近楼层破坏机制分析

5.3 节点破坏形式分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献