密肋复合墙—剪力墙结构协同工作分析与数值模拟
|
摘要
密肋复合墙—剪力墙结构是一种自重轻、抗震性能好、节能效果佳、经济实用的新型混合结构体系,具有竖向荷载分担明确、抗侧刚度分布合理、具有多道设防等力学特点。然而,作为一种新型混合结构体系还有许多问题需要作进一步的研究。
通过理论分析和有限元数值模拟两种方法,对密肋复合墙-剪力墙混合结构在水平荷载作用下的变形性能和受力性能两方面进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容:
(1)基于课题组前期提出的密肋复合材料弹性板理论,将密肋复合墙肢等效为匀质墙,从连续连杆法的思路出发将连梁连续化,形成了混合结构的解析模型。以能量原理为基础建立了混合结构在水平荷载作用下的势能方程,其中单独考虑了两个墙肢的弯曲应变能和剪切应变能,利用连梁自身的剪力平衡建立了系统的约束方程。通过变分原理建立系统的平衡微分方程组,求解得到结构在水平荷载作用下的侧移计算公式和转角计算公式,其中包括考虑和不考虑剪切变形两组表达式。
(2)利用有限元软件ANSYS建立结构数值模型,基于密肋复合材料弹性板理论将密肋复合墙肢等效为匀质墙,模型中混凝土墙肢和密肋墙肢统一采用壳单元模拟。计算在水平荷载作用下结构的侧移和转角,验证解析法计算结构侧移方程的正确性。
(3)基于已验证的结构数值模型,以连梁高度和混凝土墙肢的宽度作为变量,分析密肋复合墙—墙剪力墙结构在水平荷载作用下结构的侧移、两个墙肢各自分配到的局部弯矩和墙肢剪力,定性给出密肋复合墙—剪力墙结构中密肋复合墙体和剪力墙的弯矩和剪力分配关系。
Multi-ribbed composite wall -shear wall structure (MRCWSWS) is a new composite structure system. There are many advantage in this system ,such as light dead weight、good performance in seismic resistance、short construction periodic time、good energy-saving effect、economy and practicality. So it will have a good prospect in the building market. But as a new structure system, some research should be made in the further.
Through the analytical and numerical methods, this paper discussed the deformation performance and the bearing performance under the lateral load. The main research contents are shown as followed:
(1)Based on the multi-ribbed composite elastic plate theory proposed by Pro.Huang, multi-ribbed composite wall is equivalent to homogeneous wall, then the link beams are serialized according to the continuous link method. After the two stage above, the analytical model was established. On the basis of energy principle, the energy equation is established, in which the bending strain energy and the shear strain energy were considered respectively. Considering the equilibrium conditions of the shearing forces in the link-beam, the constraint equations were formed. By the variational principle, the equilibrium differential equations were established. We can obtain two sets of the calculation formula for the lateral displacement and the rotation by solving the equations. One takes the shearing deformation into account, the other don't.
(2) Using the finite software ANSYS, the displacement and the rotation of the model under the lateral loads are calculated. Compared with the results using the analytical method, the accuracy of the displacement equation and the rotation equation are proved.
(3)By analyzing the displacement under the lateral loads, the local moment and shearing force of the wall panel based on the numerical model, in which the height of the beam and the width of the wall panel are served as variable, the distribution relation of the moment and the shearing force between the multi-ribbed composite wall and the shearing wall is presented qualitatively.
通过理论分析和有限元数值模拟两种方法,对密肋复合墙-剪力墙混合结构在水平荷载作用下的变形性能和受力性能两方面进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容:
(1)基于课题组前期提出的密肋复合材料弹性板理论,将密肋复合墙肢等效为匀质墙,从连续连杆法的思路出发将连梁连续化,形成了混合结构的解析模型。以能量原理为基础建立了混合结构在水平荷载作用下的势能方程,其中单独考虑了两个墙肢的弯曲应变能和剪切应变能,利用连梁自身的剪力平衡建立了系统的约束方程。通过变分原理建立系统的平衡微分方程组,求解得到结构在水平荷载作用下的侧移计算公式和转角计算公式,其中包括考虑和不考虑剪切变形两组表达式。
(2)利用有限元软件ANSYS建立结构数值模型,基于密肋复合材料弹性板理论将密肋复合墙肢等效为匀质墙,模型中混凝土墙肢和密肋墙肢统一采用壳单元模拟。计算在水平荷载作用下结构的侧移和转角,验证解析法计算结构侧移方程的正确性。
(3)基于已验证的结构数值模型,以连梁高度和混凝土墙肢的宽度作为变量,分析密肋复合墙—墙剪力墙结构在水平荷载作用下结构的侧移、两个墙肢各自分配到的局部弯矩和墙肢剪力,定性给出密肋复合墙—剪力墙结构中密肋复合墙体和剪力墙的弯矩和剪力分配关系。
Multi-ribbed composite wall -shear wall structure (MRCWSWS) is a new composite structure system. There are many advantage in this system ,such as light dead weight、good performance in seismic resistance、short construction periodic time、good energy-saving effect、economy and practicality. So it will have a good prospect in the building market. But as a new structure system, some research should be made in the further.
Through the analytical and numerical methods, this paper discussed the deformation performance and the bearing performance under the lateral load. The main research contents are shown as followed:
(1)Based on the multi-ribbed composite elastic plate theory proposed by Pro.Huang, multi-ribbed composite wall is equivalent to homogeneous wall, then the link beams are serialized according to the continuous link method. After the two stage above, the analytical model was established. On the basis of energy principle, the energy equation is established, in which the bending strain energy and the shear strain energy were considered respectively. Considering the equilibrium conditions of the shearing forces in the link-beam, the constraint equations were formed. By the variational principle, the equilibrium differential equations were established. We can obtain two sets of the calculation formula for the lateral displacement and the rotation by solving the equations. One takes the shearing deformation into account, the other don't.
(2) Using the finite software ANSYS, the displacement and the rotation of the model under the lateral loads are calculated. Compared with the results using the analytical method, the accuracy of the displacement equation and the rotation equation are proved.
(3)By analyzing the displacement under the lateral loads, the local moment and shearing force of the wall panel based on the numerical model, in which the height of the beam and the width of the wall panel are served as variable, the distribution relation of the moment and the shearing force between the multi-ribbed composite wall and the shearing wall is presented qualitatively.
引文
[1]姚谦峰,陈平,赵冬.密肋壁板结构研究与应用.第五届中日建筑结构技术交流会论文集,中国·西安.2001.06
[2]姚谦峰,陈平,张荫,赵冬.密肋壁板轻框结构节能住宅体系研究.工业建筑,2003(1)
[3]姚谦峰.新型节能住宅结构体系的研究与发展.工程力学.2001(增刊)
[4]包世华.新编高层建筑结构[M].中国水利水电出版社,2001
[5]王万钧,杨秀凤等.砖墙与混凝土剪力墙混合结构八层建筑模型抗震性能试验研究,建设部,1996,31(1):10-17
[6]高小旺,孟刚,周晓夫等.砖墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋抗震能力的分析方法[J].中国建筑科学研究院工程抗震研究报告,1996:572-591
[7]高小旺等.八层砖墙与钢筋混凝土墙组合结构1/2比例模型抗震试验研究[J].建筑结构学报,1999,2:31-38
[8]陈加猛,梁启智,张晓虹.高层筒中筒结构的二阶分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),1998,26(8)
[9]钟万勰.应用力学对偶体系[M].北京:科学出版社,2002.
[10]钟万勰.应用力学的辛数学方法[M].北京:高等教育出版社,2006.
[11]胡启平,李张苗,侯瑞珀.铁摩辛柯梁弯曲问题的对偶求解体系[J].河北建筑科技学院学报,2006,23(3)
[12]孙建梅,胡启平,程文滚.分析变截面筒中筒结构的初参数法[J].工业建筑,2003,33(11)
[13]管克俭,王新武,彭少民.钢框架支撑体系的应用和分析方法[J].中国工程科学,2003,5(5)
[14]李国强.多高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[15]J J Connor,C C Pouangare.Simple Model for Design of Framed-Tube Strucmres.Journal of Structural Engi- neering,1991,11 7(12):3623-3644
[16]Kang-Kun Lee,Yew-Chaye Loo,Hong Guan.Simple Analysis of Framed-Tube Structures with Multiple Internal Tubes.Journal of Structural Engineering,2001,127(4):450-460
[17]Peter C Chang,D A Foutch.Static and Dynamic Modeling and Analysis of Tube Frames.Journal of Structural Engineering,1984,110(12):2955-2975
[18]Eiki Yamaguchi,Toshiaki Ohta.Accurate and Efficient Method for Analysis of Reinforced Concrete Structures.Journal of Structural Engineering,1993,119(7):2017-2035
[19]张大名,李发国.高层筒体结构的计算.土木工程学报,1989,22(4):10-16
[20]巴荣光.筒中筒结构的简化计算.建筑结构学报,1993,14(1):72-77
[21]朱幼麟.筒中筒结构的简化计算.建筑结构学报,1984,5(2):9-21
[22]欧谨,吕子华.高层建筑框筒结构空间分析的边值法.工程力学增刊,1999,954-959
[23]李恒增,李新济,冯虹.高层框筒和筒中筒结构的整体稳定分析.上海力学,1999,20(4):388-395
[24]李家宝,李存权,蔡松柏.高层框筒结构的精确分析.科技通报,1991,7(3):176-177
[25]丁勇,黄本才.变截面高层框筒结构的内力和位移简化计算方法.同济大学学报,1999,27(3):282-286
[26]蔡松柏,石灿琪,王选民.高层框筒结构正交各向异性等效模型的解析解.湖南大学学报,1997,24(4):92-97
[27]王荫长.高层建筑简体结构的计算.北京:科学出版社,1988,10-50
[28]刘开国.高层建筑结构的能量变分解.建筑结构学报,1982,3(3):28-34
[29]王选民,杨茀康.矩形框筒结构分析.湖南大学学报,1989,16(1):44-53
[30]徐彬,夏锋,梁启智.考虑剪力滞后框筒结构位移解析解.昆明理工大学学报,1998,23(6):75-83
[31]龙驭球,辛克贵.多边形框筒结构的能量解法.建筑结构学报,1985,5(3):10-16
[32]赵琼梅.框筒结构的能量变分解.广州大学学报,2000,14(3):65-72
[33]曹希尧,李家宝,李存权.梁条单元的构造及框筒角柱内力的计算.建筑结构学报,1998,19(1):52-57
[34]周岱,董石麟.高层建筑框筒结构的简化计算法.浙江大学学报,1998,32(3):251-260
[35]胡绍隆,徐建平用有限条法计算高层建筑筒体结构.建筑结构,1983,4(5):7-16
[36]陆铁坚,余志武,蒋丽忠.任意平面形状筒体结构动力特性分析的改进条元法[J].中南工业大学学报(自然科学报),2003,34(3):306 310.
[37]胡绍隆,徐建平.用有限条法计算高层建筑筒体结构[J].建筑结构,1983,13(5):716.
[38]陆铁坚,余志武,蒋友良.高层建筑筒体结构三维静力分析的改进条元法.中南大学学报,2004,35(1)
[39]B S史密斯,A库尔.高层建筑结构分析与设计.陈瑜,龚炳年,黄宝清等.北京:地震出社,1993,344-348
[40]梁启智.高层建筑结构分析与设计.广东:华南理工大学出版社,1992,324-334
[41]黄本才.高层建筑结构计算与设计.上海:同济大学出版社,1998,127-140
[42]包世华,方鄂华.高层建筑结构设计(第2版).北京:清华大学出版社,1990,292-317
[43]包世华.新编高层建筑结构.北京:中国水利水电出版社,2001,260-283
[44]Alexander Coull,Nutan Kumar Subedi.Framed-Tube Structures forHigh-rise Buildings.Journal of Structural Division,1971,97(8):2097-2105硕士学位论文
[45]曹希尧,李家宝,李存权.框筒结构两种典型简化分析方法的综合比较.湖南大学学报,1997(1):87-92
[46]崔鸿超.框筒(筒中筒)结构的简化计算方法.建筑结构学报,1982,3(6):38-50
[47]包世华.高层建筑结构计算.北京:高等教育出版社,1991,54-63
[48]沈蒲生.高层建筑结构疑难释义.北京:中国建筑工业出版社,2003,212-219
[49]姚谦峰,黄炜,田杰等.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004,(6):67-74.
[50]王爱民.中高层密肋壁板结构密肋复合墙体受力性能及设计方法研究[D].西安建筑科技大学,2006,06.
[51]黄炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究.西安建筑科技大学博士论文,2004
[52]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析.清华大学出版社.2003
[53]包世华.新编高层建筑结构设计原理[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[54]付宝连.弹性力学的能量原理及其应用.科学出版社.2004
[55]尚晓江,邱峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例运用[M].北京:中国水利水电出版社,2005
[56]ANSYS使用手册(中文),ANSYS授权中国公司,北京,2000.
[57]黄东升.剪力墙结构的分析与设计.北京:中国水利水电出版社,2006
[2]姚谦峰,陈平,张荫,赵冬.密肋壁板轻框结构节能住宅体系研究.工业建筑,2003(1)
[3]姚谦峰.新型节能住宅结构体系的研究与发展.工程力学.2001(增刊)
[4]包世华.新编高层建筑结构[M].中国水利水电出版社,2001
[5]王万钧,杨秀凤等.砖墙与混凝土剪力墙混合结构八层建筑模型抗震性能试验研究,建设部,1996,31(1):10-17
[6]高小旺,孟刚,周晓夫等.砖墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋抗震能力的分析方法[J].中国建筑科学研究院工程抗震研究报告,1996:572-591
[7]高小旺等.八层砖墙与钢筋混凝土墙组合结构1/2比例模型抗震试验研究[J].建筑结构学报,1999,2:31-38
[8]陈加猛,梁启智,张晓虹.高层筒中筒结构的二阶分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),1998,26(8)
[9]钟万勰.应用力学对偶体系[M].北京:科学出版社,2002.
[10]钟万勰.应用力学的辛数学方法[M].北京:高等教育出版社,2006.
[11]胡启平,李张苗,侯瑞珀.铁摩辛柯梁弯曲问题的对偶求解体系[J].河北建筑科技学院学报,2006,23(3)
[12]孙建梅,胡启平,程文滚.分析变截面筒中筒结构的初参数法[J].工业建筑,2003,33(11)
[13]管克俭,王新武,彭少民.钢框架支撑体系的应用和分析方法[J].中国工程科学,2003,5(5)
[14]李国强.多高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[15]J J Connor,C C Pouangare.Simple Model for Design of Framed-Tube Strucmres.Journal of Structural Engi- neering,1991,11 7(12):3623-3644
[16]Kang-Kun Lee,Yew-Chaye Loo,Hong Guan.Simple Analysis of Framed-Tube Structures with Multiple Internal Tubes.Journal of Structural Engineering,2001,127(4):450-460
[17]Peter C Chang,D A Foutch.Static and Dynamic Modeling and Analysis of Tube Frames.Journal of Structural Engineering,1984,110(12):2955-2975
[18]Eiki Yamaguchi,Toshiaki Ohta.Accurate and Efficient Method for Analysis of Reinforced Concrete Structures.Journal of Structural Engineering,1993,119(7):2017-2035
[19]张大名,李发国.高层筒体结构的计算.土木工程学报,1989,22(4):10-16
[20]巴荣光.筒中筒结构的简化计算.建筑结构学报,1993,14(1):72-77
[21]朱幼麟.筒中筒结构的简化计算.建筑结构学报,1984,5(2):9-21
[22]欧谨,吕子华.高层建筑框筒结构空间分析的边值法.工程力学增刊,1999,954-959
[23]李恒增,李新济,冯虹.高层框筒和筒中筒结构的整体稳定分析.上海力学,1999,20(4):388-395
[24]李家宝,李存权,蔡松柏.高层框筒结构的精确分析.科技通报,1991,7(3):176-177
[25]丁勇,黄本才.变截面高层框筒结构的内力和位移简化计算方法.同济大学学报,1999,27(3):282-286
[26]蔡松柏,石灿琪,王选民.高层框筒结构正交各向异性等效模型的解析解.湖南大学学报,1997,24(4):92-97
[27]王荫长.高层建筑简体结构的计算.北京:科学出版社,1988,10-50
[28]刘开国.高层建筑结构的能量变分解.建筑结构学报,1982,3(3):28-34
[29]王选民,杨茀康.矩形框筒结构分析.湖南大学学报,1989,16(1):44-53
[30]徐彬,夏锋,梁启智.考虑剪力滞后框筒结构位移解析解.昆明理工大学学报,1998,23(6):75-83
[31]龙驭球,辛克贵.多边形框筒结构的能量解法.建筑结构学报,1985,5(3):10-16
[32]赵琼梅.框筒结构的能量变分解.广州大学学报,2000,14(3):65-72
[33]曹希尧,李家宝,李存权.梁条单元的构造及框筒角柱内力的计算.建筑结构学报,1998,19(1):52-57
[34]周岱,董石麟.高层建筑框筒结构的简化计算法.浙江大学学报,1998,32(3):251-260
[35]胡绍隆,徐建平用有限条法计算高层建筑筒体结构.建筑结构,1983,4(5):7-16
[36]陆铁坚,余志武,蒋丽忠.任意平面形状筒体结构动力特性分析的改进条元法[J].中南工业大学学报(自然科学报),2003,34(3):306 310.
[37]胡绍隆,徐建平.用有限条法计算高层建筑筒体结构[J].建筑结构,1983,13(5):716.
[38]陆铁坚,余志武,蒋友良.高层建筑筒体结构三维静力分析的改进条元法.中南大学学报,2004,35(1)
[39]B S史密斯,A库尔.高层建筑结构分析与设计.陈瑜,龚炳年,黄宝清等.北京:地震出社,1993,344-348
[40]梁启智.高层建筑结构分析与设计.广东:华南理工大学出版社,1992,324-334
[41]黄本才.高层建筑结构计算与设计.上海:同济大学出版社,1998,127-140
[42]包世华,方鄂华.高层建筑结构设计(第2版).北京:清华大学出版社,1990,292-317
[43]包世华.新编高层建筑结构.北京:中国水利水电出版社,2001,260-283
[44]Alexander Coull,Nutan Kumar Subedi.Framed-Tube Structures forHigh-rise Buildings.Journal of Structural Division,1971,97(8):2097-2105硕士学位论文
[45]曹希尧,李家宝,李存权.框筒结构两种典型简化分析方法的综合比较.湖南大学学报,1997(1):87-92
[46]崔鸿超.框筒(筒中筒)结构的简化计算方法.建筑结构学报,1982,3(6):38-50
[47]包世华.高层建筑结构计算.北京:高等教育出版社,1991,54-63
[48]沈蒲生.高层建筑结构疑难释义.北京:中国建筑工业出版社,2003,212-219
[49]姚谦峰,黄炜,田杰等.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004,(6):67-74.
[50]王爱民.中高层密肋壁板结构密肋复合墙体受力性能及设计方法研究[D].西安建筑科技大学,2006,06.
[51]黄炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究.西安建筑科技大学博士论文,2004
[52]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析.清华大学出版社.2003
[53]包世华.新编高层建筑结构设计原理[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[54]付宝连.弹性力学的能量原理及其应用.科学出版社.2004
[55]尚晓江,邱峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例运用[M].北京:中国水利水电出版社,2005
[56]ANSYS使用手册(中文),ANSYS授权中国公司,北京,2000.
[57]黄东升.剪力墙结构的分析与设计.北京:中国水利水电出版社,2006
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |