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框支密肋复合墙结构墙梁受力机理及结构抗震设计理论研究

作　者: 魏晓
导　师: 姚谦峰；张茂功
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 框支密肋复合墙结构墙梁非线性有限元分析简化力学模型层间刚度比
分类号: TU398.9
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

框支密肋复合墙结构是底部采用大空间框架-抗震墙(或复合墙)结构、上部采用密肋复合墙结构的一种新型抗震结构体系。由于密肋复合墙结构自重轻，整体性好，具有较高的承载及耗能能力，且其承载力和刚度可根据不同设计要求进行调整，因此框支密肋复合墙结构易于实现底部大空间与上部房屋结构的竖向刚度协调，提高结构的整体抗震能力。墙梁作为上下结构间最重要的转换构件，其性能对结构整体抗震能力的优劣起到了决定性的作用，研究其受力机理、抗震设计理论就显得尤为重要。本文通过试验研究、理论分析及数值模拟，对墙梁在竖向荷载及与水平荷载共同作用下的受力性能及影响因素进行了研究，建立了框支密肋复合墙结构的简化力学模型，提出了墙梁的实用设计计算方法；并就结构层间刚度比的合理取值进行了探讨，给出了框支密肋复合墙结构抗震构造措施。本文的主要研究内容包括：1框支密肋复合墙结构墙梁抗震性能试验研究及竖向荷载作用下的受力机理分析(创新点一)为考察框支密肋复合墙结构墙梁在竖向及水平低周反复荷载作用下的反应，通过对四榀两跨框支密肋复合墙结构墙梁的试验研究，就墙梁的受力机理、破坏模式及抗震性能进行了分析。重点研究了复合墙结构墙梁在竖向荷载作用下的受力性能并就其影响因素进行了分析。2框支密肋复合墙结构墙梁非线性有限元分析为弥补实体试验中试件数量、工况及加载条件的局限性，更加全面地反应框支密肋复合墙结构墙梁的受力性能，通过框支密肋复合墙结构墙梁的非线性有限元分析，较为真实地模拟了墙梁的内力、变形、裂缝发展的全过程及极限承载力水平；同时，针对试验研究的局限性，利用通过验证的有限元分析模型，提供了墙梁更多的反应信息，从而为建立更为有效的墙梁计算模型奠定了基础。3框支密肋复合墙结构墙梁折算荷载及实用设计方法研究(创新点二)为将结构上部荷载折算为墙梁计算荷载，简化框支结构墙梁的设计计算方法，结合试验数据，利用验证后的有限元数值模型对框支密肋复合墙结构墙梁在竖向荷载作用下的受力特点进行了计算分析，并就影响复合墙中托梁应力分布的四个主要因素：托梁最大内力与墙体高跨比H_w／L、托梁高跨比H_b/L、墙体弹性模量与托梁弹性模量比E／E_c、开洞及其位置等进行了较为详细的对比分析；以弹性地基梁理论为基础，提出托梁在竖向荷载作用下的三角级数应力分布形式，并回归托梁的荷载折减系数，给出了较为实用、简便的墙梁设计计算方法，为框支密肋复合墙结构墙梁的实用设计提供了科学依据。4框支密肋复合墙结构层间刚度比的优化设计研究(创新点三)为解决框支结构转换层上、下层间刚度比合理取值问题，在本文前述试验研究及非线性有限元分析的基础上，结合课题组前期研究成果及现代高层结构计算理论，建立了框支密肋复合墙结构弹性阶段的简化力学模型——框支—复合弹性板模型；利用验证后的简化力学模型对结构进行了动力反应分析，探讨了转换层上、下层间刚度比对框支密肋复合墙结构弹性侧移的影响，并提出其合理取值，初步解决了框支复合墙结构层间刚度比的优化设计难题。5框支密肋复合墙结构抗震设计方法研究通过对比分析几种常见墙梁的设计计算方法，给出了框支密肋复合墙结构墙梁的实用设计计算公式；建立了框支密肋复合墙结构弹性及弹塑性计算模型；运用抗震控制设计思想，给出框支密肋复合墙结构及构件的抗震构造措施。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
1 绪论  14-25
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 相关结构体系研究现状  15-18
    1.2.1 底部框架─抗震墙砌体结构  15
    1.2.2 底部框架─抗震墙组合砌体结构  15-16
    1.2.3 框支剪力墙结构  16
    1.2.4 框支密肋复合墙结构  16-18
  1.3 相关研究方法现状  18-21
    1.3.1 墙结构的宏观计算模型  18-20
    1.3.2 钢筋混凝土非线性有限元分析方法  20
    1.3.3 内力折减  20
    1.3.4 墙梁的设计计算方法  20-21
  1.4 本文的研究目的及内容  21-23
  参考文献  23-25
2 框支密肋复合墙结构墙梁抗震性能试验研究及竖向荷载作用下的受力机理分析  25-46
  2.1 试验简介  25-30
    2.1.1 试件的设计  25-28
    2.1.2 材料性能  28
    2.1.3 试件的加载装置及加载方案  28-29
    2.1.4 试件的测试方案  29-30
  2.2 试验过程及破坏特征  30-34
    2.2.1 试验过程及破坏特征  30-34
    2.2.2 主要试验结果  34
  2.3 竖向荷载作用下受力性能分析  34-38
    2.3.1 墙板肋柱  35
    2.3.2 边框柱与连接柱  35-36
    2.3.3 托梁  36-37
    2.3.4 底部框架柱  37-38
    2.3.5 托梁挠度分析  38
  2.4 抗震性能分析  38-43
    2.4.1 破坏特征  38-39
    2.4.2 变形性能  39-40
    2.4.3 承载力及刚度分析  40-43
  2.5 本章小结  43-44
  参考文献  44-46
3 框支密肋复合墙结构墙梁的非线性有限元分析  46-71
  3.1 模型中不同材料的本构关系  46-57
    3.1.1 混凝土的本构关系  46-52
    3.1.2 混凝土的破坏准则  52-55
    3.1.3 钢筋的本构关系  55-56
    3.1.4 填充砌块的本构关系  56-57
  3.2 模型中裂缝的处理问题  57-59
    3.2.1 混凝土开裂模型  57-59
    3.2.2 混凝土压碎模型  59
  3.3 有限元模型的建立  59-66
    3.3.1 几何模型  60-61
    3.3.2 材料模型  61
    3.3.3 单元的选择  61-63
    3.3.4 材料的联结  63-64
    3.3.5 模型的建立  64-66
  3.4 有限元分析结果  66-68
    3.4.1 竖向荷载作用下的有限元分析  66
    3.4.2 水平荷载作用下的有限元分析  66-68
  3.5 本章小结  68-69
  参考文献  69-71
4 竖向荷载作用下框支密肋复合墙结构墙梁的受力机理研究  71-98
  4.1 竖向荷载作用下墙梁的受力机理  71-75
    4.1.1 竖向荷载作用下砌体结构墙梁受力特点概述  71-73
    4.1.2 竖向荷载作用下框支密肋复合墙结构墙梁特点研究  73-74
    4.1.3 竖向荷载作用下框支密肋复合墙结构墙梁的计算模型  74-75
  4.2 竖向荷载作用下框支密肋复合墙结构墙梁的内力折算及实用设计方法研究  75-94
    4.2.1 墙梁内力折算问题的提出  75-77
    4.2.2 竖向荷载作用下框支密肋复合墙梁受力影响因素分析  77-85
    4.2.3 竖向荷载作用下框支密肋复合墙结构托梁内力折算公式研究  85-94
  4.3 本章小结  94-95
  参考文献  95-98
5 框支密肋复合墙结构层间刚度比的优化设计  98-124
  5.1 框支密肋复合墙结构的弹性计算模型-框支-复合弹性板力学模型  98-113
    5.1.1 结构的等效原则  98-99
    5.1.2 复合材料等效弹性板力学模型  99-104
    5.1.3 框支─复合弹性板力学模型的建立  104-108
    5.1.4 框架─复合弹性板模型的验证  108-109
    5.1.5 框支密肋复合墙结构模型  109-113
  5.2 框支密肋复合墙结构层间刚度比的优化分析  113-122
    5.2.1 弹性动力反应计算结果分析  113-117
    5.2.2 层间刚度比对结构弹性侧移的影响  117-121
    5.2.3 层间刚度比的优化设计  121-122
  5.3 小结  122
  参考文献  122-124
6 框支密肋复合墙结构实用设计方法研究  124-138
  6.1 框支密肋复合墙结构墙梁实用计算理论研究  124-125
    6.1.1 计算简图  124
    6.1.2 计算荷载  124-125
    6.1.3 密肋复合墙结构托梁正截面承载力计算  125
  6.2 框支密肋复合墙结构实用计算方法  125-131
    6.2.1 结构计算分析方法  125-127
    6.2.2 框支密肋复合墙结构的计算模型  127-128
    6.2.3 框支密肋复合墙结构抗震设计计算  128-131
  6.3 框支密肋复合墙结构抗震构造措施  131-136
    6.3.1 材料  131
    6.3.2 密肋复合墙板  131-133
    6.3.3 隐形框架构造  133
    6.3.4 密肋复合墙板连接构造  133-134
    6.3.5 托梁  134-135
    6.3.6 底部框架─抗震墙  135-136
  6.4 小结  136
  参考文献  136-138
7 结论与展望  138-142
  7.1 结论  138-141
  7.2 展望  141-142
致谢  142-143
攻读博士学位期间发表论文  143-144
攻读博士学位期间参加的主要科研项目  144

框支密肋复合墙结构墙梁受力机理及结构抗震设计理论研究

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