剪力墙开洞形式对框剪结构抗震性能影响.docx
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剪力墙开洞形式对框剪结构抗震性能影响
剪力墙开洞形式对框剪结构抗震性能影响
摘要:
钢筋混凝土剪力墙是完全由剪力墙抵抗水平荷载的结构,是高层建筑结构主要的抗侧移体系。
剪力墙是一种片状的结构,其高度大,厚度小,承载能力大,平面内的刚度大,但其剪切变形比较大,并且平面外的刚度很小。
随着人们对建筑美观和用途的需要逐步改变,以往单一的建筑外形逐步趋向于多元化,在剪力墙上开洞的情况也越来越复杂,洞口不再是规则的形状和排列,出现了许多异性洞口的建筑案例。
一方面丰富了建筑的形式,另一方面对建筑结构特别是剪力墙的研究提出了新课题,其对结构所产生的影响也变得较为复杂,尤其是洞口尺寸、形状、排列方式的逐渐多样性。
我们对这一个问题进行深入的分析,具有较大的理论和实际意义[1]。
本文选取八种不同形式的剪力墙作为研究对象,对于洞口大小、排列情况、异性洞口等因素对开洞剪力墙的特性的改变做了分析。
利用ABAQUS软件对八种不同形式的开洞剪力墙的对框架-剪力墙结构抗震性能影响。
关键字:
剪力墙,高层建筑结构,开洞,ABAQUS软件
TheInfluenceofDifferentformsShearWallOpeningsonSeismicPerformanceofaFrame-shearWallStructure
YuYu
(WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)
Abstract:
Reinforcedconcreteshearwallwhichcompletelyresistshorizontalloadbythestructureofshearwallisamajorlateralresistantsystemofhigh-risebuildingstructure.Shearwallisakindoflamellarstructurethatithasbigheight,smallthickness,largebearingcapacity,largethein-planestiffness,butthesheardeformationislarge,andout-of-planestiffnessissmall.Aspeople'sneedforbuildingbeautifulandfunctiongraduallychange,andasinglebuildingformgraduallytendtobediversified,openholeinshearwallismoreandmorecomplex,theshapeandarrangementofthemouthofthecaveisnolongerrules,appearedalotofstraightholeconstructioncases.Ontheonehand,enrichtheformsofconstruction,ontheotherhand,tothebuildingstructure,especiallythestudyoftheshearwallputforwardthenewsubject,theimpactofitsstructurebecomesmorecomplex,especiallytheholesize,shape,arrangementofdiversitygradually.Ourin-depthanalysisofthisproblem,hasgreattheoreticalandpracticalsignificance.
Thisarticleselects8differentsformsofshearwallastheresearchobject,analysizedthechangeofthecharacteristicsoftheopenholeshearwallfortheholesize,arrangementandstraighthole.ByusingANSYSsoftwareto8differentformsofopenholeshearwallwithframe-shearwallstructureseismicperformanceinfluence.
Keywords:
shearwall,high-risebuildingstructure,hole,ANSYSsoftware
1引论
剪力墙是一种抵抗侧向力的结构单元。
它可以组成完全由剪力墙抵抗侧力的剪力墙结构,也可以和框架共同抵抗侧向力而形成框架-剪力墙结构,实腹筒也是由剪力墙组成。
剪力墙具有较大刚度,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。
在地震区,设置剪力墙(筒体)可以改善结构抗震性能。
在抗震结构中剪力墙也称为抗震墙[2]。
高层建筑中的剪力墙结构,实际上是一悬臂构,它的受力情况将随洞口的大小、形状和位置的不同而变化。
在通常矩形洞口且其位置接近横向尺度中部的情况下,其受力特性主要取决于洞口的大小,据此可将剪力墙分为不同的类型,每种类型有不同的力学特性[3]。
1.1单片剪力墙构件分类
按墙肢截面长度与宽度之比分为:
根据剪力墙高宽比的大小可将剪力墙分为:
高强、中高墙和矮墙。
1.2洞口率的影响及类型划分
根据有无洞口、洞口大小和位置以及形状等可分为四类,即整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架[4]。
洞口大小常用洞口系数来表示,其定义为:
图1剪力墙的类型
(1)整截面墙:
指没有洞口的实体墙或洞口很小的剪力墙,其受力状态如同竖向悬臂构件。
当剪力墙高宽比较大时。
受弯变形后截面仍保持平面,法向应力呈线性分布。
(2)整体小开口墙:
指洞口稍大且成列布置的剪力墙,截面上法向应力稍偏离直线分布,相当于整体弯矩直线分布和墙肢局部弯曲应力的叠加。
墙肢的局部弯矩一般不超过总弯矩的15%,且墙肢在大部分楼层没有反弯点;
(3)联肢墙:
其洞口更大且成列布置,使连梁刚度比墙肢小很多,壁式框架:
连梁中部有反弯点,各墙肢单独作用较显著,联结起来的剪力墙。
当开有一列洞口时为双肢墙可看成是若干单独剪力墙由连梁联当开有多列洞口时为多肢墙;
(4)当洞口大而宽、墙肢宽度相对较小,墙肢刚度与连梁刚度相差不太远时,剪力墙的受力性能与框架结构相类似。
其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩,在许多楼层内墙肢有反弯点。
1.3国内外对剪力墙洞口研究的一些成果
1.3.1我国规范中对开洞剪力墙的一些规定[5]
我国混凝土高层设计规程[6]中对开洞剪力墙的门窗洞口按上下对齐,成列布置,形成明确的墙肢和连梁,为避免墙肢形成悬殊的洞口来进行设置。
在抗震设计时,一、二、三级抗震等级开洞剪力墙底部加强部位不采用错列开洞形式,其他情况如无法避免错列开洞,应控制错列开洞墙的洞口的水平距离大于2米,设计时应仔细分析计算,并在洞口周边采取加固措施。
当无法避免叠合错洞口布置时,应按有限元方法分析计算并在洞口周边采取加强措施或采用轻质材料填充将叠合洞口转化为规则开洞形式。
对结构整体计算中采用杆系、薄壁杆系模型或对洞口做了简化处理的其他有限元模型时,应对不规则开洞口的剪力墙的计算结果进行分析、判断并进行补充计算和校核。
目前,除了平面有限元方法外,尚没有更好的简化计算方法计算错列洞口墙。
采用弹性平面有限元方法得到应力后,可不考虑混凝土的作用按应力进行配筋,并加强构造措施。
1.3.2国内外对开洞剪力墙研究的一些成果
(1)国内对连肢墙的理论分析[7-8]基本上都是应用Chitty[9]连续连接介质法(Rosman法),得到的控制微分方程是以连梁的分布弯矩为基本未知函数,求得了连梁在水平均布荷载、倒三角形分布荷载和顶点集中荷载作用下的解,这些成果己经应用于工程设计对联肢剪力墙的试验研究多集中在对连梁性能、墙肢间的剪力分配、各种新型连梁的剪力墙受力性能、联肢剪力墙极限承载能力的简化计算、联肢剪力墙的动力特性和对各种分析模型的验证上。
(2)Coull.A.根据剪力墙的受力性能将剪力墙分为单肢剪力墙,连杆连接剪力墙和联肢剪力墙。
联肢剪力墙是指由受弯构件组成的两片或两片以上墙肢所构成的剪力墙。
在实际工程中,相当数量的剪力墙都是联肢墙。
尤其是在住宅建筑中,许多剪力墙为设置门窗洞口,需要开一系列的矩形洞口。
对于此类剪力墙,在进行结构设计时,必须保证结构的合理性和结构的抗震性能。
(3)对于纯剪力墙结构合理刚度的研究主要有如下实例:
傅学怡先生最早提出了满足结构整体稳定、水平位移、延性、强度、协同工作等约束条件的确定高层主体结构断面数量的参考表格及实用计算公式;屠成松等人似承重结构的总造价值为目标函数,并以设计规范、规程的要求为约束条件,建立了高层筒中筒结构设计的优化力学模型,合理采用分部优化方法,通过对构件用应复合形法并结合程序实现了优化设计,但没探讨不同烈度和场地类别对最优化刚度的影响。
(4)清华大学[}m]和中国建筑科学研究院曾分别进行过钢筋混凝土普通四层三肢和四层双肢剪力墙低周反复荷载试验,采用只在顶点加低周反复荷载的方法,重点研究了结构的破坏机制。
此外,清华大学建筑研究室通过对两片带翼缘的剪力墙在不同轴压比下的试验破坏现象和滞回曲线的比较,两片墙的其他方面都是相同的。
墙1轴压比为0.4,它的受压区先出现竖向裂缝,受压钢筋先达到屈服应力,受压区混凝土破碎而丧失承载内力,破坏是突然的,由实测的滞回曲线可见,该剪力墙只有很小的塑性变形,位移延性比2.17;墙2的轴压比为0.2,是典型的大偏压破坏,受拉钢筋先屈服,最后混凝土受压区出现竖向裂缝而压碎,它的实测滞回曲线比较丰满塑性变形大,延性比为5.59。
(5)同济大学建筑设计研究院为改善钢筋混凝土低剪力墙的抗震性能,分析研究
了劲性钢筋混凝土开洞低剪力墙抗震性能。
通过7榀劲性钢筋混凝土低剪力墙的低周反复水平加载试验,同时结合前期研究成果,重点研究了劲性钢筋混凝土低剪力墙在破坏形态、耗能能力、延性、抗剪承载力方面的改善及洞口对剪力墙延性的作用等。
(6)北京工业大学曹万林教授,提出了一种新型延性双肢剪力墙一带暗支撑双肢剪力墙,并对其模型进行了抗震性能试验研究。
试验结果表明:
带暗支撑双肢短肢剪力墙比普通双肢短肢剪力墙的承载力、后期刚度、延性、耗能能力均有明显提高;墙肢裂缝相对较多且密,裂缝宽度相对较小;不同墙肢截面高厚比的双肢短肢剪力墙的破坏特征不同;连梁跨高比影响暗支撑双肢剪力墙的延性、耗能性能等。
(7)近几十年来,工程界对高层剪力墙开洞优化设计重在对开洞的布置规则,并且取得了一定的可喜的成果;采用优化准则法的王法武等人[10],以结构自重为优化目标,同时考虑结构侧移要求,对高层框架和剪力墙结构的重量优化问题进行了研究,但实际设计和运用中,其涉及到结构敏感度分析问题;邵志坚等人通过分析大量的计算模型,讨论了影响高层剪力墙结构的三个必要因素:
开洞口率、墙面积率及混凝土强度等级,用多种商业软件计算得到结构的大量不同的位移、内力、地震力、自振周期等,并应用数理统计的方法进行回归分析取得了不同层数的高层剪力墙结构的墙率、周期拟合公式,但没有阐明在水平地震作用下满足相关规定的最优数量;
综上所述,国内外院校和科研所的一些实验和所取得成果,主要针对剪力墙在水平
荷载作用下,重点对剪力墙在破坏形态、耗能能力、延性、抗剪承载力方
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