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钢筋混凝土剪力墙结构具有其自身的独特优势,在当今高层、超高层建筑中得到大量应用。其在小、中、大震下的抗震性能研究成果已较为系统,但巨震下的抗震性能研究还存在严重不足。尤其是智利地震后出现的剪力墙结构严重破坏甚至倒塌的事实证明,对剪力墙结构的地震倒塌行为进行研究是必要的。
本文在对地震中剪力墙结构的破坏特征、倒塌特点研究总结的基础上,设计典型的剪力墙结构算例,采用显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA对巨震下剪力墙结构的倒塌破坏过程进行仿真分析,实现了剪力墙结构倒塌行为的模拟,归纳出巨震下剪力墙结构的倒塌破坏规律。本文的主要工作及研究成果如下:
①应用ANSYS/LS-DYNA软件,通过选取合理的钢筋和混凝土材料本构模型及参数,定义相关材料的失效准则及碰撞接触方式,选择合理的加载制度及控制方式,最终实现了剪力墙结构的倒塌仿真模拟。结果表明采用数值模拟技术可以较好地模拟巨震下剪力墙结构的倒塌行为。
②通过改变连梁的刚度,研究巨震下剪力墙连梁刚度对结构倒塌的影响。结果表明,连梁刚度差异,结构表现出不同的破坏倒塌过程。当连梁刚度较大时,除结构底部破坏严重之外,墙肢沿竖向在结构中部也发生严重破坏,形成薄弱部位,该部位之上连梁破坏较轻,连梁破坏主要集中于该部位之下;当连梁刚度较小时,连梁对墙肢的约束作用较弱,遭受同等强度的地震作用下,结构连梁更容易发生破坏,大多数连梁已经破坏严重,其对力的传递已经很小,这就使得墙肢承担的局部弯矩增加,结构墙肢更容易发生破坏,结构更早发生倒塌。然而,不论连梁刚度强弱,结构底部总是最容易出现破坏的薄弱部位。
③通过对选取的地震波进行调幅,研究不同地震动强度对剪力墙结构倒塌的影响。结果表明,当PGA超过预期设防烈度过大时结构呈现首超破坏模式。
④在依据现行规范设计基础上,对剪力墙底部加强区配筋结果进行放大,研究提高剪力墙底部加强区强度对巨震下剪力墙结构倒塌的影响。可以发现,随着底部加强区墙肢强度的增大,剪力墙结构表现出更好的抗倒塌性能。
希望通过本研究使人们对剪力墙结构的倒塌有深入的理解和认识,推进结构倒塌仿真分析的发展;另一方面希望对今后剪力墙结构的抗倒塌设计提供参考。