填充墙对框架结构动力效应影响分析及设计应对策略

摘要

在建筑结构中，框架结构体系是目前应用最广泛的结构形式之一。这种结构之所以被广泛应用，是基于以下几个方面:第一，现浇混凝土框架结构的整体性强、刚度较好，设计处理好能达到较好的抗震效果;第二，可以把框架梁、柱浇注成各种需要的截面形状，不仅实用而且美观;第三，填充墙自重越来越轻，使框架结构的自重越来越小;第四，框架结构可以灵活分割空间，能够更好的配合建筑平面布置。
　　 历年来世界各地关于框架结构的震害报告和相关报道表明，框架结构中填充墙往往自身最先发生破坏，其破坏会导致结构受力构件的破坏，严重时甚至会导致结构整体破坏。造成上述结果的原因较多，本文主要从结构设计方面来分析。目前，由于各种计算分析应用软件功能和设计分析技术的限制，在进行框架结构设计时工程师基本都是采用纯框架模型进行简化分析，之后依据规范给出的相关条文控制和调整结构分析的结果，最后绘制施工图纸。纯框架简化方法是在对纯框架模型模态分析得到结构自振周期后，再依据“高规”JGJ3-2010或“抗规”GB50011-2010有关条文规定，对框架结构自振周期进行折减。这种简化方法，首先忽略填充墙对结构承载力的影响，把填充墙的自重作为线荷载布置在框架结构相应的位置上，其次忽略填充墙对结构的刚度改变和约束嵌固作用，来补充考虑填充墙对框架结构刚度和自振周期的影响。
　　 虽然从实用角度来看，这种做法操作简单，易于实施，但是规范给出的结构自振周期折减系数是一个取值区间值，并未给出针对不同的填充墙材料、填充墙分布密度、建筑物实际情况的具体解决方案，这就导致具体工程设计过程中，工程人员往往需要凭借经验确定具体的自振周期折减系数数值。经过分析得知，对于一个多层框架结构，当周期折减系数减小0.1时，结构的计算地震力将增大约10％，如果设计人员由于设计经验不足采用了不当的周期折减系数，会导致结构设计结果偏于不安全。
　　 鉴于此，本文对填充墙对框架结构抗震性影响进行研究，使用ANSYS10.0有限元软件，选用SHELL63单元、以实际的密度、弹性模量、厚度、形式等对填充墙进行模拟，建立各种框架填充墙模型，采用动力时程分析法对各模型进行地震作用分析。本文的研究内容主要有以下几个方面:
　　 (1)分别研究了填充墙参与抗震计算和不参与抗震计算对结构抗震性能各方面的影响。考虑填充墙后结构的自振周期减小、刚度增加、楼层位移显著减小、冯·米塞斯等效应力和应变减小。建议:在结构设计时应根据填充墙的情况，合理考虑填充墙在抗震方面的贡献;
　　 (2)薄弱层发生在结构底部时，将纯框架和无薄弱层的框架填充墙进行抗震性能对比:填充墙沿竖向均匀分布比不均匀分布更有利于增加结构的刚度，减小结构的自振周期，填充墙是否均匀布置对结构的扭转周期影响较大，并且在底层结构的等效应力和等效应变比纯框架和无薄弱层的框架填充墙都要大。建议:调整其楼层刚度，避免刚度突变，因为建筑需求不能避免的，要采取加固等措施保证结构的安全;
　　 (3)不同开洞率下结构的抗震性能对比分析:随着开洞率的增加，结构的刚度越小，楼层位移越大，结构的冯·米塞斯等效应变增大，结构的冯·米塞斯等效应力增大，对抗震不利。建议:在满足采光需求的前提下，尽量开小洞，或者规范可以就此增加相关规定或构造措施;
　　 (4)同样的框架结构采用不同的填充材料时，结构在抗震性能各方面的对比:在填充材料弹性模量大致相等，密度减小时，结构的频率增大，周期减小，结构的位移减小，结构的等效应力和应变都减小，结构越安全，越有利于抗震;在填充墙材料的密度大致相近，弹性模量减小时，结构的频率减小，周期增大，结构的位移增大，结构的等效应力和等效应变都增大，结构越不安全，对抗震不利。建议:结构设计人员和建筑设计人员做好协调沟通工作，满足建筑功能需求的同时也要保证结构受力协调和抗震性能良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究现状

1．2．1 试验研究

1．2．2 简化模型研究

1．3 本文研究的主要内容

第二章 规范对填充墙的规定及填充墙对结构抗震性能影响

2．1 我国关于填充墙的规范规定

2．1．1 地震作用计算方法

2．1．2 构造措施

2．1．3 尺寸要求

2．2 美国关于填充墙的规范规定

2．2．1 地震作用计算方法

2．2．2 构造要求

2．2．3 尺寸要求

2．3 填充墙对结构抗震性能有利影响

2．3．1 填充墙对结构刚度的影响

2．3．2 填充墙对结构自振周期的影响

2．3．3 填充墙对结构承载能力的影响

2．3．4 填充墙对结构变形能力的影响

2．4 填充墙对结构抗震性能不利影响

2．4．1 填充墙对结构刚度的影响

2．4．2 填充墙对框架柱的影响

2．5 本章小结

第三章 有限元模型在ANSYS中的实现

3．1 混凝土本构关系

3．1．1 混凝土单轴受压下的本构关系

3．1．2 本文采用的混凝土本构关系

3．2 砌体本构关系

3．2．1 砌体材料单轴受压下的本构关系

3．2．2 本文选用的砌体本构关系

3．3 钢筋混凝土结构有限元模型的选择

3．3．1 钢筋混凝土的三种有限元模型

3．3．2 本文采用的有限元模型

3．4 单元的选择

3．4．1 梁、柱单元的选取

3．4．2 板、墙单元的选取

3．5 接触问题

3．5．1 ANSYS接触分类

3．5．2 框墙连接方式

3．5．3 框墙连接单元的选取

3．6 本章小结

第四章 填充墙沿楼层高度方向布置形式对框架结构动力效应影响

4．1 模型选择

4．2 研究模型在ANSYS中的实现

4．3 模态分析

4．4 动力时程分析

4．4．1 地震波的选择

4．4．2 结构楼层位移

4．4．3 结构的等效应力和等效应变

4．4．4 考虑填充墙刚度衰退的位移时程曲线

第五章 开洞填充墙对框架结构动力效应影响

5．1 模型选择

5．2 研究模型在ANSYS中的实现

5．3 动力时程分析

5．3．1 地震波的选取

5．3．2 结构楼层位移

5．3．3 结构等效应变

5．3．4 结构等效应力

第六章 不同材料的填充墙对框架结构动力效应影响

6．1 模型选择

6．2 模态分析

6．3 动力时程分析

6．3．1 地震波的选择

6．3．2 结构楼层位移

6．3．3 结构的等效应力和等效应变

第七章 结论、建议和展望

7．1 结论

7．2 建议

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况