T形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析范文

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论文字数:34544 论文编号:sb2021062513440336166 日期:2021-06-27 来源:硕博论文网
通过运用 ABAQUS 有限元软件进行数值模拟,对 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能进行了研究,并且取得了一些成果。若将其应用到实际工程中,则需要更加深入地理论分析与详细的试验研究,作者认为后续的研究工作可从下列几个方面展开:1)本文对 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙进行了六种参数的分析,还有一些未研究到的抗震性能影响参数,有待进一步研究。2)本文仅进行了数值模拟分析,需要结合试验的数据来完善分析,并根据试验来推导出这种剪力墙承载力设计计算公式。

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景
近年来,我国经济快速发展,导致了建筑用地紧张,人民对住房的需求量增加,推动着国内高层建筑迅速发展,一些城市(超)高层建筑增多,为缓解城市用地紧张的现状[1]。截止到现在为止,我国总高度超过 150m 的建筑超过 200 幢,一些超高层建筑更是超过 600m[2]。
随着建筑物层数的增加,抵抗水平力已成为建筑设计首先要考虑的问题。高层建筑体系抗侧力构件均采用剪力墙,建筑物高度增加后,传统钢筋混凝土剪力墙需要更厚的墙体来支撑,其自重也会增大,而且施工工艺复杂,湿作业较多,传统钢筋混凝土剪力墙的缺陷越来越明显,这些问题的存在已无法继续满足高层建筑的需求[3]。因此设计一种承载力高、延性好、施工方便,且可以取代钢筋混凝土剪力墙的新型剪力墙是很必要的。
国内外为此对双钢板混凝土剪力墙展开系列的研究,目前对于双钢板混凝土剪力墙的研究已较为成熟,其凭借着施工方便、工期较短、承载能力强、节省模板等优势,在工程上已经得到了大量应用。但由于平钢板的施工过程中,可能外钢板发生平面外初始变形,这种现象会导致承载力降低[4]。为此国内外提出了波纹钢板替代平钢板,由于其截面的凹凸形式使其与混凝土接触面更广,增强了两者相互作用,对混凝土进行更好的约束,从而达到增强剪力墙整体刚度及整体性的目的。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 单层钢板-混凝土组合剪力墙20 世纪 60 年代,日本[5]完成一内置钢板组合剪力墙试验。结果显示,加载到峰值荷载的 2/3,钢板和混凝土共同作用最好;峰值荷载时,混凝土裂缝均匀分布,而后,混凝土呈滑移状开裂,剪力墙破坏显著。
1995 年,李国强等[6]对钢板外包混凝土剪力墙(如图 1-1)进行试验研究。外包混凝土剪力墙破坏时,底部混凝土局部失稳,脚部混凝土因压碎而破坏,呈现出剪切破坏的形态。结果表明,钢板外包混凝土剪力墙,其变形能力、承载能力、延性均较好。
图 1-1 钢板外包混凝土剪力墙
图 1-1 钢板外包混凝土剪力墙
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第 2 章 有限元基本理论

2.1 引言
随着计算机领域的迅速发展,为了解决工程中的问题,各种非线性有限元软件应运而生。其中功能强大有限元软件 ABAQUS,可对复杂的固体力学和结构力学系统进行分析,主要解决复杂的非线性问题[48]。而且 ABAQUS 软件使用时,操作简单,原本实际很复杂的结构可以简便地建出来,因为它有着充足的单元及材料本构库可供用户进行选择,用户只需提供一些形状参数、荷载情况等数据即可,在进行计算时,这个软件也会自动地调整参数,用户不需要在计算时调控任何参数。
本课题研究的内容,采用 ABAQUS 有限元软件进行模拟,它可以很好地对构件进行计算,得出高精确度的抗震性能分析,对分析这种非线性问题非常适用。
该软件由分析模块、前后处理的处理模块以及若干小模块组成,具体分析步骤见图 2-1,接下来对这几个常用的模块进行阐述:
1)前后处理模块(ABAQUS/CAE):主要通过 Part(用以创建各组成部分几何形状)、Property(创建材料截面属性并赋予到各组成部分)、Assembly(对组成部分进行装配)、Step(设置分析步)、Interaction(设置相互作用)、Lord(施加荷载及边界条件)、Mesh(划分网格)、Job(创建作业)这八个模块进行,建模完成以后通过作用(Job)进行数据提交(submit),进入分析。
2)后处理过程为当模型分析完后,将用户需要的数据结果进行后处理。后处理可以通过 ABAQUS/CAE 的子模块 ABAQUS/Viewer 中的 Visualization 对结果进行操作,可以显示各个部件不同分析步的应力云图、变形图等,也可经过简单的操作绘制出滞回曲线图,最后得出的数据可以提取出来,用其他数据处理软件进行处理后使用。
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2.2非线性有限元基本理论
本文使用有限元分析的中引起 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙(TSCSW)非线性分有:
1)几何非线性:即由于结构发生了较大的位移之后,改变了结构的形状,平衡方程不能按照原来的方程进行排列,只能通过变形后的形状来实现,即结构位移-应变的非线性。在软件 Step(分析步)模块中,通过将 Nlgeom 设置成 On 实现。
2)材料非线性:也就是材料本身(钢板、混凝土)本构为非线性,在 ABAQUS中可以在 Property 模块对材料的属性进行设置。
3)状态非线性:这是由于构件受力变形时,会引起边界条件的改变,或者是因为钢板鼓曲,使得混凝土与钢板接触面状态不稳定,从而引起状态的非线性。
在 ABAQUS 中通过在 Interaction 模块中定义其相关参数。
在实际情况下,三种非线性问题可能单独存在,也可能同时存在,本文所研究的组合剪力墙构件中三种非线性问题同时存在。
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第 3 章 有限元模型的建立与已有试验结果的对比...........................17
3.1 引言...............................17
3.2 试验概述.............................17
第 4 章 参数变化对剪力墙抗震性能影响分析............................27
4.1 引言................................27
4.2 TSCSW 系列试件设计...............................27
结论....................................53

第 4 章 参数变化对剪力墙抗震性能影响分析

4.1 引言
通过第三章对 YZQ-3、TXQ-1 试验的模拟,用这种建模方法的正确性已得到验证,因此用 ABAQUS 有限元软件,对 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙(本文简化为“TSCSW”模型)系列构件进行数值模拟。本章首先通过上述建模方法建立基础剪力墙构件,在对此构件的结果进行分析后建立了六个系列共 21 个试件,通过改变其混凝土及钢板强度等级、轴压比、钢板厚度(波形钢板、内置隔板、矩形钢管)、腹板腔体数量及剪跨比等参数,研究 21 个构件在水平往复荷载下对 TSCSW 抗震性能的影响。
本文以试件 TSCSW-1 为基础构件,其由两侧波纹钢板、内置隔板、矩形钢管及内填混凝土组成,翼缘由三个钢管暗柱四腔波纹腔体组成,腹板为两侧暗柱及中间五腔波纹腔体组成,所有墙体厚度为波纹波谷处 100mm,波峰处与矩形钢管暗柱一致为 130mm,为了工艺方便将波纹钢板、内隔板及暗柱的厚度统一,TSCSW-1 取4mm,矩形钢管柱[63]尺寸为 130mm×130mm×4mm(长×宽×厚),试件高为 1500mm,混凝土强度为 C30,钢板强度 Q345,轴压比 n 为 0.4,所有构件翼缘长×翼缘宽均为1110mm×130mm,腹板长×腹板宽均为 1160mm×130mm,其余构件均在此构件的基础上通过改变某个参数进行分析。基础构件 TSCSW-1 截面尺寸如图 4-1。
图 4-1 试件 TSCSW-1 截面尺寸
图 4-1 试件 TSCSW-1 截面尺寸

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结论


本文采用理论分析与数值模拟结合的方法,对 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙(TSCSW),在水平往复荷载作用下的抗震性能进行研究。首先通过对已有试验的模型进行模拟,找出正确及可行的建模方法;再根据此方法计算了六个参数(混凝土强度、钢板强度、轴压比、钢板厚度、腹板腔数及剪跨比)共 21 个构件(TSCSW-1~TSCSW-21),对各组的承载能力、延性、刚度退化能力、耗能能力等抗震性能进行对比分析,主要结论有:
1)对 T 形双波纹钢板-混凝土组合剪力墙基础构件 TSCSW-1 在加载过程中的三个特征点(屈服点、峰值荷载点和破坏荷载点)处的混凝土与钢板的应力应变分析发现:在加载初期,受压区的混凝土应力均匀地分布在腹板中部,腹板的矩形钢管柱角部钢板最先达到屈服强度,此时混凝土未达到极限压应变,随着位移继续施加,波纹钢板腔体对混凝土仍然有较好的约束力,应力分布均匀,最后由于腹板远离翼缘一侧的钢板底部发生屈曲,整体变形呈斜向布置,混凝土被压碎,构件发生剪切破坏,破坏之后仍然保持着较好的承载能力。
2)对于构件的混凝土强度等级,在其他参数不变的情况下,随着等级的提高,承载能力及前期刚度有所提高,但延性下降,等效粘滞阻尼系数没有较大的影响
3)对于构件的钢板强度,在其他参数不变的情况下,随着钢板强度的提高,构件的承载能力及前期刚度明显提高,整体的延性也呈上升趋势,但其等效粘滞阻尼系数有所下降。
4)对于构件的轴压比,在其他参数不变仅改变竖向力的情况下,轴压比增大后,使 TSCSW 的承载能力以及延性性能有小幅度的下降,刚度退化变化不大,耗能能力有所提高。
5)对于构件的钢板厚度,在其他参数不变的情况下,随着厚度的增加,构件的承载能力、延性、前期刚度及耗能能力明显增大,对构件抗震性能的影响最明显。
6)对于构件的腹板腔体数量,在其他参数不变的情况下,随着腹板腔数的增多,构件的承载能力、延性性能及等效粘滞阻尼系数略有提高,但不是很明显,前期刚度退化也没有明显变化。
参考文献(略)