应用改进非线性分层壳模型的框架—核心筒结构强震响应分析

摘要

框架-核心筒结构因具有空间利用率高、适用高度大的特点，在现代超高层建筑中占据了相当大的比例。但由于该类结构体型复杂，构件类型众多，在地震作用下的动力特性较为复杂，因此需要利用数值手段研究其强震灾变机理，合理刻画结构中构件的损伤演化，以便有效的开展超高层结构抗震性能设计。作为框架—核心筒结构的主要抗侧力构件，剪力墙的数值模型一直是研究的热点，基于复合材料力学原理构造的分层壳模型能够较好的模拟剪力墙的复杂受力特性，但其对超高层结构中剪力墙的适用性尚存在不足。因此，有必要开展分层壳模型的改进，使其可以更好的适用于超高层结构剪力墙构件的模拟，为进一步刻画剪力墙构件损伤模型及开展框架—核心筒结构分析奠定基础。
　　本研究主要内容包括：⑴在对几何大变形壳元NLDKGQ和基于修正斜压场理论的混凝土材料进行分析评估的基础上，分别对壳元和混凝土材料进行了改进，建立了性能更优的分层壳模型。针对NLDKGQ壳元模拟超高层结构剪力墙构件平面外力学性能的不足，采用基于广义协调理论构造的厚薄板通用元TMQ进行改进，建立了能有效模拟超高层剪力墙平面外性能的ShellGNL壳元，并通过对板元采用二次缩减积分来进一步提高壳元计算效率。针对混凝土材料本构，为改善数值计算的稳定性，并使其能够更准确的模拟剪力墙构件的力学行为，对修正斜压场理论的受压下降段本构和开裂混凝土剪切模量的取值进行了修改，同时采用Mander模型考虑剪力墙暗柱处箍筋对核心混凝土的约束作用。基于C++语言编程平台建立了改进的非线性分层壳模型，并将其集成到本课题组主导开发的专门针对超高层建筑结构动力弹塑性时程分析程序DUT中。⑵将改进的分层壳模型依次应用于板构件、剪力墙构件及框剪结构的计算分析，验证了提出模型的合理性和可靠性。针对板构件，进行了四边固支弹性方板和钢筋混凝土板的模拟，通过对比发现，NLDKGQ壳元在计算薄板时较为准确，但不适用于厚跨比较大的板构件；ShellGNL壳元无论是计算薄板还是厚板均有足够的计算精度和收敛速度。针对剪力墙构件，首先进行了多组钢筋混凝土剪力墙构件单调加载和低周往复加载试验的模拟对比，证明了改进分层壳模型对各类型剪力墙均有较强的适用性，并且计算精度较高，在此基础上，通过改进建模方式建立了基于分层壳模型的型钢混凝土剪力墙模型，并通过多组试件的对比验证了模型的可靠性。针对框剪结构，与 SAP2000程序和带剪力墙足尺结构振动台试验进行了对比，验证了模型计算结果的准确性，并通过分析得出，当结构中剪力墙构件数量较多、厚跨比较大且剪切效应明显时，建议采用能够考虑面外剪切的壳元。⑶为研究钢筋混凝土剪力墙的损伤演化规律，提出了一种双参数非线性组合的损伤模型。模型采用不可恢复位移项和累积耗能项进行非线性组合，不仅可以考虑两者在整个地震过程中对损伤贡献的动态变化，而且解决了上下界不收敛问题。相关系数利用剪力墙构件试验数据结合分层壳模型有限元模拟进行确定，并通过与多个模型进行对比验证了其合理性和可靠性。利用该模型分别进行了不同高宽比、边缘配箍率和轴压比剪力墙构件的损伤演化计算，通过分析发现，增大剪力墙高宽比会使构件较早进入屈服阶段，但会表现出较好的延性，增加剪力墙边缘配箍率会显著减缓损伤的发展，但建议控制在一定的合理范围，增大试件的轴压比会降低延性，使损伤发展加快。⑷进行了超高层框架—核心筒结构地震作用下非线性响应分析。首先对比了不同剪力墙分层壳模型对高度为258m和660m超高层框架—核心筒结构整体及局部响应的影响，发现材料模型对两者影响较大，考虑不同面外特性的壳模型对结构的整体响应影响较小，但对于剪力墙构件损伤刻画会出现较大差异，很有必要开展针对超高层剪力墙分层壳模型的研究。通过对结构进行损伤演化计算及关键构件对结构整体损伤敏感性分析发现，加强框架柱不仅可以减小结构整体的响应，而且能够有效减缓结构的损伤发展速度，因此，在允许的范围内建议通过加强外框架柱来提高结构的安全可靠度。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 剪力墙非线性分析模型综述

1.3 剪力墙地震损伤刻画

1.4 存在的问题和思考

1.5 本文拟开展主要研究内容

2 非线性分层壳模型的改进与集成

2.1 引言

2.2 分层壳单元的改进

2.3 钢筋混凝土材料本构的改进

2.4 非线性分层壳模型在DUT软件平台的集成

2.5 本章小结

3 改进非线性分层壳模型的校验

3.1 引言

3.2 板构件对比验证

3.3 剪力墙构件模拟分析

3.4 框架—剪力墙结构数值模拟与验证

3.5 本章小结

4 基于双参数非线性组合的钢筋混凝土剪力墙损伤模型研究

4.1 引言

4.2 变形和累积耗能组合的剪力墙损伤模型提出

4.3 损伤模型组合系数的确定

4.4 参数影响分析及讨论

4.5 本章小结

5 超高层框架—核心筒结构非线性响应研究

5.1 引言

5.2 超高层结构不同剪力墙分层壳模型计算对比

5.3 超高层框架—核心筒结构损伤演化计算与分析

5.4 关键构件对结构整体损伤敏感性分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢