高层建筑剪力墙力学性能研究——连梁跨高比对双肢剪力墙

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1、高层建筑剪力墙力学性能的研究——连梁跨高比对双肢剪力墙动力特性的影响(所属杂志：此文章来自原稿)发布时间：2012-01-17已阅读：1671杜玉峰西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055摘要：洞口连系梁是剪力墙结构体系中的重要构件，它是墙肢之间传力的纽带。但跨高比较小的连梁是否能保证在达到一定的位移延性之前不出现剪切失效，仍是目前我国工程界未解决好的关键问题。本文采用有限单元法对剪力墙进行静力和动力分析，运用四结点矩形单元和MATLAB编制了计算程序。利用该程序首先计算剪力墙在静力作用下的受力变形特征，并将计算结果与简化计算结果进行比较；然后针对跨高比不同的连梁，计算出双肢剪

2、力墙在自由振动时的动力特征，讨论连梁跨高比对双肢剪力墙动力特性的影响。应用该程序，本文对某高层建筑开洞剪力墙结构体系进行有限元建模分析，计算了在不同跨高比的连梁下剪力墙的前三阶自由振动频率，寻找连梁跨高比对剪力墙动力特性影响的规律。关键词：工程结构；双肢剪力墙；跨高比；洞口连系梁；有限单元法；矩形单元中图分类号：TU973+.23文献标识码：A高层建筑的设计与建造不仅要考虑到建筑的功能，还要考虑结构同时承受垂直荷载和水平荷载，抵抗地震的能力。随着建筑物高度的增加，框架结构柱子的合理截面已难以承担由于竖向荷载，特别是由水平荷载产生的内力。为了抵抗外荷载，需要不断的增大柱的截面，以致造成不合

3、理的设计。用钢筋混凝土墙板即剪力墙来代替框架结构中的梁柱则能承担由各类荷载引起的内力，并能有效的控制结构的水平变形。剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元。它具有较大刚度，在结构中往往承受水平力的大部分，成为一种有效的抗侧力结构剪力墙。结构中墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下，剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求。本文是利用有限元法的思想，编写四结点矩形单元的剪力墙有限元分析程序。利用该程序分析

4、开洞剪力墙自由振动的频率，并将不同跨高比剪力墙计算结果进行比较。最后通过数值分析讨论连梁跨高比对双肢剪力墙动力特性的影响。1高层建筑双肢剪力墙的简化计算图1所示为双肢墙的几何参数，墙肢可以为矩形或T形截面，但均以形心线作为墙肢的轴线，连梁一般取矩形截面。利用连续连杆法计算双肢墙内力和位移时，基本假定如下：（1）将墙体中每一层楼层处的连梁简化为在整个楼层高度上的连续杆，即把双肢墙原仅在楼层标高从处通过有限个连梁连在一起的结构变成了沿整个高度上都是由无限个连续的连杆将两片墙肢连在一起的结构。这是为建立微分方程的需要而设的。（2）忽略连系梁的轴向变形对墙肢水平位移的影响，即假定两个墙肢在同一标

5、高处的水平位移是相等的。（3）假定两个墙肢在同一标高处的转角与曲率都是相等的，因此连梁两端转角相等，连梁的反弯点位于连梁的跨中点。（4）墙肢惯性距I1、I2和连梁惯性距Ib，墙肢界面面积A1、A2和连梁截面面积Ab均为常数。这样建立的方程均为常微分方程，便于求解（如图1所示）。2双肢剪力墙力学性能的有限元分析2.1结构计算模型（1）问题定义：在进行有限元分析之前，首先对分析对象的形状、尺寸、工况条件、材料类型、计算内容等进行分析。本文研究的结构类型为弹性力学平面应力问题，分析类型为动力分析，分析内容不规则开洞情况下剪力墙的频率。（2）几何模型建立：几何模型是对分析对象形状和尺寸的描述，又

6、称几何求解域。根据工程实例，对楼层的墙体，窗洞等进行简化处理。（4）网格划分：网格划分是建立有限元模型的中心工作，给出结构x方向与y方向的单元数，本程序具有自动划分网格的功能。对窗洞部分程序进行挖去处理，不计入总刚度矩阵（如图2所示）。（5）边界条件的处理：通过分网生成的网格组合体定义了结点和单元数据，它并不是完整的有限元模型，因此还不能直接用于计算。在编制程序中对此问题进行了处理，结构的结点与单元编码顺序都为从左到右，从上到下，基础约束在解方程中采用划行划列法处理。2.2程序验证为了验证程序计算结果的正确性，首先编写了一个计算整体小开口墙侧移问题的程序，并与简化计算结果相比较，其结果表

7、现出较好的一致性。算例如下：某高层住宅，层高3m，具体尺寸如图3所示，采用C30混凝土现浇，求在图示水平荷载作用下的顶点水平位移。2.2.2程序计算结果当x方向划分单元数为20;y方向划分单元数为66时，顶点位移为0.00671m,与简化计算结果相比，误差为8.92%当x方向划分单元数为20;y方向划分单元数为110时，顶点位移为0.00652m,与简化计算结果相比，误差为5.45%程序计算结果与简化计算结果相比较，误差较小，可以验