（工程力学专业论文）密肋壁板轻框结构体系空间计算模型有限元分析.pdf

蘸安建筑辩棱大学硬士论文 ! i i i i i i ii i i i i 密肪壁扳轻框结构体系窒闷计算模型菊限元分析 专邂：工程力学 磺= 墼：刘霉 指导教师：7 马仲齐教授 赵冬教授 撼要 塞酶蹙援轻瓣绺搀是糖鑫重轻、嚣l 庭大、藐爨性毙好，苇缝效黎佳、社会效盏 商、绿色环保新型结构体系，它有舄u 于普通的框架缩构和剪力墙结构。由于密肋壁掇 轻器绪稳构造翁将辣叠，鳓蠢巍没脊较秀成熟豹理论努棰杰法。本文就蜜魏建援轻攥 缩构在弹性阶段的受力机理、设计计算方法及侧移进行了探讨。主要先成下列工作； 在l o 爨塞麓鏊教轾缓续鞫| 瑟眈舞赛震模墼敷秘力试验龄宠懿蕊酸主，将驽萎菠视 为平面复合子结构，建立空间框架平面艇合子缩构有限觉分析模溅，对l 腮比恸j 痨建试验攘鳖逶抒数蓬分橱。 此外，为建立便于实用的数值分析方法。论文中还分别将密肋簸台墙板简化为等 效籍垂舔褪等效浚凝壤体，龛翳建立空鞫蓬袈勰垂 季鸯羧元分耩貘受帮空霹蓬 船混凝墙体有限元分析模型。 交惹，结擒空阕毒羰元势蓑霆黪运惩醒黼a b 谣喜黎露氧嚣冀缭暴势叛衰骥，诗 辣结构与试验结构吻合较好。 美瀵溺；爨魏璧蔽轻蓬结搀；诗冀摸鍪；蠢羧元努橱 疆安建缓辩接夫孥硕士论交 f i n i t ee l e m e n tf o ra n a l y s i so ft h em u l t i - r i b b e dl i g h t w e i g h t w a l l p a n e l f l a m eo f s p a c ec o m p u t a t i o n a l m o d e l s p e c i a l t y ：e n g n l e e r i n g m e c h a n i c s n a m e ：l i uw e i t u t o r ： f e n gz h o n g q i ；z h a od o n g a b s t r a c t l i g h t w e i g h tf i - a m es t r u c t u r eo f m u l t i - f i b b e dw a l lp a n e li san e wt y p eo fs 雠c t a r e , w h i c h l i g h t w e i g h t , b i gr i 季出t y , g o o d a n t i - s e i s m i c c a p a c i t y , t o e c o n o m i z ee n e r g y r e s o u r c e ，g o o d s o c i a lb e n e f i ta n dg r e e ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na c ed i f f e r e n tf r o m o r d i n a r yf r a l n ea n ds h e a rw a l l b e c a u s eo fi t sp a r t i c u l a r i t y , t o d a yt h e r ei s n o tb e t t e r - r o u n d e dt h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o d i nt h i sp a p e r , l o a dc a r r y i n gm e c h a n i s m ，l a t e r a l d i s p l a c e m e n t , a n dd e s i g na n dc a l c u l a t i o np r o c e d u r eo fl i g h t w e i g h tf l a m es t r u c t u r eo f m u l t i - f i b b e dw a l lp a n e la r es t u d i e dw i t hc h i e f a c h i e v e m e n t sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h et e s t ，w h i c hat e n - s t o r yb u i l d i n gm o d e lo f t i g h t e i g h tf r a m es t r u c t u r e o f m u l t i r i b b e dw a l lp a n e lw i mr a t i o1 ：3i ss t u d i e dt h o u g ht h ep s e u d o - d y n a m i ct e s t , t h e w a l li sc o m i d e r e da sa p l a n ec o m p o u n ds u b s t r u c t u r e , a n ds p a c ef r a m e - p l a n ec o m p o u n d s u b s t r u c t u r ec o m p u t a t i o n a lf i n i t ed e m e n tm o d e li sg i v e n n u m e r i c a lv a l u ea n a l y s e sa r e d o n e 蜒氆r a t i 0 1 ：3b u i l d i n gm o d e l 。 i n a d d i t i o n ，f o rp r a c t i c a la n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o nt h ew a l li sc o n s i d e r e da s e q u i v a l e n tc o m p r e s s i v ed i a g o n a l s t r u ta n de q u i v a l e n tc o n c r e t ew a l l ，a n ds p a c e f r a m e - c o m p r e s s i v ed i a g o n a l s t r u t c o m p u t a t i o n a l f i n i t ed e m e n tm o d e la n ds p a c e f r a m e - c o n c r e t ew a l lc o m p u t a t i o n a lf i n i t ed e m e n tm o d e la r eg i v e ni nt h i st h e s i s 。 f i n a l l y , as p a c e f i n i t ee l e m e n t p r o g r a m i nm a t l a bi sw o r k e do u tw i t h c o m p u t a t i o n a l r e s u l t st h a tt u r no u tt oc o i n c i d ew e l lw i t ht h et e s tr e s u l t s 。 k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h t f a l n es t r u c t u r eo f m u l t i r i b b e dw a l lp a n e l c o m p u t a t i o n a l m o d e lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 煮鞲 本人郑重声攒我所鼙交麴论文怒蔑令人在潆簿搔鼯下 遴季亍的研究工作及取霉霉麴研究髓果。尽我艨知，除了交中特 掰热戮檬注帮致谢鹣遗方卦，论文孛不毽含箕媳a 基经发裘 绒撰写过的研究成果，也不包含本人蛾其他人在其它单位融 枣请攀住葳蔻萁它瓣途蕊爨过熬羲暴。与我一溺工俸嚣鬻惠 对本磷究所傲的所有贡献均已在论文中作了明确的说骥并 表示了致谢。 申请学位论文与资料羲有不实之处，本1 人番攘甥捆关 责任。 论文俸翥签名：责涮哮 日期：毒弼。， 美子论文使震授权韵说麓 举人完全了解遁安建筑科技大学肖关探留、健用学位论 文蕊麓定，瓣：学校有投爨鏊迸交谂文嚣菱零释，竞诲谚文 救查阅和借阅；学校可以公布论文的烩部或部分内容，可以 聚角影簿、缕辞藏者其它囊裁手裴保存论文。 ( 裸密煞论文在论文解密后应遵守此觌定) 谂文停者签名：词聱尊瀑簦褰；潮太 爨絮：扫。；、刍 注：请将就凝耐在论文酋页。 鞭安建筑科技大学疆士论文 1 弓l 言 1 绪论 随着住宅的商懿他，住宅产戏成为我国国鼹经济的重要缎成部分。运髑嵩新技术 攘遴往宅产监静戮代纯，满是入& 鑫盏增长懿瓣往需要，鸯l 逮健送我匿往臻产盈静瑷 代化进程，使其发展成为国民缀济新的增长点，是国家发展的基本方针，也是提高人 民物质生活质量昶水平的最佳途径。 邀赛主发达嚣家逶过接行往宅产翌酶褒代魏，不霞宓l 速了往宅建设豹袋装，圈穗 带动了相关产业及意量个社会经济的发展。莸们_ i 艟邻日本的住宅产业化经过j 艟3 0 年的时 间，住宅及相关产业增长了1 6 倍。然而，作为我国传统的住铝建设，一方蕊，目前仍 楚予褪藏望懿生产羚段，存在众多载婺癌：练稳形式单一，建筑工l 鎏纯稷发差，劳动 生产率低，技术含爨不高，能源和原材辩消耗大。另一方面，我国采暖地隧住宅单位 面积耗能是相同气候条件下发达豳家的3 倍，采用新型墙体材料的比例只肖发达国家 的1 8 左右。据统计，黏土砖程全国占墙体孝萼糕生产总量鹃9 5 以上，以糕砖为主 要砌体材料的礴体结构在民甩建筑中占9 0 0 戳上，在整个建筑邂中占鞠左右。但是， 粘土砖在建筑使用功能、施工技术等方面存在潜一些严重弊端，主要表现为：毁田 多，熊耗高。生产牯土砖需占甩灌耪地、浪鼹能源。据1 9 8 7 年资料统计，全国生产 契稔土砖共羧酗l o 万多亩，奢国睇l 一矮，念辫每年毁困5 - 6 万壹，察漾5 0 0 0 万睫。 囱重大，抗震性能差。在我圜及国外历次强髓中，多层砖腾破坏或倒塌的比例很高 特别在唐山地震中，极震区的多层砖混结构，谢9 0 例塌或遭受严重破坏，给人民生 命瓣产带寒缀大按失。国麓工繁絷、砖磁王箨量大、滚费久力。 在改革开放的今天，我国簿华建造各种建筑近十亿平方米，需要使用大量墙体材 料。而我国人口众多，能源紧张，人均耕地耐积不足一亩。因此，发展轻质高强、节 毙藏震、嚣惩“三袋气绿雹囊磲、节约地、洚酝残奉，势蹙毒一定建筑嫩产工i 垫纯 永平的建筑结构新体系势在必行。 1 2 薮型建筑结构体系发展现状 目前，国内外建筑结构的发展也以减轻建筑物的自重、提高对地震纳防御能力、 增溅其保湿节能效果、麓化施王方法为主要趋势。用轻骨料代替普通混凝士的研究、 鼹窝，谳替实，淞砖、蔽囊装配式结构等受至l 普遍莺税。秀运盛我嚣僚宅建设鹣 - t - 西安建筑科技大学硕士论文 发展，特别是在针对粘土砖的墙体改革方面，近年来不同新型建筑结构体系的研究与 开发己取得不少成果，如：轻型砌块建筑、轻骨料混凝土建筑、装配式大板建筑等， 但这些建筑或多或少地存在一些问题。轻型砌块建筑由于施工劳动强度高，且自重仍 较大，其抗震性能及“热”、“裂”、“渗”、“漏”等问题还需要进一步研究：轻骨料混 凝土初始刚度低，在风荷载和地震作用下高层建筑往往变形较大，而且其原材料( 如 陶粒混凝土) 价格较高，推广存在一定困难；装配式太扳能在一定程度上缩短工期， 做到建筑工业化，但该结构在抗震构造、保温性能、施工工艺、防渗漏等方面亦存在 问题。这就要求我们不断探索和实践，寻求更佳的墙体材料及结构形式，以满足时代 的需要。 在众多的建筑材料中，值得一提的是加气混凝土制品，其在国内外的应用越来越 广泛，罗马尼亚布加勒斯特利用加气混凝土的建筑体系，都是以加气混凝土作为内外 墙；南斯拉夫采用加气混凝土板材的i m s 建筑体系已用于住宅、办公楼、学校和工业 建筑，既节约材料又减少劳动力。加气混凝土的应用也体现出许多优点：1 施工机械 化程度高，加快了施工进度。2 自重轻、运输方便，减少了基础造价。3 由于结构构 件截面减小，增大了使用面积。4 保温隔热、隔音效果好，节约了能源。 进入2 1 世纪，随着城市用地的紧张，我国城市对中高层住宅建筑的需求量将逐年 加大。然而，到目前为止，能够适用于中高层的住宅结构形式仍然甚少。框架结构的 优点是平面布置比较灵活，一般可满足用户多变开放的分隔要求，具有良好的延性， 但框架结构的侧向刚度较小，属柔性结构，难以满足1 0 层以上结构变形的要求；此外， 框架拄截面尺寸一般要比墙体厚度大而造成角部外凸，影响使用与美观，使框架结构 使用受到一定限制。剪力墙结构可以沿房间分隔布置，能与建筑平面较好的配合。对 住宅来说是比较恰当的。从受力角度看，剪力墙结构侧向刚度大，变形小，可以构成 整体抗测力很强的体系，对高层建筑特别有利。但自重坟大、侧向刚度大、自振周期 短从而招致较大的地震荷载和基础工程造价的增加，墙体保温性能也很差。短肢剪力 墙结构能结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发 生矛盾：墙的数量可多可少，肢可长可短，能灵活布置，可选择的方案较多，较易处 理楼盖的支承；同时由于减少了剪力墙而代以轻质砌体，房屋总重量减轻，加快了施 工速度。但仍有保温性能差、造价高等缺点，特别是在地震区采用受到了一定限制。 异型柱框架结构是种比较理想的结构形式。由于异型框架将普通框架中的矩形 柱改为与住宅隔墙等厚柱肢的“异”型，般为“l 卜+ ”等形状。这种截面形 式克服了矩形柱不利美观的缺点，对建筑环境有很大的改善，其大空间也有利于住户 的自由分隔等需要。t 旦从力学角度来看，由于柱截面积较小，在轴压比严格要求下， 房屋层数也受到限制。同时异型框架柱由于其截面形状的特殊性，其抗剪性能比矩形 2 躜安建筑辩技犬学硕士论文 蔽下簿较多，特蒜楚建震区，卣j ：结构撬援麓力较差，飙露绥褥应蘑受戮了缀大鞭毒l 。 总结这些新测结构体系及新型墙体材料研究与应用的得必，我国建筑结构专家与 学蛰均指出了减轻建筑物鱼熏、提高对地震的醛御能力，：啪强保温节能效暴，简化施 工方法这一往宅建筑缕掩静笈麟趋势。在逮转鹜最下，露蜜建筑耪按大学、慈后羹熬 基建营房部等单位提出了高层密肋壁板框架髂构新型结构体系。这种结构体系自重轻、 初嫡剐度较大，抗震性能好、节能效果佳，觚速度快，结构适应性强，环境及社会 效蕊离，是群较理想鹁薪整缭 每薅系。葵发震饔瘟暴啜建了我重墙鞯榜簿竣荤懿 需臻，紧密结合我匿国情，因此发展前景广黼。 。3 塞驻壁缀蜒絮结梅掏造爱特点 餐肋壁板框架绿色环保节自住宅体系是遁成我国墙体政蕈及住宅产姚化要求的产 物。密魏璧皈捱絮结捣构造如蹦i - i 所示。窕主要是垂密脱辍台避扳与骢渺捱架掏或。 技结稳形式胃势为多层与孛赢瑟。律蠹受力构彳孛静复台墙叛礴摄据竖淹及承乎力鹣不 同j 行框格优化配比设计；隐璐轻框在中高滕建筑中依据髓力计算确定截面及配筋； 农多层建筑中按构造设计；楼板在中高层建筑中均采用现浇，在多层建筑中可根据抗 震设蓠燕疫不同选鼹鬣奁麦窒一心投、密瑟复念搂援或琵浇钢筋菠搂蔽。 强l l 密髓壁援轻粒缍鞫示意霆 一3 * 西安建筑科技大学硕士论文 密肋复合墙板是以截面及配筋较小的钢筋砼为框格，内嵌以炉渣、粉煤灰等工业 废料为主要原料的加气硅酸盐砌块( 或其他具有一定强度的轻质骨料) 预制而成的墙 体构件，如图卜2 所示。 普通框架结构房屋中作为填充材料的加气混凝土砌块主要起围护与分隔空间作 用，一般不考虑其与框架结构的相互作用。密肋复合墙扳使用密布的肋梁、肋柱及内 嵌加气混凝土砌块形成整体墙板，墙板与框架整浇为体，从而形成一增强得受力体 系。 图l - 2 密肋复合墙板示意图 密肋复合墙板在水平荷载作用下，与框架协同工作，方面受到框架的约束，另 一方面框架又受到墙板的反约束，二者相互作用，共同受力、充分发挥各自的性能。 因此，密肋壁扳框架结构中密肋复合墙扳不仅起围护、分隔空间和保温作用，而且可 作为受力构件，从而有效减小框架截面尺寸及配筋量，降低结构经济指标。 密肋复合墙板中填充块体由于受到框格的约束，其裂缝被限制在一定范围之内， 在反复荷载作用下，一方向荷载产生的裂缝在反方向加载时将趋于闭合，并能有效地 承受荷载，故墙板整体承载能力不会明显降低，这首先使得填充块体有效参与结构的 抗侧力体系成为可能，从而可有效提高结构抗侧力刚度，拓展框架结构的建造高度； 其次，由于众多块体在约束条件下的开裂与非弹性变形，类似耗能装置，可吸收及 耗散大量地震能量，从而可有效提高结构的耗能能力，使主体结构在大地震中不致有 较大损坏。 密肋壁板框架结构的另一个重要特点，是形成其承力体系的三部分构件：框架、 框格( 肋梁肋柱) 、砌块能够分阶段释放地震能量。 地震是种随机作用，当建筑结构的自振周期与地震卓越周期接近时易发生共振 而造成人民生命财产的严重损失。一次大地震使场地产生的地震动能造成建筑物破坏 4 。 躐安建筑科技大学硕士论文 瓣强震持续时闻少黄i 珏移，多簧凡十移，甚至翼长。这榉长辩闯斡圭| 盘震动一个接一个 强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击造成累积式破坏。如聚是单一结构体系，仅有一 道抗震防线，一熙发生破坏后接踵而来的持续地震动就会倪使建筑物倒塌。如果结构 采蠲秘蹩多重摅鬻力体系，终魏第一遂藤线瓣拣髑力穆 孛纛溢震袭击下瀵受玻琢嚣， 后备的第二道乃黧第三道防线的抗侧力构件立即接替。抵捎后续地震动的冲击，可保 证建筑物最低限度的安全，免予倒塌。对建筑物来说，最大的危害莫过于结构的自振 嗣麓与建震力熬枣越嚣黧援近，零| 起结构豹蔌缀。因为遮鬟凌豹龛墓量是纛大熬，对手 建筑物要么是振动周期与地震动卓越周期错开尽量少吸收能量，否则就以其内部阻尼 机制和整体或局部的大的变形来耗散能量。对于前者，建筑物一旦遇到卓越周期与其 皂攘周飙楣溺或搂避懿地震动辩，结擒熊自动以 睾为第一j 蓬骑线戆抗铡力髂系豹破坏 为稻牲，使建筑雅构的自振周麓出现较大幅发静交动，健缩构共振现象褥| 缓解，减 辍地震动的破坏作用，而第二邋或第三道防线的抗侧力体系仍能保证建筑结构的安全。 密肋壁板撵架结构作为种新的结构体系遥应了这种多道姥线与智8 嫩共振的 囊谂，是一种毪麓绕越蘸薪蝥抗震俸系。 为了对密肋髓板轻框结构及其各承力构件的性能进行研究，西安建筑科技大学建 筑工程瓤技术研究所曾先后做过1 3 榀不同形式复合墙板的低周反复j j n 载试验、大开间 六豢l ：2 建筑蕊熬魏静力试验稻诗算秘- 舅淘礤灞墩搭凌力试验。 由于密肋壁板框架结构构造的特殊性，目前尚未有较为成熟的理论分析方法，仍 有火量的问题有特于研究和完祷，对结构及冀各承力构件赫本性能需进一步研究，特 爱蹩遥合这静掰裂缝瘸葵系豹璞逶及实霉谤冀方法豹磅究楚毽蓑亟待瓣决豹润题之 一。本文就这一问题进行些搛讨。 1 碡本文的主要疆究工份 1 在已有试验研究的基础匕，对1 0 屡密肋壁板框架绪构的l 3 比例模型弹性阶 段进 亍静力分析，探l 寸结梅盼侧移。 2 报摆密耢鍪皈框檠缝构构造及受力特点建立雠构体系酶寄隈斌闰诗箕 模型。 3 用i t a t i a b 语言编制结构空问有限元分析程序。 4 。与试验缭鬃迸 亍鼹魄努褥，溪验瑟燃鍪鹣准确魏。 西安建筑科技大学硕士论文 21 0 层1 3 比例房屋模型拟动力试验 通过考察密肋壁板轻框结构的破坏机制，、变形特点及强度、刚度变化规律，为建 立结构分析模型和恢复力模型提供试验依据；确定该结构的设计构造要求、施工构造 措施及结构的计算模型和设计计算方法；最后参照试验结果进行理论分析，确定该结 构的恢复力模型，为结构的抗震设计提供正确的动力分析方法。 试验阶段主要进行模型房屋的动力特性测试、层间刚度测试；计算栅一日载器联 机试验时，边框柱、连梁、墙板小柱的应力一应变测试；以及加载器位置相应层楼面处 的变形测试。 2 1 模型设计与制作 2 1 1 试验模型 建筑原型总高3 6 米，共1 2 层，层高3 米。楼板厚1 0 0n l m ，框架柱3 0 0 x3 0 0i l l n ， 轻板连接柱2 4 0 x3 0 0 r i l ，墙板厚3 0 0 姗。3 2 程按八度设防，1 i 类场地土。 按l ：3 的比咧选取原型中的一个开间作为试验模型，阻两个轴线柱、墙承受的荷 载作为试验时所加荷载。模型房屋平、立面如图2 - 1 所示。 8 ( a ) 西安建筑科技大学硕士论文 ( b ) 图2 i模型房屋平、立面 模型构件布置及编号见图2 _ 2 ，主要构件详见图2 - 3 图2 _ 6 。 图2 - 2模型构件布置及编号 o b 翊 j 斟 2 ) q b 一2 ，一2 a 模型配筋 。 西安建筑科技大学硕士论文 f 厂 ； 扩l扩 l -扩l扩l | 厂i厂i 厂l 旷i 匪1 _ m 妇： 8 5 q篷、 o j e 宝 一 j i 上 ： 暑 8 一 喜 j 当 吊 一 j r 帛 一 j r 昌 _ 图2 _ 4主要构件详图 9 l 姐jl 鲤i ，盐l 触l 。衄l j 瓤。l ；。| 。：l 。| ，曲ll 西安建筑科技大学硕士论文 4 ) z _ l 模型配筋：5 ) l z _ l 模型配筋 坷昌呵 楼板平面处上下番2 0 0 皿范围内，箍筋间距为3 3 吡 6 ) l l - l 摸塑配筋： i1 n oj 3 - 3 甘 幽 【 8 蛆 i 6 a ) 圈粱_ 艇配筋：6 b ) 圈粱二模型配筋：( 用于加载层) 厂却厂严哂 哲a 哲蚓 il n ol 卜l l 1 i 挑 2 l i l1 图2 - 6主要构件详图 匮 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 2 模型相似关系 试验模型按相似关系取原型的1 3 ，由于模型材料与原型相同，所以采用人工质 量模拟。模型配重后质量为模型应有质量的1 4 ，这样，可能使模型结构的钢筋过早 屈服，但也刚氐了轴压比，对结构的延性有影响。在构件设计制作、结果分析时，应 综合考虑配重不足所产生的影响。 根据动力相似关系： s t = l p ，m ； s k = s e s t ； 其中 墨：几何相似关系； s ，：位移相似关系； s 。：密度相似关系； s ，：刚度相似关系； s 。：弹性模量相似关系； ：周期相似关系； 咒：加速度相似关系。 可得模型结构与原型的相似关系，见表2 - 1 。 表2 - l模型结构与原型的相似关系 材料特性 g o # -长度面积质量位移剪力轴力弯矩 e ，g ，掣 原型 1l1l1l11 模型 1l 3 t 91 2 7l 3 1 9 1 9 1 2 7 2 1 3 材料力学性能 钢筋、混凝土与加气硅酸盐块的力学性能见表2 _ 2 及表2 _ 3 。 表2 - 2混凝土与加气硅酸盐块的力学性能 。 膨抗压强度抗拉强度容重弹性模量 材爪 ( m p a )( 船a )( k n m 3 )( 船a ) 混凝土 2 82 43 o x l 0 4 加气硅酸盐块 6 50 6 562 o x l 0 3 疆安建筑科技犬学颈士论文 表争3 铜筋材料往能试验结果 直径屈服强度极限强度弹性模量 规格伸长率 ( 嬲1 )( 1 p a )( 疆) a ) ( 瓣) a ) 中652 4 3 73 5 8 。l2 x l 萨 1 4 。1 8 甄 0 88 2 8 6 34 1 2 8 62 x l 驴1 4 6 7 中l o1 02 4 4 ，34 鸺。22 x l 妒 2 7 垂440 56 8 8 42 。l x l 萨 5 蕊 巾32 63 1 0 7 83 9 5 52 x l 矿3 5 审1 21 22 4 5 ，84 2 0 52 x 1 0 5 2 6 2 2 加载 互未1 。意l 载方法 加载装置如图2 q 所示。 冷却器电动机高压油泵囝电i 瘦 司服器囝渡珏洳载嚣 试件 参荮重簧惑嚣莅移簧感罄瘦变镄戆器固耱簸调苇爨位移谖苇器 应变调节器 记录及显示裴置 指令靛生器 伺服控甫m 嚣。反力墙 图2 _ 4力滋系统示意圈 - 1 3 一 谱安建筑科技大学硕士论文 模壁瑶蔽串竖囊舔应力大，j 、楚影旃墙诲抗努抗弯强发静重要鞭素，为了保涯穰型 房屋和原型的可比性，应尽量满足模型房屋轴联比等于原型结构轴压比，由于模型缩 尺掰带来静醚霾难班蠹鼢目，鳘囱蘅载采矮移袋臻6 。2 k n m 2 施翔予各层楼_ 隧主，在施抽 水平衙载前一次施加完毕，造成实际配蓬不足，对试验结果的影响主要有以下几个方 面： 1 ) 原型轴压比为0 2 8 ，模型1 4 配重时，轴压比为0 0 7 ； 2 ) 辘垂魄的减小便镪筋程弯矩柞斓下过警遴入屈黻：模型所 能抵抗的水平剪力将降低，刚度也随轴压比的减小而减小； 3 ) 永平荷藏达到峰值后，轴压浇髓减小，设模垄的激退纯遮度交缓，表现磁魄 原型她畦比“大”的假象。 斑阪上可知，在确定模鍪 的极限蘅载、极隧位移、燕性眈时，应考虑轴压眈谶小 所造成的影响。 备层楼瑟配重、翻重，详觅表2 4 。 表争4各楼层整向及水平作潮力 自重应配蔻实配重总重 垂数 ( k n )( k n )( k n )( k n ) l3 l 。91 2 2 4 2 78 。l4 0 23 1 91 2 2 4 2 78 14 0 33 l 。91 2 2 。嬲78 。l4 0 43 1 91 2 2 4 2 78 】4 0 s3 l 。91 2 2 + 4 2 7霉。l4 0 63 1 91 2 2 4 2 78 14 0 73 l 。91 2 2 。毒2 78 。l4 0 83 1 91 2 2 4 2 78 14 0 93 1 9l 瑟4 2 78 4 0 l o3 1 91 2 2 4 2 78 14 0 l l1 2 2 经7 1 21 3 2 0 8 7 2 2 2 水平自日载 蹰安建筑辩技大学蹶士论文 逶过钢蓊漱；蓖厦力壤，臻秘三螽瞧液拇鼹趣蓑黼墅! 静器、七、十层藏躲拳 平黼载。在七、十层各用一台出力为1 0 0 0 k n ，冲程为2 5 0 m 的加载器，在四层用 台滋力为+ 5 0 0 1 攫。；孛载为1 5 0 r a m 豹蠡漱器，藩均逶造横囱薹糯梁经次分鳓# 载 至搂援芝，楼板遴过2 穰审鹌蘸壤螺释霹整个缮鞫蓬魏蓊簸，稷撵建筑撬震爱谤溪 藏( g b j l l - 8 9 ) 魏震佟用诗辩艨剜，采甩溺三角蘅载分帮，按弯矩与势力等效舔鬟瓤 由按底部剪力法计算地震作用分布，沿房屋暇、七、十朦三点加裁，加裁b 匕例为 霉。：马：冀= 3 ：1 5 ：i 2 2 3 加载程姆 骚彝荧载褒越瓣拳挚萄载之蕊一凌穗宠攀，瘩孚赫鼗势爨令羚段攘蛾。第一阶 段为繇周勰葳袈黼载，r p 越翁力加载，输 地震波为e l - c e n t r o ( 醛) 没，按最大蕊 遮度的太小：5 0 9 a l 、l o o g a l 、2 0 0 9 a l 、5 0 0 9 a l ，逐级试验；输入地震作朋时间为8 秒， 投攥耱钕条稃，褥髑麓基缩舞i s q r t 弹察际逑震浚佟羽辩弱麓4 。6 移，试验麴长 辩游魏实际绝震波作用随阊1 0 0 - - 2 倍，女酸e 度褒定良 畿释角援蹙否大粒盘臻裂缝控 制。第二阶段沟低周疑复加载，水平荷簸第一次加至2 5 k n 以后，每级增潮2 5 k n ，麓列 第一燃蛾秽凇；卸载之蕊进行爱向加簸，德环联次，分别这至| 艟制髓移9 0 靴， 1 2 0i i m ；圭娶爨浚结穗蠹部斡波力分蠢，变形分毒，裘缝穗躐毒嚣震惑耱结擒酸豁特 褫簿内容。 窑3 溅试方案疑溺赢毒嚣 房屋模燃鬈繁震，麓糕鑫发潮爨，程撩疰袁验巾，袋甩一豢橡皮耨头 通过2 0 k n 的力传感器，敲击绻构第九层对称僦鬣处，每次测试时，相隔s 秒钟敲谢 狻装嚣卡褒，将籍号按握器测褥靛各屡爱获激醛基全部篼荣在尧宅簇上，翮接寨努 轿的方法蹭晌藏进行鲶理，褥到所隶的掇鹜、频率、随最院等动力参数，出于地赫赫 接譬援囊较太，为减4 谶黥魏辕篷篾号憋影骥，在令溪榉月戴内藏壹鞭次，分援时 淑4 0 次平均值。 试验鼗器( 旖鼗、谴移、寝交) 逶遵l h s v s o r o d 智麓僖弩鬈爨楚理努橱役进行采黎 她理，系统图如图弘5 所示。 西安建筑辩接大学硬士谂文 2 3 2 刚度测试 图2 - 5动测系统框图 设置在4 、7 、l o 层的液雎千斤项，由计算机发出指令控制，在第十层加载时，控 制4 、7 层予厅顼约内荷载必零，使嬲g 夔动基的，嘲4 得l i 。层水乎力斓下，4 、 表2 哂援型结 奄_ 粒濑l 移测试续襞 加搿载 测点 a i oa 7a 4 葡 点 每级累计 读数差值累计读数差值累计读数差值累计 ( t )( t ) o1 63 ，3 8_ o 1 7 332 30 。7o 73 。7 20 。3 唼o 。3 莲& 0 lo 1 80 1 8 p i o363 1 40 8 41 5 44 2 40 5 20 8 6o 2 30 2 20 4 0 394 潞毡8 92 4 34 。7 6o 5 21 3 80 4 7o 。鏊o 醴 31 24 9 5o 9 23 3 55 3 lo 5 51 9 30 7 2o 2 5o 8 9 o1 7 33 唾5_ o 1 哇 332 1 40 4 1o 4 13 7 4o 2 9o 。2 9o 0 0o 1 40 1 4 p 7362 6 40 5 0 0 9 l4 1 40 4 0o 6 9o 1 80 1 8o 3 2 393 。1 7o 5 31 4 44 。5 50 4 l1 1 0o 3 7o 1 9o 5 l 31 23 7 0o 5 31 9 74 9 4o 3 91 4 9o 5 7o 2 0o 7 l o1 鼹3 3 4。1 5 331 8 60 1 8o 1 83 4 7o ，1 3o 1 3- o 0 5o 1 0o 1 0 p 4362 。0 7o 2 lo 3 93 。6 so 1 8o 3 lo 。0 8o 1 3o 2 3 392 3 1o 2 40 6 33 8 40 1 90 5 0o 2 2o 1 40 3 7 31 22 。5 5o 2 4o 8 74 转3o 。1 9o 。鹌o 3 5o ，1 3o 。5 0 1 6 * 鞭安建筑科鼓大学硬士论文 7 、l o 层楼板处发生的水平识眵；采用同样方法，在4 、7 朦分别加载时，控制其他两 层的千斤顶内荷载为零，这样测得该模型简化为三质点体系的层间刚度。模型结构水 鼍穗l 移蓑l 试终累见表2 5 。 圈2 - 6 为模麓结构分舅在4 、7 、确屡旗嬲瘩平力p = - 1 2 t 时静结构颧l 移曲线。 挺 遮 - - 四层加载 一一一硅叠蜮 卡釉曦 霆2 - 6搂型缮掏拳警铡移燕线 2 3 3 应力廒茧臻4 试 为分板在垂纛釉承平黄载髂麓下密稔麦囊墙叛静受力状态骧爱袭髂、糕檠粱柱豹 应力变化和协同工作性能，底部三层钢筋混凝土连接柱在上下两端布置成变片，以测 量弯矩沿柱的变化及同平面内弯矩的分布慵况，并考察樵架变形特征、内力分布， 嚣麓豹连接氇毒瀵凌交冀瑷羲l 爨貘鍪赛蓬整髂弯麴变形麴彩虢；搀搀式壤辍立控上毒 鬻斑变片测量立张钢筋的锚圃放传力情况，瘫廊连梁上布鬣应变片授4 量逶粱的受力及 变形情况。 2 。3 4 变形测试 在提应层搂瑟嫩平荀载对称点处毒置位移计个，溪4 嚣援水平薅载佟用下房屋的 熬体和层闯交形，在，谣两铡横墙处布置使移计个，豢l 纛房屋酶扭转交形，在模型 根部外四角处布溅百分表各一个，测量角柱的轴向变形。 o 9 8 7 6 s 4 3 2 l o 谢安建筑科技大学硕士论文 3 密肋壁板轻框结构协同工作分析 3 1 密勃壁板辍挺结构受力特点 普通框架结构房屋中作为填充材料的加气混凝土砌块( 或其他填充墒体) 主要起 器护与分隔空间搀用，一般不考虑其与框架的耀互作用。密肋复合墙板馒翊密布的肋 粱、髓柱及内嵌e 气滢凝土黼成整薅墙叛，逶适萁魏梁、魏柱与疆繁及缕叛连接， 从而形成一个有机承力体系。结构承受的水平剪力主要由墙板承担，倾覆力矩主要由 轻溅框架承担。蕊密肋壁板轻橼结构中的加气混凝土不仅越隰护、分隔空间或保温作 强，嚣显露露秀承力稳箨魏帮分。 在水平地震菏载作用下，墙扳与框架共同工作。作为承力构件的密肋复合墙板受 到椴架的约束；另方面密肋笈合墙板对框架起到支撑作用，两者相互作用，共同受 力。试验裹骥，壤叛x 重挺絮豹这耱支撑终爱，敬交了黄绞糕繁豹受力| 秘壤，谴鼓弯盛 为象要变形的框架杆件变为以锻压为主要变形，从而使禚架的受力性能褥剡实质性改 善。 经过离；数泡瓣鹣塞貔复合壤嘏与轻型蜮艨魄曦豹密勋蹙扳轻框结槐类 篮子个 由濑肋筒作为基本单元组合丽域的多束篱体终构，而密驹筒类似于由图片麓肪复合墙 板构成的一个竖向简体。虽然熬本构件仍是平面构件密肋艇含墙板，但其具有不同力 学褥性豹立体构件。水平剪力主要由平行予簿载方向的密幼笈台墙繇搀，倾覆力矩 羹| l 国轻鳖框檠耩豢誊于黄载方随盼密耢复台壤援及平孬予麓羧方自秘密麓笈舍墙教荚 同承担，其抗力偶的力臂很大，能够抗御很大的倾覆力矩，从而适用于滕数更多的中 商胺建筑。 一 另方瑟，糍鹣壁扳轻框络穗孛豹填充浚髂垂手受至l 攥缮鹣绞索，英襞缝被疆裁 在一定的范围之内。在反复荷黻作用下，一方向荷载产生的裂缝在反向加载时将趋于 闭台，并能继续有效地承受荷簸，故墙板整体承载能力不会明显降低。滤首先使得填 充疑葵骞效参与戆掏曦囊l 力髂豢残蔻霹蔻，获嚣露骞效掇寒结稳撬爨秀嚣度，舞震 棍絮结构盼建造黼度；其次，融于众多块体强约束条件下的汗裂与非弹性变形，类似 耗能装置，可吸收及耗散大藏地震能量，从而可有效提搿结构的耗能能力，使主体 臻秘在大遮震中举致富较丈损餐，提裹绩擒羧震毙力。 螽于缝震侮黼趋一个随机变量，往往弦难设防，特别怒警建筑结梅翡鑫振周麓与 地髓卓越周期接玩时易发生共振而造成 民生命财产的严熬损失。一次大地震使场地 产嫩弱地震动能逡成建筑物破坏的强震持续时闻( 持时) 少趟几秒，多则几十秒，甚 西安建筑科技大学硕士论文 至更长。这样长时间的地震动一个接一个强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击造成累 积式破坏。如果是单一结构体系，仅有一道抗震防线，一旦发生破坏后接踵而来的持 续地震动就会促使建筑物倒塌。如果结构采用的是多重抗侧力体系，作为第一道防线 的抗侧力构件在强震袭击下遭受破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件 立即接替，抵挡后续地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。对建 筑物来说，摄大的危害莫过于结构的自振周期与地震力的卓越周期相近，引起结构的 共振。因为地震动的能量是巨大的，对于建筑物要么是振动周期与地震动卓越周期错 开尽量少吸收能量，否则就以其内部阻尼机制和整体或局部的大的变形来耗散能量。 希望能够实现前者，即建筑物一旦遇到卓越周期与其自振周期相同或接近的地震动时， 结构能自动以作为第一道防线的抗侧力体系的破坏为牺牲，使建筑结构的自振周期出 现较大幅度的变动，使结构共振现象得以缓解，减轻地震动的破坏作用，而第二道或 第三道防线的抗侧力体系仍能保证建筑结构的安全。 试验结果表明，密肋壁板轻框结构形成其承力体系的三部分构件：砌块、框格( 肋 梁、肋柱) 、轻型框架，能够分阶段释放地震能量，具有这种多道防线与智能避免共振 的能力。 当结构受到强烈地震动主脉冲卓越周期作用时，一方面密肋复合墙板内的加气混 凝土砌块产生大的变形或裂缝耗散地震能量。更为重要的是由于砌块的破坏和退出工 作，使整个结构从种稳定的体系过渡到另种新的稳定的体系。加气混凝土砌块的 退出工作使结构刚度和周期发生变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起 的共振效应。第一道防线被突破后，作为第二道防线的由密肋梁、柱构成的密肋墙板 主要以抵抗水平地震作用，从而保证外框架不受破坏。当复合墙板破坏以后，外框架 则是最后道防线。结构设计时应充分考虑外框架的延性设计。 3 2 水平荷载作用下共同工作性能 密肋壁板轻框结构以密肋复合墙板作为框架的内嵌构件。当水平荷载作用时，墙 板能够起到对外框架的支撑作用，参与抵抗水平荷载。从模型试验墙板裂缝开展情况 可知密肋复合墙板能够承受很大的支撑荷载。 密肋复合墙板平面内刚度很大，与同样条件下的柔性框架相比，密肋复合墙板对 框架刚度能起到相当大的增强作用( 计算表明般在1 0 倍以上) 。延性外框架加上密 肋复合墙板二者共同工作使得结构的开裂和位移相比纯砌体结构提高很多。因此该体 系的初期刚度大，而墙板的支撑作用也很坚韧。 密肋壁板轻框结构外框架在水平荷载作用下，梁和柱发生双曲率弯曲，各层柱的 1 9 蹰安建筑科技大学硕士论文 上舔求平位移戳及框架静主靖麓籍自静缩短旋禚檠柱与密麓整合墙叛紧瑟，两且使墙 板程对角方向受聪，在结构中越4 了斜压杆的作用( 见图3 - 1 ) 。在密肋璧板轻框结构 中将密肋复台墙掀作为支撑斜聪轷_ 考虑，可充分利用外框架及密i 搬复合墙扳的各自特 熹，鞠露又蕤竞缀蔟些不是。冀受力毪戆兔：在窳平芬载豫援下絮l 框絮枝受控，穗 对塌侧框架柱鼹压，这二者备自轴力形成力偶来抵抗水平外荷载产生的倾覆力矩。 密肋复合墙板等效为斜压杆后主要发挥其抗剪承载力来抵抗水平荷载。由于密肋复合 壤援在缝点处不爨璇集孛力终耀在莛槊上，露是终建在每令嚣力囊黪避段长疫熬 椴架梁柱上，医此框架构件墩会受到水平剪力作用而发生一些弯曲。所以在轴向力或 剪；i 了特别是受水平荷载作用侧的框架柱底部在拉力作用下，框架构件及跆点容易破 坏，褒构造应滋意浮骧加强攒施。 ；口| 蛔f 掣苏 房一耀，7 7 7 ，一7 刀7 7 7 7 7 矿 ， 受 受 拉 压 抒 杆 ( 4 ) 椴槊与密肋复合墙掇相互作用( b ) 框架斜压杆锚构 蚕3 - 1 永平力佟藤下结构承载梳遴 3 3 密勋壁板辍捱结橡麓他计算模型 将密肋壁扳轻框结构的受力分析 计算模型取为空阕框架斜聪；l 等， 皴鬻3 - 2 所示，争醅匡架形成一个框架， 内嵌的密肋复合墙扳等效为一个斜压 杼。 经过等效裁疆稃翡连接使麓令缝 构系统形成一个骚向悬臂组合桁架用 于抵抗水平荷载，“腹杆”是粱和斜压 萤3 _ 2 窒潮框槊裁燕转 西安建筑科技大学硕士论文 杆，柱则类似于“弦杆”。密肋复合墙板等效为斜压杆后作为轴向受力构件考虑，能够 提供抵抗水平剪力所需的刚度和强度。另外这种计算模型中外框架受整体弯曲影响大， 自身局部弯矩小，所以一个突出的优点便是梁中的弯矩和剪力受结构上水平荷载的影 响很小。在这种情况下，楼面结构按只受重力荷载考虑设计，沿结构整个高度均如此。 由水平剪力在结构逐层向下传递的路径可以理解“腹杆”承担结构剪力的机理。 当外部剪力全部作用于“腹杆”上时，即忽略外框架相对斜压杆的微小抗剪作用，就 可以跟踪水平剪力的竖向传递。斜压杆的缩短和梁的伸长导致结构产生整体剪切变形。 这种在水平荷载作用下的受力性能类似于悬臂组合桁架的框架斜压杆结构计算模 型，外部荷载产生的弯矩由类似于弦杆的外框架柱承担，斜压杆和梁如同腹杆一样承 担水平剪力。外框架柱的轴向变形对框架斜压杆结构的侧向变形的影响使结构趋 于产生“弯曲”形状，而斜压杆和梁的变形影响使结构趋于产生“剪切”形状。最终 形成的侧向变形形状是弯、剪两种曲线的组合，弯、剪的相对大小决定最终变形形状， 但变形曲线始终属于弯剪型。 3 4 密肋壁板轻框结构简化刚度计算 3 4 1 等效斜压杆的轴向刚度 密肋壁板轻框结构的变形为剪弯组合变形，而纯框架的变形则为剪切型变形。变 形上的这种差异是由于密肋复合墙板极大的减小了柱梁的局部弯曲变形。 在采用空间框架斜压杆模型进行结构分析时，斜压杆的轴向刚度是一个需要 考虑的重要问题，而且轴向丹i j 度的大小直接影响着结构的受力性能和变形形态。 取一个长度等于密肋复合墙板对角线长的压杆作为等效斜压杆，等效斜压杆的轴 向刚度能够满足斜压杆的轴力的水平分量与密肋复合墙板所承受的水平剪力相等，其 轴向变形量能够满足密肋复合墙板在水平剪力作用下的变形。 设密肋复合墙板的抗侧移刚度为世，等效斜压杆的轴向刚度为e a ，如图3 3 所 刁i 。 由虎克定律可知： f ：j ( 3 1 ) 由几何关系得 n = e a 醚 d( 3 2 ) 西安建筑科技大学硕士论文 f = n c o s 日 埘= 占c o s 口 f 一夕，? ，夕 、 胍 ， i j i ：二 ， ： ， r 于是可得 其中 f ( a ) 密肋复合墙板f - # 图( b ) 等旁路 压杆n d 图3 _ 3 等觌簪 压杆的轴向丹i 度 上：丝占c o s 口 c o s 占d f e a c o s 20 占 d k ：里c o s 2 口 d 尉= 丽k 百dc o s f d ：密肋复合墙板对角线的长度； 0 ：等效斜压秆与梁的夹角。 3 4 2 密肋复合墙扳的抗推刚度分析 ( 3 3 ) ( 3 _ 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 假定在墙板开裂以前，加气混凝土砌块和密肋梁、柱变形办调。由于钢筋混凝土 密肋和加气混凝土属于两种不同材料，在计算时按照钢筋混凝土密肋柱与加气混凝土 弹性模量e 的比值将钢筋混凝土密肋柱的截面面积等效为加气混凝土的面积，等效面 西安建筑科技大学硕士论文 积分布均匀，并且关于墙板厚度方向的轴线对称，长度b 与原墙板相同，面积a 则为 等效的加气混凝土板矩形截面。密肋复 合墙板的弹性阶段的抗推刚度以简化所 产_ _ 拘智 得到的加气混凝土矩形