高层建筑短肢剪力墙结构的力学模型与试验研究
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摘要
短肢剪力墙是经过实践不断改进，逐步发展起来的一种适合高层住宅建筑的结构体系，其平面布置灵活、建筑功能良好、结构受力与工程造价都比较合理，但短肢剪力墙在地震区应用经验不多，缺乏深入的研究和实际强震的考验，高层建筑混凝土结构技术规程中对这种结构抗震设计规定较为严格，然而这些严格的规定是否合理仍有待考证。对短肢剪力墙结构进行系统的抗震性能试验研究和理论分析，可以完善设计理论以及规范的相关规定，建立合理的力学模型可以便于研究其受力性能。基于以上目的，本文主要完成了以下工作。
1．进行了模型比例为1：2的6片T形短肢剪力墙构件、2片普通剪力墙构件，6片L形短肢力墙构件的拟静力试验。通过对试验现象、受力、变形、刚度、延性、耗能、应力、应变等方面的详尽分析，研究了短肢剪力墙的承载能力、变形能力、耗能能力和破坏机理，明晰了短肢剪力墙的抗震性能、破坏模式和薄弱部位。
2．建立了短肢剪力墙非线性有限元分析精细模型，在验证分析模型的可靠性基础上，通过变换设计参数研究了混凝土强度、钢筋强度、配筋率、箍筋强度、体积配箍率、轴压比等因素对短肢剪力墙极限承载力及变形能力的影响，扩展了试验结论。
3．对试验获得的滞回曲线和恢复力特性进行数值拟合与与理论分析，建立了适合于钢筋混凝土短肢剪力墙的恢复力模型，为结构的弹塑性时程分析提供参考。借助于“拟静力法”提出了模型中折点的处理方法，推导出了统一形式的求解折点时刻的公式，能较准确的得到折点出现时刻、提高积分的精度、且便于编程。
4．借鉴偏心受压构件分析方法，加入考虑一定范围内受拉钢筋的作用，详细推导了短肢剪力墙正截面计算公式，通过与试验结果的对比验证了公式的正确性与合理性。考虑纵筋、翼缘的影响以及安全储备，在修正后的斜截面承载力公式基础上引入两个未知参数，通过大量试验数据的回归统计计算，最终给出了下限的斜截面承载力公式，为完善短肢剪力墙的规范编撰提供参考。
5．探讨了短肢剪力墙的力学模型，通过对试验数据的分析，指出更加完善的分析模型，该模型考虑了剪力滞后的影响，并给出了增加剪力滞后的单元刚度矩阵。将墙体简化为多垂直杆，通过试验实测数据的分析换算和推导计算、建立了控制最终破坏的边缘拉压杆的轴向恢复力模型，为类似研究提供了有效方法。
6．基于界限破坏时的内力平衡条件，详细推导了L形钢筋混凝土短肢剪力墙轴压比限值的理论计算公式，并类推了T形、一字形短肢剪力墙的相应公式，对现行规范中关于短肢剪力墙的轴压比限值提出了建议。基于大量文献资料的分析整理，列表给出了短肢剪力墙的抗震等级、最大使用高度。对结构设计要点、计算分析方法、结构布置特点、连梁的设计问题进行了比较系统的论述。
Short-leg shear walls are continuously improved after practice, and graduallydeveloped a kind of suitable for high-rise residential building structure, and its layoutflexible,better building function, the structure stress and the engineering cost are morereasonable, but short-leg shear walls don't have much experience in earthquake zonesapplication, the lack of in-depth research and practical strong test, high-rise buildings inthe technical specification for concrete structures of the structural anti-seismic designrules, however these more stringent strict rules of whether reasonable remains to beproven. On short-leg shear wall structure of the seismic performance test systemresearch and theoretical analysis, can perfect design theory and norms relevantprovision, establishing a rational mechanics model can facilitate research theirmechanical properties. Based on the above objectives, this paper mainly completed thefollowing job.
1. Using1:2reduced scale model,6T-shaped,6L-shaped short-leg shear walls,2T-shaped ordinary shear wall specimens were designed and carried out quasi-static test.Through testing the phenomenon, stress, deformation, stiffness, ductility and energydissipation, stress and strain etc, studied the detailed analysis of short-leg shear wallsbearing capacity, deformation ability, energy dissipation capacity and failuremechanism, defined the seismic performance, failure mode and weak positions ofshort-leg shear walls.
2. Established nonlinear finite element analysis model of short-leg shear wall,verified the reliability of model, studied the affection of the concrete strength,reinforced strength, reinforcement ratio, stirrup strength, volume matchs stirrup ratio, axial compressive and other factors to the short-leg shear walls on limit bearing capacityand the deformation affected, expands the experimental conclusion.
3. Through test hysteresis curve and the restoring force model to research andtheoretical analysis, established a suitable restoring force model for short-leg shear wall.Provided reference to structural elastic-plastic time history analysis. By "pseudo-staticmethod", presented a model of handling method of fold point, deduced a unified formformula, accurately got precise appearing moment, improved integral, and facilitateprogramming.
4. According to the principle of eccentricities, join considering tensile steel withina range.Deduced calculating formula of normal section of short-leg shear walls, thecalculation formulas of calculation results and experimental results through comparisonof the rationality. Considering longitudinal reinforcement, the influence of flange andsecurity reserves, introduced two unknown parameter on revised inclined sectionbearing capacity formula, given the lower limit bearing capacity through a large numberof test data regression statistics calculation,provided a reference to perfect standardedit of short-leg shear walls.
5. Introduced the mechanical model of short-leg shear walls, through the analyingtest data, point out that the extracted considering the more perfect l analysis modelshould be given the influence of the shear lag, give matrix of the unit. Simplified thewall itself, through the analysis, extraction and calculate of test data, fitting the axialcompressive bar restoring force model which controled eventually destroying, provideseffective methods for similar research.
6.Based on the limits of the internal forces destroyed the equilibrium condition,derived theory of axial compression ratio formula of L-shaped reinforced concreteshort-leg shear wall, then on the T-shaped and1-shaped. Suggested the axialcompressive ratio of short-leg shear wall of the current specification. Based on theanalysis of a large number of literature are given arrangement, list of short-shear wallsseismic grade, maximum height. Systematically discussed key points of the design,calculation analysis method, structural layout characteristics, design problem ofcoupling beam in this paper.
1．进行了模型比例为1：2的6片T形短肢剪力墙构件、2片普通剪力墙构件，6片L形短肢力墙构件的拟静力试验。通过对试验现象、受力、变形、刚度、延性、耗能、应力、应变等方面的详尽分析，研究了短肢剪力墙的承载能力、变形能力、耗能能力和破坏机理，明晰了短肢剪力墙的抗震性能、破坏模式和薄弱部位。
2．建立了短肢剪力墙非线性有限元分析精细模型，在验证分析模型的可靠性基础上，通过变换设计参数研究了混凝土强度、钢筋强度、配筋率、箍筋强度、体积配箍率、轴压比等因素对短肢剪力墙极限承载力及变形能力的影响，扩展了试验结论。
3．对试验获得的滞回曲线和恢复力特性进行数值拟合与与理论分析，建立了适合于钢筋混凝土短肢剪力墙的恢复力模型，为结构的弹塑性时程分析提供参考。借助于“拟静力法”提出了模型中折点的处理方法，推导出了统一形式的求解折点时刻的公式，能较准确的得到折点出现时刻、提高积分的精度、且便于编程。
4．借鉴偏心受压构件分析方法，加入考虑一定范围内受拉钢筋的作用，详细推导了短肢剪力墙正截面计算公式，通过与试验结果的对比验证了公式的正确性与合理性。考虑纵筋、翼缘的影响以及安全储备，在修正后的斜截面承载力公式基础上引入两个未知参数，通过大量试验数据的回归统计计算，最终给出了下限的斜截面承载力公式，为完善短肢剪力墙的规范编撰提供参考。
5．探讨了短肢剪力墙的力学模型，通过对试验数据的分析，指出更加完善的分析模型，该模型考虑了剪力滞后的影响，并给出了增加剪力滞后的单元刚度矩阵。将墙体简化为多垂直杆，通过试验实测数据的分析换算和推导计算、建立了控制最终破坏的边缘拉压杆的轴向恢复力模型，为类似研究提供了有效方法。
6．基于界限破坏时的内力平衡条件，详细推导了L形钢筋混凝土短肢剪力墙轴压比限值的理论计算公式，并类推了T形、一字形短肢剪力墙的相应公式，对现行规范中关于短肢剪力墙的轴压比限值提出了建议。基于大量文献资料的分析整理，列表给出了短肢剪力墙的抗震等级、最大使用高度。对结构设计要点、计算分析方法、结构布置特点、连梁的设计问题进行了比较系统的论述。
Short-leg shear walls are continuously improved after practice, and graduallydeveloped a kind of suitable for high-rise residential building structure, and its layoutflexible,better building function, the structure stress and the engineering cost are morereasonable, but short-leg shear walls don't have much experience in earthquake zonesapplication, the lack of in-depth research and practical strong test, high-rise buildings inthe technical specification for concrete structures of the structural anti-seismic designrules, however these more stringent strict rules of whether reasonable remains to beproven. On short-leg shear wall structure of the seismic performance test systemresearch and theoretical analysis, can perfect design theory and norms relevantprovision, establishing a rational mechanics model can facilitate research theirmechanical properties. Based on the above objectives, this paper mainly completed thefollowing job.
1. Using1:2reduced scale model,6T-shaped,6L-shaped short-leg shear walls,2T-shaped ordinary shear wall specimens were designed and carried out quasi-static test.Through testing the phenomenon, stress, deformation, stiffness, ductility and energydissipation, stress and strain etc, studied the detailed analysis of short-leg shear wallsbearing capacity, deformation ability, energy dissipation capacity and failuremechanism, defined the seismic performance, failure mode and weak positions ofshort-leg shear walls.
2. Established nonlinear finite element analysis model of short-leg shear wall,verified the reliability of model, studied the affection of the concrete strength,reinforced strength, reinforcement ratio, stirrup strength, volume matchs stirrup ratio, axial compressive and other factors to the short-leg shear walls on limit bearing capacityand the deformation affected, expands the experimental conclusion.
3. Through test hysteresis curve and the restoring force model to research andtheoretical analysis, established a suitable restoring force model for short-leg shear wall.Provided reference to structural elastic-plastic time history analysis. By "pseudo-staticmethod", presented a model of handling method of fold point, deduced a unified formformula, accurately got precise appearing moment, improved integral, and facilitateprogramming.
4. According to the principle of eccentricities, join considering tensile steel withina range.Deduced calculating formula of normal section of short-leg shear walls, thecalculation formulas of calculation results and experimental results through comparisonof the rationality. Considering longitudinal reinforcement, the influence of flange andsecurity reserves, introduced two unknown parameter on revised inclined sectionbearing capacity formula, given the lower limit bearing capacity through a large numberof test data regression statistics calculation,provided a reference to perfect standardedit of short-leg shear walls.
5. Introduced the mechanical model of short-leg shear walls, through the analyingtest data, point out that the extracted considering the more perfect l analysis modelshould be given the influence of the shear lag, give matrix of the unit. Simplified thewall itself, through the analysis, extraction and calculate of test data, fitting the axialcompressive bar restoring force model which controled eventually destroying, provideseffective methods for similar research.
6.Based on the limits of the internal forces destroyed the equilibrium condition,derived theory of axial compression ratio formula of L-shaped reinforced concreteshort-leg shear wall, then on the T-shaped and1-shaped. Suggested the axialcompressive ratio of short-leg shear wall of the current specification. Based on theanalysis of a large number of literature are given arrangement, list of short-shear wallsseismic grade, maximum height. Systematically discussed key points of the design,calculation analysis method, structural layout characteristics, design problem ofcoupling beam in this paper.
引文
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