华侨大学硕士学位论文节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析及抗震设计方法研 究姓名：王会丽申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：20090501华侨大学硕士学位论文 摘 要 - II - 摘 要 节能砌块隐形密框结构作为一种新型节能住宅结构体系，有良好的发展前景。 本文在试验研究的基础上， 首先建立了节能砌块隐形密框墙板的简化力学模型，并对其刚度进行了计算；然后，进行了节能砌块隐形密框结构的非线性地震反应分析； 最后对多层节能砌块隐形密框结构抗震设计方法进行了探讨，主要完成了如下工作： (1)结合节能砌块隐形密框墙板的受力性能试验，并借鉴密肋复合墙体三阶段力学模型， 针对节能砌块隐形密框墙板提出了各阶段不同的简化力学模型： 弹性阶段复合材料等效弹性板模型， 弹塑性阶段刚架斜压杆模型，破坏阶段梁铰框架模型， 在此基础上， 建立了各阶段的墙体抗侧刚度计算公式，并与试验数据进行对比后对计算公式加以修正。 (2)结合课题组前期的研究成果，进一步完善了节能砌块隐形密框墙板复合材料计算模型，提出了两种正交各向异性复合材料计算模型：两次单向纤维加强模型和双向纤维加强模型。 并在此基础上， 给出了适于工程计算的各向同性墙体简化材料模型。 (3)对节能砌块隐形密框结构三层住宅楼房 1/2 模型进行拟动力试验研究，对结构的动力特性、地震反应及结构破坏特征进行了分析研究，并对结构的变形特性、耗能能力及抗倒塌能力进行了探讨，试验表明，该结构受力性能介于框架与剪力墙结构之间。 (4)运用 ANSYS 有限元分析软件， 采用三维梁单元与三维壳单元建立了节能砌块隐形密框结构的三维计算模型， 对拟动力试验房屋模型进行了非线性地震反应分析， 给出了节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析的方法， 进一步探讨了该结构的恢复力模型， 并结合现行规范及试验结果，探讨了节能砌块隐形密框结构在“小震”下弹性位移角限值和“大震”下弹塑性位移角限值。 (5)在试验研究及有限元分析的基础上，结合国家现行相关规范，对华侨大学硕士学位论文 摘 要 - III - 节能砌块隐形密框结构抗震设计方法进行研究。 提出了多层节能砌块隐形密框房屋结构的概念设计原则， 给出了节能砌块隐形密框复合墙板的刚度及承载力实用计算公式， 并与试验值进行对比；探讨了多层节能砌块隐形密框结构房屋的抗震计算方法， 并对结构抗震设计中地震作用的确定及分配进行了研究，提出较为完善的抗震设计方法，为该结构的工程应用奠定了基础。 关键词：节能砌块隐形密框墙板；简化力学模型；刚度；节能砌块隐形密框结构；非线性地震反应；设计方法。华侨大学硕士学位论文 Abstract - IV - Abstract Energy saving block the simplified mechanical model;rigidity;energy saving block nonlinear earthquake response; design methods.华侨大学硕士学位论文 节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析及抗震设计方法研究 1 1 绪 论 1.1 本课题研究的依据和意义 1.1.1 非线性地震反应分析研究现状 地震作用不仅取决于地震烈度大小和近震、 远震的情况， 还与结构的动力特性(如结构的自振频率、阻尼等)有密切关系。结构抗震设计方法也随着人们对地震反应分析的深入了解而不断发展，可分为静力理论法、反应谱法和动力时程法三阶段1- 1。 静力理论法、反应谱法实质上都是静力分析法，适用于弹性分析。其中，反应谱法考虑了结构动力特性对地震动的放大作用， 不仅可以解决单质点体系的地震反应计算问题，而且可以通过振型分解法计算多质点体系的地震反应，为简化计算，在满足一定的条件下，也可以采用近似的底部剪力法来计算地震反应。动力分析建立在计算机的普及和数值分析方法发展的基础之上，时程分析法是一种计算机模拟分析方法，是将结构物视为一个弹性振动体，将地震时地面运动产生的位移、速度和加速度作用在结构物上，将地震波数值化后输入结构振动微分方程，采用逐步积分法对结构进行弹性或弹塑性分析，计算出结构地震反应的全过程，能模拟出结构进入非弹性阶段的受力性能，更有效地发现地震时的建筑物的薄弱环节和可能发生的震害1- 2。结构非线性地震反应分析主要在以下几方面展开。 1、结构力学模型的选取 在进行结构动力分析时，首先要确定能反映结构受力性能的计算简图，即力学模型。非线性动力反应分析依赖于计算机数值模拟，故第一步应选取合适的结构力学模型。最重要的是结构动力特性的模拟，即体系质量、刚度、阻尼模型的准确性直接影响模拟精度，基本原则是要确切地反应结构的变形性质和计算的简便。目前广泛研究和应用的结构力学模型有以下几种1- 3： (1)层间模型 层间模型是以楼层为基本分析单元，将整个结构各个竖向构件合并为一根竖杆，用楼层的等效剪切刚度作为竖杆的层刚度，将结构每一层的质量集中在每层的楼面处，形成集中质量作为一个质点，从而形成串联质点系的振动模型，可分为层间剪切模型和层间弯剪模型。前者是以剪切变形为主，假定结构中水平杆件的刚度无穷大，不产生竖向弯剪变形，即各层集中质点均仅考虑一个平动自由度，且竖向杆件在水平荷载作用下不产生轴向变形，模型的层刚度取决于本楼层中各竖杆件的剪弯刚度，适华侨大学硕士学位论文 节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析及抗震设计方法研究 2 合于强梁弱柱型框架类的结构体系；后者考虑了结构变形中的弯曲、剪切双重影响，此类模型主要针对明显的强柱弱梁多层框架、剪力墙、框架- 剪力墙等结构。 谢小军1- 4(1998)分别采用层剪切型和层弯剪型模型对上海园南小区的 18 层混凝土砌块配筋砌体住宅进行了分析。王焕定1- 5(2001)等人采用等效剪切型的层间模型对园南小区配筋砌体住宅进行分析，并对模型参数的确定方法进行了探讨，分析表明：用层间等效剪切模型是合理的一种方案。王铁英1- 6(2002)等通过对园南小区住宅的地震反应分析，从而确定以位移和刚度作为确定骨架曲线的计算方法为合理方案，然后通过分析剪切型和等效剪切型两种结构计算模型，证明了对高层配筋砌块砌体结构采用等效剪切型模型的合理性。 (2)杆系模型 杆系模型以构件为基本分析单元，将结构沿主轴方向分解成若干榀抗侧力单元，假定楼板平面内刚度无穷大，梁柱墙均简化为以轴线表示的杆件，将其质量集中在节点形成质点， 每个质点考虑水平、竖向和转动三个自由度，构件间以刚接或铰接连接，利用连接处变形的协调条件建立各构件的变形关系。 杆系模型相对于层间模型的优点在于： 能够反应结构各杆件进入非弹性阶段的先后次序对整个框架动力反映规律的影响，在非线性分析时对杆件单元刚度进行修正，能较准确模拟出结构非线性地震反应特点， 并能根据各杆件内力值判断结构的塑性铰开展情况， 从而分析结构的破坏机制。 针对杆系结构模型的分析，关键在于模拟杆单元内部力与变形变化关系的分析模型，即单元力学模型。对钢筋混凝土结构进行弹塑性动力分析的核心是确定单元的刚度矩阵，而解决此问题常用方法有：1)平面刚度模拟：不考虑刚度沿单元长度的变化，取平均刚度计算单元的刚度矩阵，是一种简化近似计算方法。2)分布刚度模拟：根据内力的分布情况来确定单元的刚度，从而建立单元刚度矩阵。3)集中刚度模拟：将塑性变形集中于单元端的一点处建立单元的刚度矩阵。 国内外学者对结构分析模型做了不少研究，Agrawal1- 7提出了专门用于分析剪力墙体系的平面应力元模型。孙业扬1- 8提出一种杆系层间模型，结合了杆系结构能够计算杆件内力和层间结构计算工作量小的优点。Magenes 1- 910(2000)用等效平面框架模型分析两层无筋砌体结构， 给出了砌体结构非线性静力分析方法。 赵冬1- 1112(2001)对隐型轻框与密肋复合墙板的协同工作进行了探讨，建立了便于实用计算分析的刚架斜压杆简化计算模型，并提出了适合密肋壁板轻框结构体系的框架平面复合子结构有限元计算模型。关海涛1- 1314(2002)根据弹性地基梁理论，建立了密肋壁板轻框华侨大学硕士学位论文 节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析及抗震设计方法研究 3 墙板的刚架 斜压杆简化计算模型，给出确定等效斜压杆宽度的实用设计图表，并就理论计算与试验结果进行了对比分析。Kappos1- 15 (2002)用等效框架模型对无筋砌块砌体结构使用SAP2000的3D弹性分析，结果表明：等效框架模型用于分析无筋砌块砌体结构具有足够的精度。Salonikios 1- 16(2003)用SAP2000对两层无筋砌体平面结构用平面杆系模型进行了静力非线性分析，并和用CAST3M软件的有限元离散性模型和连续性模型的分析结果进行了比较，结果表明三种模型的计算结果在抗剪强度、位移和破坏机理上存在着较大的差异。蔡龙，杜宏彪1- 17等人(2007)研究了框架结构地震响应时程分析的计算模型，针对目前框架结构常用的层间模型、杆系模型和杆系层间模型三种计算机模型进行全面的分析，并对它们的优缺点展开论述。 2、恢复力模型的选取 恢复力特性是表示结构或构件恢复力与变形的关系，恢复力模型是基于抗震试验的数据，在统计回归基础上加以综合、理想化形成的。一般可以分为曲线型和折线型模型。前者是刚度连续变化，而然实际计算中每点刚度的确定及计算十分繁琐，故通常选用折线型恢复力模型1- 18。常用的折线型模型有不退化两线型、Clough模型、修正 Clough 模型和 Takeda 模型等(如图 1.1 示)。 (a)不退化两线型 (b)Clough 模型 (c)修正 Clough 模型 (d)Takeda 模型 图 1.1 常用的恢复力模型 恢复力模型是进行结构非线性分析的基础，只有合理建立基本构件的恢复力模型和准确确定模型参数，数值计算结果才能准确地反映实际结构的真实弹塑性反应。因此，许多学者在这方面做了深入的研究。赵冬1- 11等人(2001)对十层密肋壁板轻框结构的 1/3 比例房屋模型进行拟动力试验研究，对该结构的动力特性、地震反应及结构破坏特征进行了分析研究，给出了该结构体系的骨架曲线及恢复力模型。袁泉1- 19(2004)在两组共26榀墙板的试验基础上提出了密肋复合墙板的恢复力模型与损伤模型，恢复力模型采用退化 4 线型模型，充分反映了密肋复合墙板开裂屈服破坏华侨大学硕士学位论文 节能砌块隐形密框结构非线性地震反应分析及抗震设计方法研究 4 的全过程。蒋丽忠，曹华1- 20等人(2005)进行了钢- 混凝土组合框架地震弹塑性时程分析，通过对钢- 混凝土连续组合梁、钢管混凝土柱的荷载- 位移滞回曲线试验结果的分析，提出了简化的适用于组合结构的刚度退化三线型恢复力模型，根据所提出的恢复力模型及滞回规则，编制了地震弹塑性时程响应分析程序。 3、结构动力方程的研究 结构弹性运动微分方程可以表示为： 1egMuCuKuMu+= 1,2, )4qq qijEwtKim jnl=LL (2.44) 故