基于有限元模拟的预应力自复位砌体墙抗震性能研究

摘要

随着时代的进步，单纯从安全层面考虑的结构抗震设计理念逐渐难以满足人们对城市发展的期望。韧性城市概念的提出，将结构抗震理念从传统“小震不坏，中震可修，大震不倒”的“抗震”阶段逐渐发展过渡到注重过程导向，提高城市系统“韧性”的“耐震”阶段。据以往地震灾害资料显示，相比建筑本身结构成本，修复失去使用功能建筑的花费反而更高。从工程学角度来说，提高结构自复位性能，使结构遭受地震灾害后能够具备良好的可恢复能力成为时下抗震设计研究的重点。　　当下关于结构自复位性能的研究大多围绕钢筋混凝土结构及钢结构展开。然而，我国仍有大量人口居住在以砌体结构建筑为主的乡镇及农村之中。当地居民碍于传统思想、经济条件等因素缺乏抗震设防意识。因此，一种能够经济有效且能够提高砌体结构自复位性能的方法亟待提出。　　本文通过借鉴自复位混凝土结构、自复位钢结构做法，结合砌体结构自身属性，提出砌体墙构造柱中预置预应力钢绞线技术。研究主要内容如下：　　(1)根据现有自复位混凝土结构方面研究，总结出影响混凝土结构自复位性能的主要因素：初始预应力大小、墙体尺寸及摩擦阻尼材料设置，为探究影响砌体结构自复位性能因素提供借鉴参考。　　(2)基于既有的自复位混凝土剪力墙和普通砌体墙试验数据，建立有限元对比模型。对比分析了有限元计算结果和试验结果，验证了混凝土、预应力钢筋及砌体等材料参数设置的合理性。在此基础之上，借鉴影响混凝土自复位性能的因素，结合砌体结构自身性质和有限元分析结果的总结，提出影响砌体结构自复位性能的因素，主要有初始预应力、墙体高宽比、上部荷载、阻尼填充层的设置等。　　(3)利用ABAQUS软件，建立5片带构造柱普通砌体墙、14片自复位砌体墙的有限元模型，分析了预应力施加大小、高宽比、墙体上部荷载及增设内部阻尼填充层等因素对自复位砌体墙的自复位性能、刚度和耗能能力等的影响及规律。发现预应力钢绞线能够有效改善砌体结构墙体内部应力分布，使结构由原本受力集中在墙体构造柱底部，极易在地震作用下产生柱底被压坏的情况，改变为上下端部受力较大中部受力较小的情况，受力分布变得更为合理。同时，能够减小结构所受应力，使结构所受应力由墙体向构造柱转移。预应力钢绞线的加入能够显著提高结构刚度，刚度的提高与预应力钢绞线配置数量有关，但与预应力施加大小无关。施加的初始预应力越大，墙体自复位性能越好，耗能能力越强，但耗能能力较未加入预应力之前均有所降低；墙体高宽比越大结构刚度越小，自复位能力越弱，耗能能力越强；上部荷载越大墙体刚度越大，自复位性能越好，耗能能力越差；阻尼填充层的加入会提高墙体刚度，降低结构自复位性能，增强墙体耗能能力。从自复位性能角度分析，初始预应力增大2倍，结构残余变形减少约11.22%；高宽比增大2倍，结构残余变形增大约200%；上部荷载增大2倍，结构残余变形减少约77.24%；阻尼填充层的加入会引导致结构残余变形增大约110.77%。　　(4)基于有限元分析结果，分析了预应力、高宽比及上部荷载大小等因素对墙体相对残余变形量和能量耗散系数的影响规律，获得了变化规律的计算公式。　　(5)基于既有文献的研究成果，利用回归分析，总结提出自复位砌体墙极限承载力计算公式。基于数值模拟结果的分析，验证了承载力计算公式的合理性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.1.1韧性城市概念

1.1.2自复位概念的提出及技术要点

1.2自复位结构研究现状

1.2.1自复位钢筋混凝土结构研究现状

1.2.2 自复位钢结构研究现状

1.2.3砌体结构及其自复位性能研究现状

1.3本文研究工作

1.3.1研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第2章 砌体墙自复位性能影响因素分析

2.1影响混凝土结构自复位性能因素

2.2 有限元计算模型参数设置合理性验证

2.2.1 分离式模型和整体式模型介绍

2.2.2 荷载施加

2.2.4 混凝土本构模型

2.2.5 钢筋本构模型

2.2.6 砌体本构模型

2.2.7 混凝土试件验证

2.2.8 砌体试件验证

2.3影响砌体墙自复位性能因素的分析

2.3.1 预应力施加大小对墙体自复位性能的影响

2.3.2 高宽比对墙体自复位性能的影响

2.3.3 上部荷载对墙体自复位性能的影响

2.3.4 阻尼填充层对墙体自复位性能的影响

2.4 小结

第3章 自复位砌体墙抗震性能分析

3.1 模型设计

3.2 模拟加载制度

3.3 计算结果及分析

3.3.1滞回曲线计算结果及分析

3.3.2应力计算结果及分析

3.4小结

第4章 不同影响砌体自复位性能因素的对比分析及墙体极限承载力的计算

4.1评价参数选取

4.2预应力大小对结构抗震性能的影响

4.2.1滞回特性

4.2.2骨架曲线

4.2.3残余变形

4.2.4耗能能力

4.3高宽比对结构抗震性能的影响

4.3.1滞回特性

4.3.2骨架曲线

4.3.3残余变形

4.3.4耗能能力

4.4上部荷载对结构抗震性能的影响

4.4.1滞回特性

4.4.2骨架曲线

4.4.3残余变形

4.4.4耗能能力

4.5填充层对结构抗震性能的影响

4.5.1滞回特性

4.5.2骨架曲线

4.5.3残余变形

4.5.4耗能能力

4.6 自复位砌体墙极限承载力计算

4.6.1砌块的抗剪承载力

4.6.2 墙内配筋承载力贡献

4.6.3 构造柱承载力贡献

4.6.4模拟结果与计算结果比较

4.7小结

结论与展望

致谢

参考文献