配置交叉斜筋的小跨高比连梁的剪切模型 研究及其在非线性动力反应分析中的应用

摘要

剪力墙结构、框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构是高层建筑中常用的结构形式。在这类结构中，连梁既能够为结构提供侧向强度和侧向刚度，又是保证结构延性和塑性耗能能力的关键构件。随着非线性动力反应分析越来越广泛地应用于高层建筑结构的抗震设计和性能评估，对连梁提出一种简单高效的数值模拟模型显得尤为重要。PERFORM-3D作为一款结构抗震性能评估软件，已广泛应用于我国的结构抗震研究领域和工程实践中，在科研界和工程界具有较高的认可度和接受度[1]。在PERFORM-3D中构件的剪切性能和弯曲性能是分开考虑的。通常可以将细长连梁的剪切性能考虑为弹性，而小跨高比连梁剪切变形在总变形中所占的比重大[2,3]，因此在建立小跨高比连梁的模型时不能忽视其剪切变形，而应使用合理的剪切模型。与其它配筋形式的小跨高比连梁相比，本团队提出的配置交叉斜筋的小跨高比连梁（中国《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[4]第11.7.10条规定图11.7.10-1的连梁）延性能力较好，多数能达到4.2以上的位移（转角）延性能力，甚至在剪压比高达0.30的情况下，还能达到4.6的位移（转角）延性能力，而且这种配筋形式不会严重增加施工难度，故在实际工程中优先推荐使用这种连梁。然而，目前尚未找到关于配置交叉斜筋的小跨高比连梁剪切模型的研究成果，因而有必要对此进行研究。　　本文在验证配置交叉斜筋的小跨高比连梁有限元模型有效的前提下，选择合理的弯剪变形分离方法，综合考虑各因素对剪切和弯曲模型特征参数的影响对配置交叉斜筋的小跨高比连梁进行构件层面的模拟分析。基于各因素对模型特征参数的影响规律，建立简单实用的剪切和弯曲模型并验证模型的有效性，最后将本文所建立的模型应用于结构算例，识别配置交叉斜筋的小跨高比连梁的延性需求以检验这种配筋形式的有效性。　　本文的主要结论有：　　①本文对配置交叉斜筋的小跨高比连梁构件的模拟结果与试验结果符合情况良好，证明VECTOR2程序对配置交叉斜筋的小跨高比连梁的模拟较为理想；　　②根据X形对角变形直接计算剪切变形只对曲率分布均匀的构件适用，故需对剪切变形进行修正，本文采用分段模型，用Hiraishi提出的方法先计算弯曲变形，再由总变形减去弯曲变形得到剪切变形；　　③基于各因素对配置交叉斜筋的小跨高比连梁剪切和弯曲模型特征参数的影响规律，确定了特征参数的数学表达式，从而建立了剪切和弯曲模型，并通过PERORM-3D程序验证了剪切和弯曲模型的有效性，模型形式及特征参数的具体表达式详见第4章；　　④本文利用PERORM-3D程序对一个部分采用了配置交叉斜筋的小跨高比连梁、设防烈度为8度（0.3g）的实际工程结构进行了罕遇地震下的非线性动力反应分析。结果表明，配置交叉斜筋的小跨高比连梁的最大转角延性需求为2.66，小于本团队试验结果得到的这类小跨高比连梁多数不低于4.2的转角延性能力并且具有较大的富裕度，说明这种配筋方案能够满足结构中连梁的延性需求并且还有较大的延性裕量，证明了这种配筋方案的有效性。　　本文的主要创新点为：　　①本文通过对配置交叉斜筋的小跨高比连梁进行构件层面的有限元分析，分离其剪切变形和弯曲变形，建立了适用于这类连梁的剪切模型和弯曲模型，弥补这一研究空缺，解决了结构体系分析中模拟这类连梁的关键问题；　　②本文对一个部分采用了配置交叉斜筋的小跨高比连梁的实际工程结构算例进行非线性动力反应分析，识别了这类连梁在结构中的延性需求，验证了这种配筋方案的合理性与有效性。

目录

1 引 言

1.1 连梁在联肢墙中的作用

1.2 连梁抗剪机理及国内外设计方案

1.2.1 不同跨高比的连梁的抗剪机理

1.2.2 小跨高比连梁的设计方案

1.3 小跨高比连梁剪切模型的研究

1.4 本文的研究目的和主要研究内容

2 配置交叉斜筋的小跨高比连梁构件的试验模拟与对比分析

2.1 配置交叉斜筋的小跨高比连梁的试验方案

2.1.1 试件设计

2.1.2 加载方案

2.1.3 试件选取

2.2 VECTOR2程序

2.2.1 VECTOR2 简介

2.2.2 理论基础简介

2.3 配置交叉斜筋的小跨高比连梁构件的试验模拟

2.3.1 有限元模型的建立

2.3.2 本构模型及参数设置

2.3.3 结果对比

2.4 本章小结

3 配置交叉斜筋的小跨高比连梁构件剪切变形的分离方法

3.1 剪切变形分离方法简介

3.2 本文计算连梁的剪切变形方法

3.3 本章小结

4 配置交叉斜筋的小跨高比连梁剪切模型与弯曲模型的参数识别及模型的提出

4.1 剪切及弯曲模型特征参数的确定

4.1.1 剪切模型

4.1.2 弯曲模型

4.2 影响因素分析

4.2.1 跨高比L/h的影响

4.2.2 混凝土强度的影响

4.2.3 钢筋强度的影响

4.2.4 纵筋配筋量的影响

4.2.5 对角斜筋配筋量的影响

4.2.6 截面宽度b的影响

4.2.7 截面高度L的影响

4.3 剪切和弯曲模型的拟合结果与验证

4.3.1 剪切和弯曲模型的拟合

4.3.2 剪切和弯曲模型的验证

4.4 本章小结

5 部分采用配置交叉斜筋的连梁的高层结构算例的非线性动力反应分析

5.1 PERFORM-3D程序简介

5.2 结构模型的建立

5.2.1 结构基本信息

5.2.2 刚性楼板、质量与荷载

5.2.3 材料模型

5.2.4 构件的模型化

5.2.5 阻尼

5.2.6 模态分析结果

5.2.7 地震波的选择、标定与输入

5.3 分析结果

5.3.1 结构的抗震性能

5.3.2 连梁的抗震性能

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 对后续工作的展望

参考文献

附 录

A. 配置交叉斜筋的小跨高比连梁试验数据

B. 地面运动加速度时程

C. 连梁塑性铰沿楼层的分布

D. 结构算例中配置交叉斜筋的小跨高比连梁的塑性转角时程

E. 学位论文数据集

致 谢