柔性连接砌体填充墙框架结构的抗震性能试验研究和非线性分析

摘要

填充墙框架结构是房屋建筑结构中常见的一种结构体系。已有的研究表明,填充墙对框架结构的承载力、刚度及其变形性能都有着很大的影响,而且忽略填充墙对框架结构的影响并不总是安全的。汶川地震中框架结构的围护结构和填充墙发生明显的震害,不仅对人员安全造成威胁,同时也造成很大的财产损失。非结构构件的地震安全性越来越多地引起人们的重视。
　　 我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第13.3.3条第2款规定“钢筋混凝土结构中的砌体填充墙,宜与柱脱开或采用柔性连接”,但是对于填充墙与框架柱采用脱开的构造方式,目前并没有相关的试验来研究其抗震性能。已有的试验研究主要集中于黏土砖填充墙框架结构,墙体材料改革政策之后,实心黏土砖填充墙材料正逐步被一些新型砌体材料所取代,但相关研究并没有同时跟上。
　　 为了研究柔性连接砌体填充墙框架结构的抗震性能,本文针对一榀裸框架、一榀整体砌体填充墙框架、三榀柔性连接砌体填充墙框架进行了低周反复荷载作用下的对比试验。试件的填充墙采用实际工程中常用的蒸压加气混凝土砌块(ALC砌块)及其专用粘结剂。试验结果表明,五个试验试件中,整体砌体填充墙框架的承载力最高,裸框架的承载力最低,三榀柔性连接砌体填充墙框架的承载力介于两者之间；从延性、耗能、刚度退化以及强度衰退这四个抗震性能指标来衡量,柔性连接砌体填充墙框架明显优于整体砌体填充墙框架;在三榀柔性连接砌体填充墙框架中,墙体两端预留竖缝的试件抗震性能最好；填充墙体的高宽比越大,试验过程中墙体的剪切变形就越大。
　　 运用大型有限元分析软件ABAQUS中的实体单元C3D8R、杆单元T3D2、弹簧单元SPRINGA和SPRING1建立了柔性连接砌体填充墙框架结构的有限元模型,通过非线性分析得到的荷载-位移曲线与试验结果对比,验证了有限元模型的有效性。最后利用验证的有限元方法分析墙体的高宽比等参数对结构抗震性能的影响,为改进现行结构抗震设计方法及改进结构设计的构造措施提供依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 填充墙框架结构的研究现状

1.2.1 刚性连接填充墙框架结构抗震性能的研究现状

1.2.2 柔性连接的填充墙框架结构抗震性能的研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.3.1 试验研究

1.3.2 非线性分析

1.3.3 设计建议

第二章 柔性连接砌体填充墙框架的试验研究

2.1 试件的设计与制作

2.1.1 参数设计

2.1.2 砌体填充墙与主体结构脱开缝宽的确定

2.1.3 试件的制作

2.2 试验测试内容

2.2.1 滞回曲线(P-δ)

2.2.2 钢筋的应变

2.2.3 墙体的变形

2.2.4 裂缝

2.3 试验材料的力学性能指标

2.3.1 混凝土

2.3.2 钢筋

2.3.3 砌块

2.4 试验装置及加载方案设计

2.4.1 加载装置及主要试验设备

2.4.2 加载制度

2.5 试验结果

2.5.1 试验现象描述

2.5.2 滞回曲线

2.5.3 骨架曲线

2.5.4 开裂荷载、屈服荷载和极限荷载

2.5.5 延性

2.5.6 强度及其衰减

2.5.7 刚度退化

2.5.8 耗能性能

2.5.9 墙体的剪切变形

2.6 本章小结

第三章 有限元分析理论基础及ABAQuS简介

3.1 有限单元法简介

3.2 ABAQUS简介

3.3 非线性有限元基本理论

3.3.1 钢筋混凝土有限元模型的介绍

3.3.2 非线性问题

3.4 ABAQUS中混凝土本构模型

3.4.1 弥散裂缝混凝土模型

3.4.2 混凝土开裂模型

3.4.3 混凝土塑性损伤模型

3.4.4 混凝土易碎模型(Brittle Cracking model for concrete)

3.5 混凝土损伤塑性部分

3.5.1 单轴拉伸和压缩荷载作用

3.5.2 拉伸强化

3.5.3 屈服准则

3.5.4 流动法则

3.6 利用有限元分析填充墙框架的研究现状

第四章 柔性连接砌体填充墙框架结构的有限元分析

4.1 基本假定

4.2 模型材料的本构关系

4.2.1 钢材的本构关系模型

4.2.2 混凝土的本构关系模型

4.2.3 砌体的本构关系模型

4.3 单元类型的选取

4.3.1 混凝土及砌体填充墙

4.3.2 钢筋

4.3.3 弹簧单元

4.4 模型的建立步骤

4.4.1 创建部件

4.4.2 定义材料的属性

4.4.3 装配件

4.4.4 定义分析步

4.4.5 定义相互作用

4.4.6 定义边界约束条件和载荷

4.4.7 单元网格的划分

4.4.8 提交分析及后处理

4.5 有限元分析与试验值的比较

4.6 柔性连接砌体填充墙框架结构性能影响因素

4.6.1 弹簧刚度的影响

4.6.2 竖缝位置的影响

4.6.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 设计建议

5.3 今后工作展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间主要参与的课题

攻读硕士期间发表的论文