低层装配式竖缝中空剪力墙抗震性能范文研究

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论文字数:36566 论文编号:sb2021041414213535188 日期:2021-04-27 来源:硕博论文网
通过控制竖缝长度来控制连接键长度,研究连接键对装配式竖缝中空剪力墙抗震性能的影响,以及连接键长度对于墙体抗震性能的影响,分析所得数据,得出主要结论如下:(1)利用文献里的已有实体模型进行有效性验证,通过所得荷载-位移曲线与试验结果进行对比,发现二者趋势相同,差值在允许范围内,模型具有准确性,说明本文所选用的混凝土和钢筋本构关系选取合适,有较为理想的模拟结果,可以用来进行对装配式竖缝中空剪力墙性能的研究。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
建筑业在缩小城乡差距、改善人居环境等方面带来了很大程度的改变,中国的发展速度举世瞩目,但同时也带来了资源的浪费等问题,建筑业在减少污染与排放等[1]方面的发展势在必行,而装配式建筑以其效益高、质量优、能耗低等优势成为住宅建设的一种趋势,是低碳节能的关键领域之一,习近平总书记在十九大报告中首次指出发展节能建筑,形成装配式大格局[2];为抗击疫情而建的武汉火神山医院,从选址到竣工交付使用,工期仅为 10 天,其使用的是装配式建筑,可在空间的竖直方向叠层。可见,装配式建筑前景优越[3]。
为实现全面建成小康社会,国家提出了振兴乡村战略来促进农村的发展,进一步缩小城乡差距,开启乡村发展新征程,随着新农村城镇化的快速发展,住房条件也应由传统的砖混建筑得到相应提升。目前农房问题主要表现在以下几个方面:从结构形式来说,农房建筑大多都是砖混结构,根据住户自己喜好而建,建筑不符合有关规范,结构抗震性能差,存在安全隐患;从整体的村容上看,农房存在较大差异,建筑参差不齐,影响建筑的美观性;从资源利用率上看,农房对于资源利用率较低,并且保温性能差,不符合国家推广的绿色建筑;从施工工期方面来看,建筑工期较长,现场作业量大,且现场施工环境较差。而与之相反的装配式结构工期短,可以完全实现工厂化生产,施工效率高,房屋建筑安全可靠,绿色节能环保,可被应用于振兴乡村战略。因此,为了缓解农村人口数量大而住房紧张以及住房质量差的问题,安全化、产业化成了农村住宅的发展趋势。
但是不可否认,现阶段的装配式建筑仍然存在的一些问题,在某些特殊领域,强调较高的施工便捷性以及综合成本的控制等问题有待解决,传统的建设方式缺乏有效的保温措施,使得建筑能耗较高;基础设施完善以及新能源技术研发利用等都有待进一步发展,对于对装配式混凝土结构与现浇结构“效能”等同存在疑问,对于连接部位的可靠性和连接技术的抗震性能存在疑问,特别是高烈度地区高层结构的抗震性能;其次是设计人员普遍缺乏经验,缺乏成熟的设计软件,技术标准有关部品部件标准较多,相反通用化却不够,缺少统一的技术标准;另外,熟练工人的缺乏以及市场的不成熟都是目前存在的问题,应着力解决这些问题,
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1.2 装配式剪力墙结构的研究现状
1.2.1 国外研究现状
日本的建筑工业化发展起于二战后,由于其独特的地理位置以及经济的快速发展,日本的建筑也逐渐由工厂生产代替现场作业,20 世纪 70 年代日本的建筑工业化就进入了完备期,实现了建筑结构构件的生产化。日本最初的预制混凝土结构为轴线框架结构,但是构件之间进行拼接时的接缝部位较薄弱,难以形成无转动的刚性节点,因此,为了保证建筑的正常使用,梁柱节点部位的刚度通过剪刀撑来保证[14]。为保证节点处刚度,装配式剪力墙结构体系应运而生,此结构体系解决了各构件节点处的刚度不足问题,因而预制轴线框架结构被装配式剪力墙结构所代替,成为日后日本本土最常用的建筑结构形式。
在美国及加拿大等国家,预制建筑较早得到发展,制定了预制行业的建筑标准、规范,建筑的主要特点是大型建筑与预应力的结合,一般用于非抗震区的低层建筑。对于具体的建造过程来说,由于根据完善的规范进行建筑拆分设计和施工,各构件之间的连接得到优化,减少了工作量,工期得到了缩短,同时也保证了建筑物的质量,此标准的沿用一直到洛杉矶大地震,地震带来了巨大的损失,因此开始关注预制中高层结构的抗震性能,对其进行试验研究,出版了《预制混凝土结构抗震设计》和《2009 抗震规范:设计实例》[15],两书对装配式建筑的抗震性能进行了理论与试验两方面的分析,制定了预制装配式结构的抗震设计原则,对装配式中高层建筑在工程实例中起到了指导作用,提供了理论支持。早在 20 世纪 50 至 70 年代,法国就已使用装配式建筑,主要结构形式是全装配式大板结构和模板结构[16],到 80 年代初期,随着整个装配式产业进行结构调整与优化,整个国家的装配式建筑又向着统一的构件和模数发展。
Khaled 等[17-18]采用弯曲拟静力试验,对具有不同竖向钢筋连接方式的预制剪力墙进行抗震性能分析。结果表明,钢筋的连接方式不同,剪力墙抗震性能不同,即剪力墙的抗震性能和钢筋之间的连接方式有关。
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第 2 章 有限元理论及模型有效性验证

2.1 有限元基本理论
2.1.1 有限元法综述
化整为零,积零为整是有限元法的中心思想,其被很大程度应用。有限元法涉及领域学科众多,专业上涉及工程、桥梁、岩土、机械等,行业上涉工业的大多数。因此,选择适用于本专业的有限元软件对于分析问题起到事半功倍的作用。
2.1.2 有限元法求解过程
有限元是基于大型软件 CAE 进行分析计算,既能模拟线性问题也可以模拟复杂的非线性和动力性能问题。可对结构整体进行划分为若干单元,后对划分的单元运用数学计算。利用有限元软件处理分析问题时,通常有以下几个步骤需要进行,前处理、模拟分析、后处理等,有限元法具体计算过程如下:分别为离散过程、特性分析、整体分析、确定参数和进行求解等。本文研究的墙体,因墙体内部有单块矩形孔洞,还设置有贯穿墙体前后面的人工竖缝,受力情况不同于现浇结构的实心剪力墙,比现浇实心墙体受力更复杂,此时就不能用简单的胡克定律去解决这类问题,否则求解过程会很复杂且耗费时间较长,计算结果不准确,因而选用有限单元法求解此类问题。
2.1.3 ABAQUS 简介
该软件是业内认可的功能强大的有限元软件之一,能够用来分析结构简单的线性问题,也可以分析复杂的非线性问题及动力问题,因软件储备了大量的丰富材料模型与单元模型,在各个领域发挥着举足轻重的作用,从 ABAQUS2002 年初次进入中国,就已经受到广大科研工作者的青睐。
其主要有隐式求解器和显式求解器以及前后界面处理模块[57]。在分析中,先在界面处理模块完成模型的建立以及基本参数的选择;后由软件内部的隐式求解器完成计算任务,模型的复杂程度、网格疏密程度以及计算机性能都会影响处理时间;最后利用可视化模块,将得到 X-Y 数据,进行提取,计算研究需要的数据,数据可靠性高,对于研究的问题可以得到较好的处理,处理问题细致,有助于解决工程中的实际问题。
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2.2 有限元模型建立步骤
2.2.1 单元类型选取
ABAQUS 中单元库类型庞大,选择合适的单元是保障数值模拟真实性必不可少的环节。模型中所有实体混凝土采用八节点三维实体线性减缩积分单元(C3D8R),单元上每一个方向的减缩单元都比线性完全积分单元在计算上少一个积分点;所有墙体内部钢筋均采用两节点三维桁架单元(T3D2),钢筋所承受的荷载为轴向力。剪力墙模型选取合适的单元进行分析,对减少运算时间,提高模型的计算精度至关重要,模型中混凝土和钢筋的计算单元类型具体示意图如下图 2-1、2-2 所示。
图 2-1 C3D8R 单元 图 2-2 T3D2 单元
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第 3 章 低层装配式竖缝中空剪力墙抗震性能数值模拟.......................21
3.1 引言..........................21
3.2 装配式竖缝中空剪力墙构造...........................21
第 4 章 不同竖缝形式装配式剪力墙抗震性能研究......................37
4.1 引言..............37
4.2 不同竖缝形式装配式剪力墙模型建立............................37
第 5 章 装配式竖缝中空剪力墙市场前景和优势.................49
5.1 低层装配式竖缝中空剪力墙的优势分析........................49
5.1.1 装配式技术优势............................49

第 5 章 装配式竖缝中空剪力墙市场前景和优势

5.1 低层装配式竖缝中空剪力墙的优势分析
5.1.1 装配式技术优势
低层装配式建筑是在国家大力倡导、推进装配式住宅大背景下的有益的尝试和探索,其结合装配式技术与模块化概念,克服了传统建造方式的缺点,本文研究的低层装配式竖缝中空剪力墙墙体的技术优势主要体现在以下方面:
(1)节约资源,提高资源利用率,减少对环境造成的伤害。低层装配式竖缝中空剪力墙因设置矩形孔洞以及竖缝,使得自重减轻,减少资源的使用。装配式技术就如同把单独的个体通过相对应的位置关系,组合在一起,绿色环保,施工现场无污染。拆除的模块可以回收再利用,减少建筑垃圾的形成,实现了对资源的循环利用,在一定程度上提高了资源利用率;
(2)节约时间,缩短工期。低层装配书竖缝中空剪力墙各构件均在工厂生产,现场拼装,较现浇结构减少了的混凝土现场养护时间;不必严格按传统结构顺序进行施工,构件的装配和工厂建造可以同时进行,不受天气影响;
(3)构件批量化生产,构件精度高,保证工程质量,构件均易替换,增加建筑的使用年限,提高对资源的利用。
(4)在各节点处自由拆分,满足各种空间建筑,灵活多变,此特点可以满足乡村的复杂地理因素。
表 2-1 C30 混凝土受压损伤因子
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结论与展望

结论
本文归纳整理了装配式剪力墙结构、以及相关研究人员为改进剪力墙墙体抗震性能所做的改进,例如装配式空心剪力墙,装配式竖缝剪力墙等的研究现状与成果,包括目前现阶段构件间的主要连接方式以及构件间钢筋的连接方式。根据已有的研究结果与参考文献,提出来低层装配式竖缝中空剪力墙模型,并利用有限元软件建立 4 片具有不同竖缝条数和竖缝宽度的装配式竖缝中空剪力墙墙体,并对 4 片装配式剪力墙墙体进行低周往复加载,为使分析对比更加简明,引入参数缝间墙高宽比比值 n,进行模拟结果的对比,研究墙体在地震作用下的抗震性能;还利用有限元软件在第三章的基础上,研究不同竖缝形式对于装配式竖缝中空剪力墙抗震性能的影响,即将相同长度的竖缝分为带有连接键的两个短竖缝,通过控制竖缝长度来控制连接键长度,研究连接键对装配式竖缝中空剪力墙抗震性能的影响,以及连接键长度对于墙体抗震性能的影响,分析所得数据,得出主要结论如下:
(1)利用文献里的已有实体模型进行有效性验证,通过所得荷载-位移曲线与试验结果进行对比,发现二者趋势相同,差值在允许范围内,模型具有准确性,说明本文所选用的混凝土和钢筋本构关系选取合适,有较为理想的模拟结果,可以用来进行对装配式竖缝中空剪力墙性能的研究。
(2)通过对具有不同缝间墙高宽比的装配式竖缝中空剪力墙进行数值模拟,模拟结果表明,墙体的承载力随着缝间墙高宽比的增大逐渐降低,但降低幅度不大;缝间墙高宽比对初始刚度有一定的影响,提高缝间墙高宽比,墙体初始刚度降低;缝间墙高宽比也是影响墙体延性的因素,提高缝间墙高宽比,延性也随之提高,从而提高了剪力墙墙体的抗震性能,说明缝间墙高宽比是影响装配式竖缝中空剪力墙抗震性能的因素。
(3)通过对比具有不同竖缝形式的剪力墙墙体,即对带有连接键的墙体进行低周往复加载,得到数值模拟结果,结果显示,连接键的设置影响墙体的抗震性能,设置连接键,提高了墙体延性;连接键的长度也是影响墙体耗能的主要因素,连接键长度越大,在加载后期连接键破坏后形成的缝间墙高宽比越大,抗震性能就更优越。
参考文献(略)
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