钢筋混凝土框-剪结构多维非线性地震反应分析及试验研究

摘要

对于钢筋混凝土结构的弹塑性地震反应分析方法可以分为微观方法和宏观方法。其中微观方法即为有限单元法，此方法虽然准确，但耗费大量的机时，很难运用到实际高层框架-剪力墙结构的分析中。因此对于框架-剪力墙结构的时程分析，宜采用宏观方法。该文的目的就是提出一种更加完善的钢筋混凝土框架-剪力墙结构的宏观力学模型，对钢筋混凝土框架-剪力墙结构进行非线性分析。 该文对国内外目前采用的钢筋混凝土剪力墙和柱的宏观有限元模型进行了分析，对于钢筋混凝土剪力墙普遍存在的局限性是认为剪力墙是先发生弯曲破坏，然后才发生剪切破坏.故将剪切刚度的变化与轴向刚度的变化分开考虑，分别采用不同的滞回模型加以模拟。而实际上，轴向刚度的变化必然引起剪切刚度的变化。文中将这一问题加以改进，提出了改进的多竖线模型。对于轴向刚度将钢筋和混凝土分别采用不同的滞回曲线进行模拟，而剪切刚度的变化随着轴向刚度的变化而变化。并从问题的合理性和简单性出发，在钢筋混凝土柱的宏观有限元模型中仍采用相同的滞回曲线。 为验证该文提出的钢筋混凝土剪力墙宏观有限元模型的有效性，进行了9片不同剪跨比和轴压比的钢筋混凝土剪力墙的拟静力试验，得出一些对工程有益的结论。并采用该文提出的模型对试验过程进行模拟，所得的结果还是令人满意的。 然后该文进行了钢筋混凝土偏心框架-剪力墙结构的振动台试验，对偏心结构的空间反应进行了研究。并采用宏观有限元的方法编制了钢筋混凝土框架-剪力墙结构的非线性分析的程序，通过与试验结果的比较，证明该文的理论和程序是合理有效的。在此基础上，该文对实际的对称和偏心结构进行了单双向地震作用下的时程分析。 通过研究，得出如下结论： (1)在一定范围内，若剪跨比一定，则钢筋混凝土剪力墙随着轴压比的增加，其承载能力将提高，刚度提高，但延性下降。 (2)剪跨比是决定剪力墙破坏形式的重要因素。在其他因素不变的情况下，剪跨比越小，则破坏形式越趋于剪切破坏，剪力墙承载能力提高，但呈现脆性。剪跨比越大，则破坏形式越趋于弯曲破坏，剪力墙承载能力降低，剪力墙表现出良好的耗能能力和延性。 (3)从剪力墙的破坏现象看，对于剪切破坏的剪力墙，破坏非常突然。在位移控制加载阶段的后期，在刚度和荷载都退化不大的情况下突然破坏，使刚度和承载能力急剧下降，在工程设计中应避免。对于弯曲破坏的剪力墙则延性较好，滞回曲线丰满，耗能能力强，刚度和承载力缓慢下降，在工程设计中应采用。 (4)在对钢筋混凝土剪力墙恢复力曲线模型进行选取时，若剪跨比较小，建议采用坡顶刚度退化二线型模型或坡顶刚度退化三线型模型。若剪跨比较大，则建议采用平顶刚度退化三线型模型。 (5)随着裂缝和塑性变形的发展，结构的各阶频率随之下降，以第一频率下降的速度最快，阻尼也相应的增加。 (6)结构抗侧力构件的不对称，将导致结构的质心和刚心的不重合，从而使得结构在地震荷载作用下产生扭转，而扭转使得结构的边缘构件负担加重，尤其是角柱更是结构的薄弱环节，在设计中应该注意。 (7)提出了钢筋混凝土框架-剪力墙结构的空间时程分析方法。对构件采用宏观有限元模型进行模拟，结构采用杆系-层模型进行模拟，编制了空间结构的弹塑性时程分析的程序，通过与微观有限元方法的比较，以及与试验结果的比较，证明了该文提出的非线性分析方法的有效性，验证了程序的正确性。 (8)结构底层的层间位移角最大，说明是结构的薄弱环节，应该加强。 (9)双向地震波作用下，结构的位移反应和转角均有增大的趋势，顶层增加明显，周期略有增加。最大位移出现的时间略有滞后。 (10)当结构偏心距较小时，对楼层水平位移的影响有限。当偏心较大时，则影响增大；偏心距的增加加重了结构边缘构件的负担。因此，在结构设计中应该尽量将抗侧力构件均匀布置。 (11)对称结构和非对称结构均对阻尼比的变化比较敏感，结构的上部比下部敏感。对于工程设计来说，选择合适的阻尼比也是合理设计的关键。 (12)对于对称结构和偏心结构，随着结构层间质量的增加，惯性力增加，周期延长，位移和转角增大。因此，在结构设计的时候，应该充分考虑结构使用时增加的荷载对结构地震反应的影响。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1课题背景

1.2国内外同类课题的研究现状及发展趋势

1.2.1结构弹性平扭耦连振动研究

1.2.2结构的弹塑性分析方法研究

1.2.3结构分析模型研究

1.3土木工程结构抗震试验简介

1.3.1结构抗震试验的特点和分类

1.3.2结构抗震试验方法的分类

1.4本文的目的和主要工作

2钢筋混凝土剪力墙的宏观有限元分析模型及试验验证

2.1现有研究成果

2.2钢筋混凝土剪力墙拟静力试验研究

2.2.1试验概况

2.2. 2试件破坏过程及分析

2.2.3试件的滞回特性分析

2.2.4实体剪力墙的受力性能及规律

2.2.5对于钢筋混凝土剪力墙恢复力曲线模型选取的建议

2.3宏观有限元模型的提出

2.4模型的验证

2.5本章小结

3钢筋混凝土柱的宏观有限元分析模型及试验验证

3.1现有研究成果

3.2钢筋混凝土柱多维恢复力特性的试验研究

3.3宏观有限元模型的提出

3.4模型的验证

3.5本章小结

4钢筋混凝土框架-剪力墙结构模型的振动台试验

4.1模拟地震振动台在抗震研究中的作用

4.2模型试验理论基础

4.3模型设计

4.4钢筋混凝土框架－剪力墙结构模型的振动台试验

4.5本章小结

5钢筋混凝土偏心框架－剪力墙结构空间时程分析方法与验证

5.1具有刚性楼盖多层偏心结构的平扭耦联振动

5.2程序的编制与验证

5.3本章小结

6钢筋混凝土框架－剪力墙结构多维弹塑性地震反应分析

6.1多维地震动输入下对称结构的弹塑性反应

6.2单双向地震动输入下非对称结构的弹塑性反应

6.3关于影响结构地震反应的主要参数研究

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文

创新点摘要

致谢