樓板對(duì)框架抗震性能影響及方鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析.pdf

1、樓板在結(jié)構(gòu)體系中的主要作用可以分為兩種：一方面，樓板承受豎向荷載，并將荷載傳向豎向構(gòu)件，比如柱、剪力墻等，這是由樓板平面外受彎實(shí)現(xiàn)的；另一方面，樓板在樓層處將所有豎向構(gòu)件聯(lián)系在一起，將風(fēng)荷載、地震力傳給各種抗側(cè)力構(gòu)件，比如框架、剪力墻，這種作用稱為橫隔板作用。通常在結(jié)構(gòu)分析中，將其假定為平面內(nèi)剛性，平面外彈性的薄板。但是，唐山、汶川等震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，很多柱子先于梁發(fā)生破壞，很多建筑結(jié)構(gòu)的樓板在平面內(nèi)發(fā)生了明顯變形，導(dǎo)致震害加劇。所以，對(duì)

2、于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，比如平面、立面形狀不規(guī)則或者平面、立面剛度布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，需要考慮樓板平面內(nèi)變形。但是，目前缺乏在結(jié)構(gòu)分析中能夠模擬樓板平面內(nèi)彈塑性變形的有限元計(jì)算模型?？紤]樓板作用后，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型急劇增大，對(duì)計(jì)算能力、計(jì)算過程掌握能力和計(jì)算結(jié)果解讀能力提出更高要求，并行計(jì)算、計(jì)算機(jī)圖形仿真不失為很好的解決途徑。另外，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種比較新型的結(jié)構(gòu)體系，其構(gòu)件研究相對(duì)充分，但是梁柱連接節(jié)點(diǎn)方面的研究比較欠缺，尤其是樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響。

3、
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)根據(jù)已有的鋼筋混凝土樓板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次提出一種采用假設(shè)的非線性均勻材料、殼元模擬鋼筋混凝土樓板的數(shù)值計(jì)算方法。首先，提出假設(shè)材料的參數(shù)化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，然后根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定公式中參數(shù)，進(jìn)而給出模擬各種強(qiáng)度等級(jí)混凝土樓板的材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。經(jīng)過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明該模型可以很好地模擬鋼筋混凝土樓板的非線性行為，并且在結(jié)構(gòu)整體有限元分析中易于收斂。
　　(2

4、)基于分層殼元建立考慮梁板協(xié)同工作的4種鋼筋混凝土框架有限元模型，并分析考慮梁板協(xié)同工作對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的影響。結(jié)果表明采用剛臂耦合梁板的建模方法可以充分考慮梁板協(xié)同工作，其它方法均有一定誤差，容易導(dǎo)致“強(qiáng)梁弱柱”。
　　(3)針對(duì)端部抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，變換結(jié)構(gòu)層數(shù)、跨數(shù)、板厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一系列結(jié)構(gòu)。分別按照考慮樓板平面內(nèi)變形假定和樓板平面內(nèi)剛性假定建立兩種有限元模型，其中柔性假定結(jié)構(gòu)樓板模型采用本文提出的假設(shè)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。通過

5、動(dòng)力分析，考察各種參數(shù)對(duì)柔性假定與剛性假定兩種地震響應(yīng)比值的影響。結(jié)果表明，在彈性階段，兩種假定的結(jié)構(gòu)基本周期之比與其地震響應(yīng)之比始終有良好的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以周期比是樓板平面內(nèi)變形影響一個(gè)很好的通用評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，兩種假定地震響應(yīng)比值相對(duì)彈性分析大大減小，反映出樓板平面內(nèi)變形的影響減弱。
　　(4)基于交換機(jī)組建微機(jī)集群建立并行計(jì)算平臺(tái)，考察并行計(jì)算對(duì)考慮梁板協(xié)同工作的框架結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算效率。結(jié)果表明對(duì)于中等規(guī)模的有

6、限元模型，集群并行計(jì)算可以提供良好的加速比，對(duì)于更大模型則加速比下降；如果需要高效地求解更大規(guī)模的有限元模型，則需要加大計(jì)算機(jī)內(nèi)存，升級(jí)網(wǎng)絡(luò)速度，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)。開發(fā)了 MATLAB程序，跟蹤數(shù)值計(jì)算每一步結(jié)果，采用三維圖形實(shí)時(shí)展示在集群主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真與圖形仿真的緊密結(jié)合。
　　(5)提出一種新型方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)，并分別按照不考慮樓板和考慮樓板建模，進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)承載力高、剛度大、延性好；樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)剛