内蒙古科技大学硕士学位论文剪力墙分析方法的研究姓名：相秉志申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：田志昌;刘书智20071214内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 摘 要摘 要 建筑结构设计时，利用有限元解决剪力墙结构计算的方法，被越来越多的工程设计人员所接受。但是剪力墙开洞会造成有限单元数量上升，造成计算时间漫长，满足不了工程设计的效率要求。特别当洞口距离剪力墙边界很近时，单元合理划分更加困难，有时会造成刚度矩阵的奇异而导致计算失败。所以用有限元方法对剪力墙结构设计的合理与否，关键是看剪力墙结构有限元分析模型的选取。高层建筑混凝土结构技术规程建筑结构设计时，利用有限元解决剪力墙结构计算的方法，被越来越多的工程设计人员所接受。但是剪力墙开洞会造成有限单元数量上升，造成计算时间漫长，满足不了工程设计的效率要求。特别当洞口距离剪力墙边界很近时，单元合理划分更加困难，有时会造成刚度矩阵的奇异而导致计算失败。所以用有限元方法对剪力墙结构设计的合理与否，关键是看剪力墙结构有限元分析模型的选取。高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002 第第 5.1.4 条推荐的剪力墙三种计算模型为薄壁杆系、 墙板单元和其它组合有限元。本课题在分析改进这三种有限元计算模型的基础上，提出了带洞剪力墙的刚度修正矩形单元。内部包含洞口的高次矩形平面应力单元经过适当的修正后，可以替代静力凝聚的子结构， 用于剪力墙结构的计算。 利用这种单元可以克服带洞剪力墙单元划分难题。修正的剪力墙单元符合开洞剪力墙的受力特点，在计算精度满足的情况下计算可信度比较高。作者基于此模型编制了剪力墙单元，并编入到结构设计程序条推荐的剪力墙三种计算模型为薄壁杆系、 墙板单元和其它组合有限元。本课题在分析改进这三种有限元计算模型的基础上，提出了带洞剪力墙的刚度修正矩形单元。内部包含洞口的高次矩形平面应力单元经过适当的修正后，可以替代静力凝聚的子结构， 用于剪力墙结构的计算。 利用这种单元可以克服带洞剪力墙单元划分难题。修正的剪力墙单元符合开洞剪力墙的受力特点，在计算精度满足的情况下计算可信度比较高。作者基于此模型编制了剪力墙单元，并编入到结构设计程序 TLSAP，利用一个工程实例与，利用一个工程实例与 SATWE 的静力计算结果对比，以及与的静力计算结果对比，以及与 ANSYS 的动力时程计算结果进行了对比，分析说明了修正单元处理开洞剪力墙时在计算上的优势。这种修正算法简单、适用、高效，可逐步在工程设计中推广，是一种有发展前途的数值计算方法。 的动力时程计算结果进行了对比，分析说明了修正单元处理开洞剪力墙时在计算上的优势。这种修正算法简单、适用、高效，可逐步在工程设计中推广，是一种有发展前途的数值计算方法。 关键词：钢筋混凝土剪力墙，壳元，墙元，有限元关键词：钢筋混凝土剪力墙，壳元，墙元，有限元 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - STUDY OF R.C SHEAR WALL BY FINITE ELEMENT Abstract The method to solve shear wall structure by finite element is accepted by more and more engineers on the design of tall building structure, especially on the shear wall structure with holes. And the hole on the shear wall will cause magnitude cells, then calculation time become long and the efficency can not satify the design . Even the hole is very near the boundary, the element compartmentalizing with reason will become extraordinary difficult, which sometimes causes heavy calculation and brings on defeat. Shear wall structure is one of importance tall building forms, but the key of the calculation with reason is a proper model of shear wall. Panel is one of the three models recommended in the new technical specification for concrete structures of tall building (5.1.4/JGJ3-2002). The Modified quadrangle shear wall element was improved from Panel and Wall element .The rectangle plane stress high exponential element can substitute the agglomerate seed framework when it was properly modified and programmed in shear wall structure. This element can overcome the element compartmentalizing difficulty of the shear wall. Because this modified quadrangle element entirely accord with the trait of shear wall with holes and has few degree of freedom. So its dependability is higher at the time of adequacy precision. A model about this is programmed and combined in TLSAP.By comparing the static response with SATWE,and the seismic history with ANSYS,it is verified that this modified method has fine development future ,because of its brifeness,application and high efficency on the design of building structure. Key Words：R.C shear wall, shell element , wall element ,finite element 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 独 创 性 说 明独 创 性 说 明 本人郑重声明： 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 剪力墙分析方法简介 在工程建设上，随着经济的发展，办公楼、住宅楼等建筑需求的层数也越来越多。而框架结构由于其自身的局限性，建造高度受到很大限制。剪力墙结构和框架剪力墙结构己成为高层建筑的主要结构形式。剪力墙是指能承受垂直荷载、水平荷载的一种墙体。在实际应用当中，有两种不同的剪力墙：一种是不带边框的剪力墙，它适用于剪力墙结构体系：另一种是带边框剪力墙，它是指嵌在框架梁、柱中的墙体，其垂直荷载主要由框架柱与墙来承受，地震和风引起的水平荷载主要由墙体来承受，它应用于框架剪力墙结构体系。钢筋混凝土剪力墙由于其突出的平面内抗侧向力强度和刚度，而成为高层建筑剪力墙结构体系(含短肢剪力墙、框架剪力墙、框架核心筒、内筒外框筒和板柱剪力墙结构)中主导抗侧力构件，具有良好的抗震延性和耗散地震能量的能力。 分析剪力墙结构的方法主要有三类： 数值计算方法、 解析方法和半数值半解析方法。解析方法和半数值半解析方法有较大的局限性，主要使用于形状比较规则的剪力墙，应用较少。数值计算方法则广泛应用，主要有微观和宏观两种模型。微观模型中以钢筋混凝土有限元模型为代表，目前由于自由度多而引起数值分析困难和繁重的计算工作量，使得这一方法主要应用于构件与局部结构的分析。宏观模型则相对比较简单，力学概念清晰，计算量小，但存在一定的局限性，即只有在满足其简化假设前提下才能够较精确模拟结构的实际受力状态。基于宏观模型，目前国内外研究和使用的模型主要有下列六种：等效梁模型、墙板模型、等效桁架模型、三垂直杆模型、多竖杆模型、二维板单元模型。其中，带非弹性弹簧的多竖杆模型是多数研究者认为效能较好的模型。 近年来学术界，利用有限元方法分析剪力墙的有：长春师范学院数学系的张朝燕1，对空间剪力墙进行以离散力法2为基本原理的数值计算；湖南大学土木工程学院王海波对多竖杆模型做了改进3；同济大学的蒋欢军等用一种墙体单元模拟剪力墙单元4；北京工业大学曹万林等对带暗支撑的低矮剪力墙非线性有限元分析5；湖南大学汪梦甫提出钢筋混凝土剪力墙单元非线性多竖杆元模型6；中国地震局工程力学研究所的张令心简化了剪力墙滞变模型7。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1.2 剪力墙分析模型 目前结构设计软件采用的几种剪力墙有限元模型，都是基于某种简化假设，所以存在固有的局限性，在处理墙开洞问题上受到一定的限制，不能合理的设计剪力墙结构。实践证明，设计合理的剪力墙对于抵抗强烈度地震是非常有效的，因为剪力墙可以大量吸收地震能量。而利用更完善的有限元模型分析剪力墙结构就显得尤其重要。以下简单介绍几种分析剪力墙的有限元模型。 1.2.1 等效梁模型 该模型全部非弹性变形集中到两端的塑性铰上，中间部分为弹性。但随着墙体非线性反应的产生，中性轴向受压区移动，形心轴和中性轴不再重合。 1.2.2 等效桁架模型 将墙用具有等效抗剪刚度的支撑替换，同时对支撑两侧柱截面面积按等效抗弯刚度进行修正，与框架梁柱节点铰接，如图 1.1 所示。此模型分对称与反对称，在刚度替换过程中导致剪力墙力学性能的变化，因此这一模型应用受到限制。 支撑梁柱图1.1 等效桁架模型 Fig1.1 Equivalent Truss Element Model 1.2.3 三垂直杆元模型 1984 年，Kabeyasawa 等提出了三垂直杆元模型8 (Three-vertical-line-element Model简称 TVLEM) ，如图1.2 所示。三个垂直杆元由位于楼层上下楼板位置处的无限刚性梁联结，其中外侧两个杆元 K1、K2代表了墙两个边柱的轴向和弯曲刚度，中间单元由位于底部的垂直弹簧 K3、