考虑框——墙相互作用的填充墙框架结构力学性能研究

摘要

现行设计方法中,将框架填充墙仅作为非结构构件,不考虑其强度和刚度作用。但在荷载(风力、地震)作用下,填充墙实际上是与框架共同工作的。在填充墙的影响下,框架结构的侧向刚度、极限承载力、破坏形态均与裸框架有很大区别。虽然国内外已有不少关于填充框架的理论与试验研究,但由于填充墙与框架之间相互作用的复杂性,考虑框架和填充墙相互作用的分析与设计方法,还没有一致的看法。
　　 本文在前人研究的基础上,应用ANSYS有限元分析软件,用面面接触单元模拟填充墙与框架之间的连接,建立考虑框--墙相互作用的有限元模型,研究了单层单跨框墙相互作用模型在单调水平荷载作用下的力学性能,分析了填充墙对框架抗侧刚度的影响,研究了填充墙的开洞率和开洞位置对填充框架抗侧刚度的折减效应。研究表明:1).填充框架的相对刚度随着填充宽高比(l/h)的增加而增加,但增长速率逐渐减慢,当墙体宽高比大于1.8时,即可忽略此影响；2).填充框架的相对刚度随着粱柱惯性矩之比(I2/I1)的增加而减小；3).填充框架的相对刚度随着填充墙相对刚度的增加而增大,且二者基本呈线性关系；4).考虑填充墙开洞位置对结构抗侧刚度的影响时,可能造成结构沿同一直线上正负两个方向刚度不同,在结构设计中,应考虑这一影响。
　　 本文还对汶川地震中一栋典型的底部薄弱层结构进行了震害分析和弹性阶段的有限元分析。并建议在结构分析与设计中,应考虑填充墙的刚度效应,以尽量避免薄弱层的产生。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 本文的研究目的和意义

1.2 填充墙框结构的国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 有限元模型在ANSYS中的实现

2.1 混凝土的本构关系

2.1.1 混凝土单轴受压下的本构关系

2.1.2 本文采用的混凝土本构关系

2.2 砌体的本构关系

2.2.1 砌体材料单轴受压下的应变关系[43]-[47]

2.2.2 本文采用的砌体受压本构关系

2.3 钢筋混凝土结构有限元模型的选择

2.3.1 钢筋混凝土的三种有限元模型

2.3.2 本文采用的有限元模型

2.4 模拟钢筋混凝土的SOLID65单元[48]

2.4.1 SOLID65单元理论基础

2.4.2 SOLID65单元参数的选取

2.5 砌体材料的模拟

2.6 填充墙与框架的接触问题的处理

2.7 分析求解选项

2.7.1 混凝土结构分析求解选项

2.7.2 接触问题对求解选项的要求

2.8 本章小节

第三章 填充砌体对框架抗侧移刚度的影响

3.1 结构有限元模型的建立与分析

3.1.1 有限元模型的建立

3.1.2 模型的力学性能分析

3.2 不开洞填充墙对框架抗侧刚度的影响

3.2.1 研究参数的选取

3.2.2 模型各参数值对框架抗侧刚度的影响

3.3 开洞填充墙对框架抗侧刚度的影响

3.3.1 墙体开洞率对填充框架抗侧刚度的影响

3.3.2 墙体开洞位置对填充框架抗侧刚度的影响

3.4 底层薄弱层模型的分析

3.5 结论

第四章 填充框架结构的震害分析与工程实例

4.1 汶川地震中填充框架结构与填充墙有关的震害分析

4.2 工程概况

4.2.1 工程平面布置

4.2.2 结构的震害描述

4.3 模型的分析与设计建议

4.3.1 不同有限元模型的对比分析

4.3.2 设计建议

4.4 本章小节

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望及下一步工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文