砌体墙-钢筋混凝土墙组合结构抗震非线性分析.pdf
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1、第 3卷第 3期 2 0 0 6年 6月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI I WA Y S CI E NCE AN D EN GI NEE RI NG Vo I 3 N o 3 J u n e 2 0 o 6 砌体墙一 钢筋混凝土墙组合结构抗震非线性分析 汪梦甫, 汪洋, 王朝晖 ( 湖南大学 土木工程学院, 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要: 以砌体墙等效层间剪切非线性分析单元模型为基础, 建立了该类结构动力非线性分析计算及该类结构静力非线性 p u s h o v e r 分析计算的基本过程, 编制了 相应的计算机程序。通过与实验分析结果的比较 , 检验
2、了所提 出的动力非线性分析 计算方法的准确程度, 验证了静力非线性 p ush o v e r 分析方法应用于砌体墙 一 钢筋混凝土墙组合结构抗震非线性性能评估 的可靠性。 关键词: 组合结构 ; 动力非线性分析;静力非线性 p ush o v e r 分析; 抗震性能评估 中图分类号: T U 3 9 8 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 3 0 0 5 2 0 5 No n l i n e a r s e i s mi c r e s p o n s e a n a l y s i s me t h o d o f c o mpo s
3、 i t e s t r u c t u r e o f b r ic k wa l l s a n d c o n c r e t e s h e a r wa l l s WA NG Me n g - f u, WA NG Ya n g , WAN G Z h a o - h u i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ,H u n a n U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 , C la i m) Ab s t r a c t : B a s e d o n t h
4、 e n o n l i n e a r i n a c l Y ) e l e m e n t mo d e l s o f b ri c k w a l l a n d c o n c r e t e s h e ar wa l l,the n o nli n e ar d y n a mi c a n a l y s i s me tho d and the n o nli n e ar s t a t i c p u s h o v e r analy s i s me thod o f c o mp o s i t e s t ruc t u r e o f b ri c k w a
5、ll s and c o n c r e t e s h e a r w a l l s w e r e e s t a b l i s h e d ,and the c o r r e s pon d i n g c o m p u t e r p rog r a m w e r e d e v e l o p e d B y the c o mp a r i s o n w i th e x p e r i m e n t analy s i s r e s u l t s ,the a c c u r a c y l e v e l o f the n o nli n e ar d y
6、n a mi c and the n o nli n e ar s tat i c p u s h o v e r analy s i s me thod o f c o m p o s i t e s t ruc t u r e o f b ri c k wal l s and c o n c r e t e s h e ar wal l s w e r e i n s p e c t ed ,the r e l i a b i l i t y tha t t h e n o nli n e ar s tat i c p u s h o v e r me thod w a s u s e d
7、 t o e v al u a t e s e i s m i c p e r f o r ma n c e o f c o mp o s i t e s t r u c t u r e o f b ri c k wall s and c o n c r e t e s h e a r wa l l s we r e v e r i fied Ke y wo r d s : c o mp o s i t e s t r u c t u r e ;the n o nli n e ar d y n a mi c analy s i s ;t h e n o nli n e ar s ta t i
8、c analy s i s ;s e i s mic perf o r ma n c e a岛l ; 岛岛 m nt 对一般的多层砌体房屋 , 可采用底部剪力法或 振型分解反应谱法计算地震作用效应 1 , 但由于砌 体墙 一 钢筋混凝土墙组合结构房屋属超高超限的 一 种新 的结构形式 , 为了确保这种建筑在地震作用 下的安全以及更全 面地 了解该类型房屋结构在地 震作用下的性能, 还需根据结构特点采用静力非线 性 p u s h o v e r 分析或动力非线性时程分析方法进行 罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。 砌体墙 一钢筋混凝土墙组合结构抗震非线性 分析主要应解决 2 个问题, 即砌体墙单
9、元的非线性 模拟及结构静力非线性 p u s h o v e r 分析的适 用性问 题。砌体墙单元的非线性模拟有微观有限元法和 收稿 日期 - 2 0 0 6一O 1 1 0 基金项 目: 湖南省 自然科学基金 资助项 目( 0 2 J J Y 2 0 8 5 ) ; 北京市重点实验 室开放基金项 目( E E R S 2 0 0 44 ) 作者简介: 汪梦甫( 1 9 6 5 一 ) , 男, 湖北通城人, 教授, 博士生导师, 从事地震工程与结构工程的研究 维普资讯 http:/ 第 3 期 汪梦甫 , 等: 砌体墙 一钢筋混凝土墙组合结构抗震非线性分析 5 3 宏观模型方 法 2种。微观
10、有限元法 因缺乏足够 的 砌体墙微观实验资料及计算工作量较大而难以在 实际工程计算 中推广 ; 宏观单元模型主要有层间剪 切模型、 二元件模型、 框墙模型 3 种形式, 其中大多 数研究者在砌体结构的非线性分析中采用的是层 间剪切模型 , 然 而大量 的模型实验结果表明, 在砌 体墙一 钢筋混凝土墙组合结构中, 弯曲变形对砌体 墙单元的影响不能忽略 , 发展考虑剪切及弯曲影响 的等效层间剪切模型是必要的【 J 。结构静力非 线性 p u s h o v e r 分析是我国建筑抗震设计规范建议 的罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算方法, 但国 内外研究的重点是该方法在混凝土结构、 钢结构房 屋建筑
11、 中的适应性问题 , 而这一方法能否适应于砌 体墙 一 钢筋混凝土墙组合结构抗震性能评估有待 进一步研究。 以砌体墙等效层 间剪切非线性分析单元模 型 为基础, 建立该类结构动力非线性分析计算及该类 结构静力非线性 p u s h o v e r 分析计算的基本过程, 并编制相应的计算机程序。与实验分析结果、 有限 元分析软件 S A T W E分析结果进行比较, 检验动力 非线性分析计算方法的准确程度, 验证静力非线 性 p u s h o v e r 分析方法应用于砌体墙 一钢筋混凝土 墙组合结构抗震非线性性能评估的可靠性与适 用性。 1 砌体墙等效层间剪切非线性分析 单元模型 为了使层间
12、剪切型结构尽可能反映弯剪型的 结构特性, 在此提出利用结构第一频率、 第一振型 相同的动力等效准则, 确定砌体墙在弹性阶段的各 层的等效层间剪切刚度。具体步骤如下。 1 1 用各楼层 的 E 和 G A f 求柔度系数并组成柔 度矩阵 层弯剪模型采用层等效刚度按剪切型模型进 行动力分析。 动力方程的刚度矩阵通过先求柔度矩 阵再求逆得到。 柔度矩阵为 : = l l l 2 2 l 2 2 1 2 其中: 岛是在第 层施加水平力时第i 层的位移, 可 由各层的抗弯刚度 E 和剪切刚度 G A 按下式 计算 : 岛 = = 客 彘 + 吉 ( + ) + 1 凡2 + 奎 k=l h k ; (
13、2 ) d = Hj Hk ; d = Hi Hk o 式中: h 为第 k层层高; 为第 k层高度, = h 。 1 2 利用迭代法求第一频率和第一振型 由质量矩阵E M=D ia g ( m l , m 2 , , m ) 和求 得的柔度矩阵 6 , 利用迭代法求基本频率和基本 振型: 一 6 M l + l =0 。 ( 3 ) 式中: 。 为结构的基本频率; 。 为结构的基本振 型 。 1 3 用结构动 力特性 第一频率和 第一振型相等 求等效的层剪切型弹性侧移刚度 设砌体墙各楼层在弹性阶段的等效层间剪切 刚度为 k , 则砌体墙的等效结构抗侧移刚度矩阵为 1: kl+ k 2 一 k
14、 2 一 后 2 后 2+ 后 3 一 后 3 一 后 3 后 3+ 后 4 一 后 4 由结构 自由振动方程可得 l = M l 。 ( 5 ) 设 ,孔 l l l, l2 玎 b B , l T =B , ( 6 ) 经整理得 : l l ( l l 一 l 2 ) ( l2一 l 1 ) ( l2一 l3 ) ( l 3 一 l2 ) =B。 【 7) 利用高斯消去法即可求得结构在弹性阶段每层的 等效层间剪切刚度。 结构在非线性阶段每层的层间剪切刚度则可 由图 l 所示砌体墙单元恢复力模型 通过计算确 定。 n n n 跏 一 维普资讯 http:/ 5 4 铁 道 科 学 与 工 程
15、 学 报 2 0 0 6 年 6月 0 L 5 1 0 1 5 2 0 X F 。 一 5 ( a ) 一骨架曲线; ( b ) 一滞回规律 图 l 砌体墙单元恢复力模型 F i g 1 Re s t o rin g f o r c e mo d e l o f b ric k w a l l 2 砌体墙 钢筋混凝土墙组合结构 动力非线性时程分析 2 1 运动微分方程 结构振动的运动微分方程可表达为如下的 形式 : 西 + c + D = 一 西 。 ( 8 ) 式中: 为整体结构的质量矩阵; 为整体结 构的抗侧移刚度矩阵; D , D 和 D 分别为结 构各刚性楼板质心相对于地面的位移、 速
16、度、 加速 度组成的向量 : D _ l , D y l , l , , , , , , F o( 9 ) 式( 9 ) 中位移向量各元素第一个下标表示位移的 方向, 第二个下标表示刚性楼板号; n为振动模型 中刚性楼板个数。 2 2 结构的抗侧刚度矩阵 整体结构可以划分为多个正交和斜交的平面子 结构, 各个平面子结构平面外的刚度相对于其 自 身 平面内的刚度可以忽略。 这些平面子结构可以是平 面砌体墙, 也可以是平面钢筋混凝土墙。 首先建立各 平面子结构的抗侧移刚度矩阵, 然后, 由刚性楼板的 变形协调条件形成整体结移的抗侧移刚度矩阵。 2 3数值分析方法 对于非线性动力问题 , 求解主要采
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