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中高层生态复合墙混合结构计算理论与设计方法研究

作　者: 张程华
导　师: 赵冬
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 中高层生态复合墙混合结构抗震性能复合材料刚度极限承载力配比优化简化计算模型
分类号: TU973.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着国家―十二五‖规划的实施与推进，社会城镇化进程的步伐进一步加快，城镇规模不断扩大，用地紧张、基础设施滞后、环境污染等城镇化问题集中涌现。为解决上述问题，城镇土地的利用必须朝着综合化、集约化的方向发展，这就对原有生态复合墙结构体系提出新的要求。基于上述研究现状及前期研究成果，将传统生态复合墙结构与混凝土竖向约束构件有机结合提出中高层生态复合墙混合结构体系。本文立足于课题组主攻研究方向—中高层生态复合墙混合结构体系，采取试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，重点对中高层生态复合墙体抗震性能与理论分析、结构协同工作与构件配比优化、结构的简化计算模型等方面的研究；在此基础上，总结该混合结构抗震设计理论及构造措施，为中高层生态复合墙混合结构的设计和施工提供依据，奠定该结构的应用和发展基础。本文主要研究内容与成果如下：（1）结合课题组前期3榀中高层生态复合墙体的试验研究，对比不同类型中高层生态复合墙体的承载力、滞回特性、延性、强度退化、刚度退化等抗震性能。结果表明：肋梁、肋柱、竖向约束构件所形成的框格有效约束砌块受力及裂缝发展，按照―砌块—肋格—竖向约束构件‖模式各分灾元件依次发生破坏，形成多道抗震防线，充分利用不同构件的耗能能力；墙体从屈服到破坏，骨架曲线变化平缓，无突变现象，均未出现倒塌现象，抗倒塌能力较强。采用ABAQUS建立的中高层生态复合墙体数值模型，并对其进行静力弹塑性分析，计算结果与试验结果在荷载-位移曲线、出铰机制等方面吻合较好；在此基础上，开展关键参数变化的中高层生态复合墙体数值扩展分析，获得竖向约束构件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、轴压比、高宽比等关键因素对墙体弹性刚度、承载力和位移延性的影响规律，为建立合理的中高层生态复合墙体的计算理论和设计方法奠定基础。（2）基于数值及墙体试验研究成果，结合墙体独特构造和复合材料力学，建立适用于复合墙体的弹性阶段模型—双向纤维单层复合材料模型，推导出墙体弹性模量及剪切模量实用计算公式，并利用弹性力学对各向异性等效弹性板的抗侧刚度进行推导，同时考虑各种影响因素，对正交各向异性等效弹性板的抗侧刚度进行修正，结果表明：复合材料力学简化模型用于复合墙体抗侧刚度的计算，具有一定的理论依据和实用价值，能够满足实际工程计算需要；结合墙体受力特性及破坏过程，给出中高层生态复合墙体极限状态时的抗剪抵抗机构，基于抗剪抵抗机构、力的平衡条件，推导出中高层生态复合墙体的斜截面抗剪极限承载力计算公式，结果表明：该分析模型能够较好的反映中高层生态复合墙体的极限承载力特性，可应用于不同受力状态下复合墙体的极限承载力验算；基于平截面假定，推导出中高层生态复合墙体的正截面抗弯极限承载力计算公式，同时给出界限受压区高度，用于指导竖向约束构件的配筋。（3）结合中高层生态复合墙体试验及数值模拟，根据其受力特性及构造特点，提出中高层生态复合墙混合结构在水平荷载作用下的夹层复合结构力学模型，并根据变形协调原理，建立结构平衡微分方程，量化复合墙板和竖向约束构件承担荷载的比例关系，解析解与数值解对比表明：该模型为计算实际结构内力及位移提供了一种较为简化、实用的解析方法；基于中高层生态复合墙混合结构空间协同工作的原理，推导出满足层间侧移角限值的竖向约束构件的计算公式，量化不同控制因素作用下（抗震等级、场地类别、设计分组）纵向、横向竖向约束构件与复合墙板配比，指导中高层生态复合墙混合结构的结构方案设计。（4）针对生态复合墙板非均匀周期性分布特点，选取合适的单胞，建立单胞模型能量表达式，利用能量极值原理、周期性条件、均匀性条件及数学变换，得到复合材料的宏观性能的力学表达式，并结合细观力学有限元模型，建立不同尺度的代表性体积单元、边界条件，模拟代表性体积单元在荷载工况下的强度试验，得出代表性体积单元的等效材料特性及本构关系，与试验结果对比验证其合理性，研究表明：匀质化数值模型计算结果与试验结果吻合较好，该方法确定的材料属性能够反映墙板的宏观性能；利用等效材料属性及本构关系，提出中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型，与振动台试验结果进行了对比分析，结果表明：竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型能较好地模拟中高层生态复合墙混合结构弹塑性阶段的真实破坏过程及动力特性，模型具有一定的实用性，可适用于该混合结构非线性动、静力计算分析。（5）根据前期中高层生态复合墙体试验、数值模拟，并结合工程设计实例，重点对中高层生态复合墙混合结构房屋的平面布置、结构选型、抗震等级等概念设计原则、竖向约束构件设计与构造、生态复合墙板竖向连接进行研究与探讨，以期为中高层生态复合墙混合结构后续工程应用提供参考。本文的主要创新之处在于：（1）开展关键参数变化的中高层生态复合墙抗震性能对比研究，探讨关键因素对墙体力学行为的影响规律结合3榀中高层生态复合墙体的试验研究，对比不同类型中高层生态复合墙体抗震性能；利用已验证数值模型，采用有限元软件ABAQUS开展基于关键参数（竖向约束构件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、轴压比、高宽比）变化的数值扩展分析，探讨关键因素对墙体力学行为的影响规律，为建立合理的中高层生态复合墙体的计算理论和设计方法奠定基础。（2）推导出中高层生态复合墙体的抗侧刚度与极限承载力计算公式，完善和补充墙体的理论分析基于双向纤维单层复合材料模型，推导各向异性等效弹性板的抗侧刚度计算公式，该公式可用于复合墙体抗侧刚度的计算，具有一定的理论依据和实用价值；基于抗剪抵抗机构，推导出中高层生态复合墙体的斜截面抗剪极限承载力计算公式，可应用于不同受力状态下复合墙体的极限承载力验算；基于平截面假定，推导出中高层生态复合墙体的正截面抗弯极限承载力计算公式，用于指导竖向约束构件的配筋。（3）建立中高层生态复合墙混合结构协同工作模型，提出不同控制因素作用下竖向约束构件与复合墙板配比计算方法结合中高层生态复合墙体试验及数值模拟，提出中高层生态复合墙混合结构在水平荷载作用下的夹层复合结构力学模型，量化复合墙板和竖向约束构件承担荷载的比例关系；基于协同工作原理，提出不同控制因素作用下竖向约束构件与复合墙板配比计算方法，用于指导中高层生态复合墙混合结构的结构方案设计。（4）建立基于代表性体积单元的中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型运用周期介质均质化理论及细观有限元方法，建立不同尺度的代表性体积单元、边界条件，模拟代表性体积单元在荷载工况下的强度试验，得出代表性体积单元的等效材料特性及本构关系；利用等效材料属性及本构关系，建立中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型，可用于该混合结构非线性动、静力全过程分析。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-17
1 绪论  17-39
  1.1 研究背景  17-21
  1.2 研究目的及意义  21-22
    1.2.1 研究目的  21-22
    1.2.2 研究意义  22
  1.3 国内外研究现状及分析  22-30
    1.3.1 混合结构研究现状  22-24
    1.3.2 墙体承载力研究现状  24-26
    1.3.3 复合材料细观力学研究现状  26-28
    1.3.4 墙体简化计算模型  28-30
  1.4 本文的主要研究内容  30-32
  参考文献  32-39
2 基于关键参数变化的中高层生态复合墙体抗震性能分析  39-63
  2.1 中高层生态复合墙体抗震性能试验简介  39-46
    2.1.1 试件设计  39-40
    2.1.2 低周反复荷载试验加载方案  40-41
    2.1.3 试验结果及分析  41-46
  2.2 中高层生态复合墙体非线性有限元分析  46-52
    2.2.1 材料单元类型及本构模型  46-49
    2.2.2 建模及求解设置  49-50
    2.2.3 中高层生态复合墙体数值模型验证  50-52
  2.3 基于数值模型的中高层生态复合墙体抗震性能对比分析  52-60
    2.3.1 试件设计  53-56
    2.3.2 加载方案  56-57
    2.3.3 计算结果对比分析  57-60
  2.4 本章小结  60-61
  参考文献  61-63
3 中高层生态复合墙体的抗侧刚度与极限承载力研究  63-86
  3.1 中高层生态复合墙体弹性刚度研究  63-72
    3.1.1 中高层生态复合墙体抗侧刚度简化计算模型  63-64
    3.1.2 基本假定  64
    3.1.3 墙体抗侧刚度计算  64-71
    3.1.4 模型的验证  71-72
  3.2 中高层生态复合墙体斜截面极限承载力研究  72-77
    3.2.1 墙体抗剪承载力简化计算模型  72-73
    3.2.2 墙体抗剪承载力计算基本假定  73
    3.2.3 墙体抗剪承载力计算  73-75
    3.2.4 模型的验证  75-77
  3.3 中高层生态复合墙体的正截面极限承载力研究  77-83
    3.3.1 正截面承载力计算基本假定  77-78
    3.3.2 等效矩形应力图形  78-79
    3.3.3 界限受压区高度x_b  79-80
    3.3.4 中高层生态复合墙体的正截面承载力计算公式  80-83
  3.4 本章小结  83-84
  参考文献  84-86
4 基于中高层生态复合墙混合结构协同工作的构件配比研究  86-106
  4.1 中高层生态复合墙混合结构协同工作分析  86-96
    4.1.1 中高层生态复合墙混合结构协同工作原理  86-87
    4.1.2 混合结构协同工作基本假设与计算简图  87-88
    4.1.3 基本计算参数  88-89
    4.1.4 中高层生态复合墙混合结构协同工作分析  89-94
    4.1.5 模型验证  94-96
  4.2 基于协同工作的竖向约束构件与生态复合墙板的优化配比研究  96-103
    4.2.1 公式推导  96-98
    4.2.2 倒三角形地震荷载作用下的 W 值  98-101
    4.2.3 不同场地条件和抗震设防烈度的竖向约束构件与生态复合墙板配比  101-103
  4.3 本章小结  103-104
  参考文献  104-106
5 中高层生态复合墙混合结构简化数值模型  106-130
  5.1 生态复合墙板均质化理论  106-110
    5.1.1 生态复合墙板二维周期性材料的描述  106-107
    5.1.2 周期性应力和应变周期性位移  107-109
    5.1.3 生态复合墙板均质化的实现  109-110
  5.2 生态复合墙板的细观力学有限元分析  110-123
    5.2.1 细观力学有限元简介  110-111
    5.2.2 代表性体积单元 RVE 的选取  111
    5.2.3 代表性体积单元 RVE 的数值模拟  111-119
    5.2.4 生态复合墙板均质化的验证  119-123
  5.3 中高层生态复合墙混合结构简化数值模型  123-127
    5.3.1 等效原则  123-124
    5.3.2 力学模型的建立  124
    5.3.3 竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型的验证  124-127
  5.4 本章小结  127
  参考文献  127-130
6 中高层生态复合墙混合结构抗震设计理论及构造研究  130-154
  6.1 中高层生态复合墙混合结构概念设计  130-132
    6.1.1 房屋适用高度和高宽比  130-131
    6.1.2 建筑体形和结构布置原则  131
    6.1.3 水平位移限值  131-132
    6.1.4 抗震等级  132
  6.2 中高层生态复合墙混合结构构件设计  132-142
    6.2.1 生态复合墙体设计与构造  132-135
    6.2.2 混凝土竖向约束构件设计及构造  135-141
    6.2.3 楼盖结构设计与构造  141-142
  6.3 中高层生态复合墙混合结构的连接构造  142-147
    6.3.1 生态复合墙板间连接构造  142-145
    6.3.2 生态复合墙板与竖向约束构件连接构造  145-146
    6.3.3 生态复合墙板与基础连接构造  146-147
  6.4 工程实例  147-153
    6.4.1 工程概况  147-148
    6.4.2 结构设计  148-151
    6.4.3 结果对比  151-152
    6.4.4 结构设计流程  152-153
  6.5 本章小结  153
  参考文献  153-154
7 结论与展望  154-157
  7.1 主要工作及结论  154-155
  7.2 展望  155-157
致谢  157-158
攻读博士学位期间发表论文  158-159
攻读博士学位期间参加的主要科研项目  159
攻读博士学位期间获奖情况  159

中高层生态复合墙混合结构计算理论与设计方法研究

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