基于多垂直杆宏单元模型剪力墙抗震性能分析[详细]

1、基于多垂直杆宏单元模型的钢筋混凝土剪力墙抗震性能分析,高层建筑的定义,高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2002)： 10层及十层以上或房屋高度大于28m的建筑物称为高层建筑， 高层建筑是一个动态概念，不同时间，不同国家有不同的规定。 钢筋混凝土结构中常用的高层建筑结构体系： 框架结构；(2) 剪力墙结构；(3) 框架剪力墙结构； (4) 框筒结构；(5) 筒中筒结构等。,水平荷载使框架的弯矩很大，而且柱 子负担的轴向力和剪力也很大。有效 的解决办法就是设置一些墙片以代替 框架。,框架结构水平力下的弯矩分布,墙片在水平力作用下的工作犹如悬臂 的深梁，抗弯惯性矩大，抗侧力刚度 就大大提高；

2、另外，从受剪力的效能 看，墙的抗剪能力比框架强得多，这 种墙为整个房屋提供很大的抗剪强度 和刚度，所以称为“抗剪墙”或“剪 力墙”。,剪力墙的定义及分类,剪力墙的定义及分类,剪力墙 (shear wall)又称抗风墙或抗震墙、结构墙，是建筑结构中主要抗侧力构件，承受风荷载或地震作用引起的水平荷载。,剪力墙结构的变形特征,自底层向上，位移增量 越来越大，与悬臂梁的 弯曲变形曲线类似。 故称“弯曲型”,1）宜沿主轴方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜联结在一起，应尽量拉通、对直；抗震设计时，宜使两个方向侧向刚度接近；剪力墙墙肢截面宜简单、规则； 2）剪力墙布置不宜太密，使结构具有适宜的侧向刚度；

3、若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大； 3）剪力墙宜自下到上连续布置，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，避免刚度突变； 4）剪力墙长度较大时，可通过开设洞口将长墙分成若干均匀的独立墙段。墙段的长度不宜大于8m。 5）当剪力墙与平面外方向的梁连结时，可加强剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力（可在墙内设置扶壁柱、暗柱或与梁相连的型钢等措施）； 6）短肢剪力墙是指墙肢截面长度与厚度之比为58的剪力墙，高层结构不应采用全部为短肢剪力墙的结构形式。,剪力墙的布置原则,剪力墙暗柱,剪力墙的构造措施,暗柱（边缘约束构件） 暗梁,钢筋混凝土剪力墙多垂直杆单元,宏观单元： 将一段墙肢作为一个单元，混凝土开裂等细

4、微复杂因素不再用数值方法单独 考虑，而是通过试验分析得到各种参数，大大减少计算工作量，适用于整体 结构弹塑性分析。,用有限单元法分析钢筋混凝土剪力墙非线性问题时，单元模型可分为微观模型(实体单元或者板壳单元)和宏观模型两大类。,多垂直杆单元,Vulcano 1987年最先提出,多垂直杆单元中，模型的非线性 特征是通过弹簧的滞回曲线体现 的，而滞回曲线各参数的确定需 要通过试验确定，是目前较为理 想的一种宏观模型。,c 的理想取值介于 0.2 和0.5之间，具体取值和荷载中弯矩和剪力的比例成分有关。 当荷载中弯矩成分较多， c 可以取得大一些，剪力成分较多则可以取得小一些。,剪力墙多垂直杆模型,

5、多垂直杆单元的特点： 假设曲率为线性分布，转角由A点的转动实现； 左、右两侧的竖向弹簧可代表剪力墙的暗柱； 竖向垂直杆的数量不宜过少，否则精度较差； 平截面假定与真实情况不符，平截面假定意味着剪应力在横截面上均匀分布，可以只用一根剪切弹簧来考虑剪切变形的影响。,轴向杆个数 68个为宜,进入非线性后，横截面上的剪应力由于分布的不均匀并不会同时进入非线性。为了解决这个问题，可以对每一个竖向弹簧均附设一个剪切弹簧，根据剪应力的真实分布来考虑这些剪切弹簧的受力，而在考虑弯曲变形时仍遵循平截面假定。,竖向弹簧,剪切弹簧,多垂直杆墙单元的滞回特性 （沈蒲生模型）,轴向受拉弹簧钢筋混凝土轴心受拉构件,弹性阶

6、段：,受拉进入弹塑性阶段后，混凝土开裂，钢筋的平均应力为：,在非线性分析中，主要关心的是钢筋屈服时杆件的受力及位移,拉杆（受拉弹簧）的变形,拉杆（受拉弹簧）的刚度,当不考虑混凝土受拉贡献时，只需令,轴向受压弹簧钢筋混凝土轴心受压构件,垂直杆受压时，由于在受压阶段混凝土起主要作用，因而以混凝土受压屈服（这一说法值得商榷）来进行计算。,压杆（受压弹簧）的变形,压杆（受压弹簧）的刚度,屈服后刚度的确定,钢筋混凝土轴向拉-压滞回关系,C 点纵坐标取值。有三个值：0、 0.2 F cy 、0.3 Fsy ，可将C 点纵坐标取为 0 进行简化； H点纵坐标取值。 有两个值： 0.4 F cy 、 0.8

7、Fsy ，该取值直接表征了墙肢整体滞回模型捏缩效应的程度；,C,H,Clough模型,受拉,受压,水平剪切弹簧恢复力模型,剪力墙水平剪切刚度恢复力模型的确定与剪力墙的剪切试验及其理论研究密切相关，目前主要有两种方法： 一. 经验方法： 以日本学者Hiraishi为代表，通过大量剪力墙剪切试验数据来确定参数， 著名程序IDARC采用的就是这种经验公式； 二. 加拿大Collins提出的修正 斜压缩场理论： 从已有的相关文献来看，这种方法需要对弯剪相互作用进行迭代计算。,修正抗压区理论 (Modified Compression Field Theory) （Vecchio and Collins

8、，1986，1988；Vecchio，1989）,修正抗压区理论将开裂混凝土看作一种新的材料，在所选取的有限单元或有限条带内引入平均应力和平均应变的概念，给出满足平衡条件和变形协调条件的钢筋混凝土材料的平均应力平均应变本构关系模型。,在建立材料的本构模型时，选用一膜单元代表钢筋混凝土构件的一部分，其上布有正交钢筋，假设膜单元变形时各边仍为直线且对边保持平行，同时假设膜单元中应力与应变是一一对应关系，膜单元产生变形时钢筋与混凝土的应变保持一致。,Vecchio and Collins 剪切试验装置,沈蒲生 湖南大学土木工程学院 2005,受拉区曲线基本重合, 说明沈蒲生相应公式比较准确。 受压区

9、到达最高点之前的部分比较一致, 在此之后发生很大分歧。 轴力杆在受压时, 混凝土的作用是相当显著的。且剪力墙中的纵筋配筋率除了端部加强区中的与一般轴力杆相近外,中间部分的竖向分布钢筋配筋率都比较小,因此受压区的表现应以混凝土的表现为主。所以屈服之后的部分应该反映混凝土的下降段。,对垂直杆轴向拉-压滞回关系的探讨 （同济大学，吕西林）,改进后的轴向拉-压骨架曲线,改进后的轴向拉-压滞回关系,对于滞回规则作了修改：增加了0.2Pcy的点，以反映钢筋的包兴格效应，同时增加了0.4Pcy的点，来反映滞回曲线的捏缩效应。,对垂直杆轴向拉-压滞回关系改进后的比较,吕西林分析结果可预测滞回曲线的下降段,沈蒲

10、生 分析结果,采用垂直杆单元分析剪力墙构件 （华南理工大学，韩小雷）,剪力墙宏单元划分,轴向拉压杆滞回模型,剪切弹簧滞回模型,剪切弹簧恢复力模型采用DRAIN 2D的剪切本构关系，模型中各参数根据试验数据确定。 水平弹簧的高度系数 c值取为0.4,计算结果与试验结果的比较,计算结果与试验结果的比较,计算结果的模拟显示,基于OpenSees的剪力墙模拟分析,关键问题： 水平及剪切弹簧材料性能如何实现？ 用哪种单元来模拟？ 分析步骤及方法？ 是否考虑钢筋滑移？ 基于纤维模型的剪力墙分析。,/wiki/index.php/OpenSees_Dev

11、eloper,新的混凝土材料本构模型,Pinching4 Material,Bond_SP01 - - Strain Penetration Model for Fully Anchored Steel Reinforcing Bars,Pinching4 Material,/wiki/index.php/Pinching4_Material,This command is used to construct a zeroLength element object, which is defined by two nodes at the

12、same location. The nodes are connected by multiple UniaxialMaterial objects to represent the force-deformation relationship for the element.,Bond SP01 - - Strain Penetration Model for Fully Anchored Steel Reinforcing Bars,This command is used to construct a uniaxial material object for capturing strain penetration effects at the column-to-footing, column-to-bridge bent caps, and wall-to-footing intersection