高层钢筋混凝土框-剪结构在地震作用下的弹塑性时程反应分析

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1、同济大学申请博士学位论文摘要摘要高层钢筋混凝土框．剪结构在地震作用下的弹塑性时程反应分析；在强震作用下，抗震结构将进入弹塑性变形状态。进入弹塑性状态的结构，其受力状态和力学行为变得十分复杂。为了尽可能增大结构的耗能能力，并防止结构在大震作用下倒塌，结构工程师需要了解具体结构的弹塑性性能，并在设计中加以控制。因此，结构的弹塑性反应，特别是动力反应，长期以来一直是地震工程界重点研究的问题之一。但由于其十分复杂，到目前为止该问题仍未得到很好的解决。随着社会的发展，～方面是建筑体形日益复杂，高度规模越来越大，使结构的力学分析越

2、来越难；另一方面，地震灾害中非结构性破坏造成的经济损失也越来越大，人们对建筑可靠性的要求越来越高。现行的以保证生命安全为一级设计准则的抗震设计理念，在满足杜会发展的需求方面显得越来越力不从心。根据第十二届世界地震工程会议，抗震设计的发展趋势正由“小震不坏，中震可修，大震不倒”这一基本要求向满足不同层次要求的“基于结构性能的抗震设计”理念转变。这一理念给地震工程界对结构弹塑性性能的认识和掌握提出了更高的要求。弹塑性时程分析方法是一种实时动态分析方法，输入地震波直接计算结构地震反应，比较全面地考虑了地震的三要素。理论上，用

3、较细致的结构模型能够揭示结构在强震动作用下，从弹性到开裂、然后进入屈服一直到倒塌的全部反应过程，能揭示出结构的薄弱环节，从而能对结构实际抵御地震袭击的能力作出正确的评估，有效地改进结构的抗震设计。弹塑性时程分析方法自从50年代提出以来，已发展了约半个世纪。然而，由于结构材料弹塑性本构关系和弹塑性计算的复杂性、人们对弹塑性性能的了解和掌握还不充分及计算工具的限制等原因，、盗今，弹塑性时程分析方法基本上仍处于研究阶段，在工程应用上仍处于较低水平。／钢筋混凝土框．剪结构当前是，在未来相当长时期内也仍然是建筑工程最主要、最普遍

4、的结构形式之一。本文在上海市建设技术发展基金会的资助下，对地震作用下的高层钢筋混凝士框架-剪力墙结构弹塑性时程反应分析方法进行了研究，具体有以下几方面：一、混凝土本构关系的研究，对约束混凝士已有等效本构模型进行改进之后，建立了等效单轴应力一应变滞回模型。该模型能较好地反映混凝土的裂面接触效应和卸载剐度退化，可用于任意路径多轴加载下的梁、柱弹塑性计算。实例计算结果表明该模型具有较好的精度。r二、柱、粱模型研究{建立了符合纤维模型假定的空间弹塑性粱单元。该单元能在本构关系层次上考虑钢筋混凝士柱、梁轴向变形和双轴弯曲之间的耦

5、合作用，较好地模拟塑性铰的弹塑性变形特性。基于塑性铰的变形和耗能特性，给出了合理的原则和简便的公式以确定塑性铰区的等效长度。根据梁、柱的受力特征、变形特性，假定其塑性变形只发生在塑性铰区。一般情况下将梁、柱分为三部分(悬臂梁、柱为两部分)：两端为弹塑性区，长度等于塑性铰区等效长度；中间为弹性区。弹塑性区用空间弹塑性梁单元模拟，中间弹性区用空间弹性梁单元模拟。实例计算表明，如此建立的梁、柱模型，能较好地模拟粱、柱在双轴任意加载路径作用下的弹同济大学申请博士学位论文摘要塑性变形行为。}三、梁柱节点内纵筋滑移建立了纵向钢筋在

6、节点区内的整体粘结滑移模型。利用本文之空间弹塑性粱单元的特点，将纵筋在锚固区的滑移当作杆端塑性铰内钢筋变形的一部分，形成“滑移．塑性铰”，从而大大简化了整体结构计算中对该滑移的处理。j，四、剪力墙的试验研究和计算模型研究对矩形截面剪力墙，带边柱剪力墙和带翼缘剪力墙进行了拟静力试验。三种剪力墙的高宽比均为3。根据对试验结果的分析，可以得出如下结果：高剪力墙受周边约束不十分大时，仍是以弯曲变形为主。建立了模拟剪力墙的有限纤维宽柱模型。该模型能反映混凝土剪力墙的“中性轴偏移效应”，并能在本构关系层次上考虑轴向变形和弯曲变形的

7、耦合作用。有限纤维宽柱模型能较好地模拟以弯曲为主的高剪力墙的弹塑性行为，可用于高层框架．剪力墙结构的弹塑性动力计算。用该模型对本文的试验进行模拟计算，平板剪力墙和带边柱剪力墙的计算结果与试验结果吻合较好，带翼缘剪力墙则偏差较大。j、五、结构模型研究建立了楼板为弹性变形的空间杆系模型。楼板在自身平面内为弹性，在平面外的刚度为零：梁取“T”形截面以考虑楼板对抗弯的贡献。本文采用瑞雷阻尼矩阵。分析探讨了输入地震波的确定方法，并给出了较为合理的建议。厂。”六、ANSYS二次开发根据应力．应变滞回模型编制出本构模型的计算机程序。

8、利用大型有限元程序ANSYS的开放性将该程序与ANSYS连为一体，从而在ANSYS上开发出新的、本课题所需要的功能∥、七、弹塑性动力计算肘所建立的结构模型对三个试验进行了模拟计算：(1)两跨三层平面框架结构模型的拟静力试验：(2)美、日合作所做的七层框．剪结掬足尺模型拟动力试验；(3)模拟地震振动台试验。计算结果与试验结果符合较好