高層建筑剪力墻力學(xué)性能研究——連梁跨高比對(duì)雙肢剪力墻

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1、高層建筑剪力墻力學(xué)性能的研究——連梁跨高比對(duì)雙肢剪力墻動(dòng)力特性的影響(所屬雜志：此文章來(lái)自原稿)發(fā)布時(shí)間：2012-01-17已閱讀：1671杜玉峰西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055摘要：洞口連系梁是剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)件，它是墻肢之間傳力的紐帶。但跨高比較小的連梁是否能保證在達(dá)到一定的位移延性之前不出現(xiàn)剪切失效，仍是目前我國(guó)工程界未解決好的關(guān)鍵問(wèn)題。本文采用有限單元法對(duì)剪力墻進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，運(yùn)用四結(jié)點(diǎn)矩形單元和MATLAB編制了計(jì)算程序。利用該程序首先計(jì)算剪力墻在靜力作用下的受力變形特征，并將計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；然后針對(duì)跨高比不同的連梁，計(jì)算出雙肢剪

2、力墻在自由振動(dòng)時(shí)的動(dòng)力特征，討論連梁跨高比對(duì)雙肢剪力墻動(dòng)力特性的影響。應(yīng)用該程序，本文對(duì)某高層建筑開(kāi)洞剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元建模分析，計(jì)算了在不同跨高比的連梁下剪力墻的前三階自由振動(dòng)頻率，尋找連梁跨高比對(duì)剪力墻動(dòng)力特性影響的規(guī)律。關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；雙肢剪力墻；跨高比；洞口連系梁；有限單元法；矩形單元中圖分類(lèi)號(hào)：TU973+.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A高層建筑的設(shè)計(jì)與建造不僅要考慮到建筑的功能，還要考慮結(jié)構(gòu)同時(shí)承受垂直荷載和水平荷載，抵抗地震的能力。隨著建筑物高度的增加，框架結(jié)構(gòu)柱子的合理截面已難以承擔(dān)由于豎向荷載，特別是由水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。為了抵抗外荷載，需要不斷的增大柱的截面，以致造成不合

3、理的設(shè)計(jì)。用鋼筋混凝土墻板即剪力墻來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱則能承擔(dān)由各類(lèi)荷載引起的內(nèi)力，并能有效的控制結(jié)構(gòu)的水平變形。剪力墻是一種抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)單元。它具有較大剛度，在結(jié)構(gòu)中往往承受水平力的大部分，成為一種有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剪力墻。結(jié)構(gòu)中墻是一平面構(gòu)件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力；在軸力、彎矩、剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下，剪力墻除需滿(mǎn)足剛度強(qiáng)度要求外，還必須滿(mǎn)足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求。本文是利用有限元法的思想，編寫(xiě)四結(jié)點(diǎn)矩形單元的剪力墻有限元分析程序。利用該程序分析

4、開(kāi)洞剪力墻自由振動(dòng)的頻率，并將不同跨高比剪力墻計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。最后通過(guò)數(shù)值分析討論連梁跨高比對(duì)雙肢剪力墻動(dòng)力特性的影響。1高層建筑雙肢剪力墻的簡(jiǎn)化計(jì)算圖1所示為雙肢墻的幾何參數(shù)，墻肢可以為矩形或T形截面，但均以形心線(xiàn)作為墻肢的軸線(xiàn)，連梁一般取矩形截面。利用連續(xù)連桿法計(jì)算雙肢墻內(nèi)力和位移時(shí)，基本假定如下：（1）將墻體中每一層樓層處的連梁簡(jiǎn)化為在整個(gè)樓層高度上的連續(xù)桿，即把雙肢墻原僅在樓層標(biāo)高從處通過(guò)有限個(gè)連梁連在一起的結(jié)構(gòu)變成了沿整個(gè)高度上都是由無(wú)限個(gè)連續(xù)的連桿將兩片墻肢連在一起的結(jié)構(gòu)。這是為建立微分方程的需要而設(shè)的。（2）忽略連系梁的軸向變形對(duì)墻肢水平位移的影響，即假定兩個(gè)墻肢在同一標(biāo)

5、高處的水平位移是相等的。（3）假定兩個(gè)墻肢在同一標(biāo)高處的轉(zhuǎn)角與曲率都是相等的，因此連梁兩端轉(zhuǎn)角相等，連梁的反彎點(diǎn)位于連梁的跨中點(diǎn)。（4）墻肢慣性距I1、I2和連梁慣性距Ib，墻肢界面面積A1、A2和連梁截面面積Ab均為常數(shù)。這樣建立的方程均為常微分方程，便于求解（如圖1所示）。2雙肢剪力墻力學(xué)性能的有限元分析2.1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（1）問(wèn)題定義：在進(jìn)行有限元分析之前，首先對(duì)分析對(duì)象的形狀、尺寸、工況條件、材料類(lèi)型、計(jì)算內(nèi)容等進(jìn)行分析。本文研究的結(jié)構(gòu)類(lèi)型為彈性力學(xué)平面應(yīng)力問(wèn)題，分析類(lèi)型為動(dòng)力分析，分析內(nèi)容不規(guī)則開(kāi)洞情況下剪力墻的頻率。（2）幾何模型建立：幾何模型是對(duì)分析對(duì)象形狀和尺寸的描述，又

6、稱(chēng)幾何求解域。根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)樓層的墻體，窗洞等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。（4）網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的中心工作，給出結(jié)構(gòu)x方向與y方向的單元數(shù)，本程序具有自動(dòng)劃分網(wǎng)格的功能。對(duì)窗洞部分程序進(jìn)行挖去處理，不計(jì)入總剛度矩陣（如圖2所示）。（5）邊界條件的處理：通過(guò)分網(wǎng)生成的網(wǎng)格組合體定義了結(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)，它并不是完整的有限元模型，因此還不能直接用于計(jì)算。在編制程序中對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了處理，結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)與單元編碼順序都為從左到右，從上到下，基礎(chǔ)約束在解方程中采用劃行劃列法處理。2.2程序驗(yàn)證為了驗(yàn)證程序計(jì)算結(jié)果的正確性，首先編寫(xiě)了一個(gè)計(jì)算整體小開(kāi)口墻側(cè)移問(wèn)題的程序，并與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果相比較，其結(jié)果表

7、現(xiàn)出較好的一致性。算例如下：某高層住宅，層高3m，具體尺寸如圖3所示，采用C30混凝土現(xiàn)澆，求在圖示水平荷載作用下的頂點(diǎn)水平位移。2.2.2程序計(jì)算結(jié)果當(dāng)x方向劃分單元數(shù)為20;y方向劃分單元數(shù)為66時(shí)，頂點(diǎn)位移為0.00671m,與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果相比，誤差為8.92%當(dāng)x方向劃分單元數(shù)為20;y方向劃分單元數(shù)為110時(shí)，頂點(diǎn)位移為0.00652m,與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果相比，誤差為5.45%程序計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果相比較，誤差較小，可以驗(yàn)