高层配筋砌体建筑弹塑性时程分析程序开发中的若干问题.docx

简介结合我国首幢上海园南配筋砌体高层住宅首先简介了同济大学湖南大学和哈尔滨建筑大学等专家及研究人员所做的实验和计算分析情况然后结合所承担的砌体结构抗震分析软件开发任务指出了现有研究成果中所需解决的几个问题经过分析论证提出了利用已有实验资料用层等效剪切型模型来解决的方案并编制了相应的计算软件作为算例对上海层配筋砌体住宅进行了弹塑性时程分析给出了可供参考的一些初步结论关键字配筋砌体层等效剪切型退化三线性模型弹塑性分析计算软件前言上海园南小区的层混凝土砌块配筋砌体住宅是我国首幢配筋砌体高层建筑同济大学钱义良吴明舜教授结合该工程对配筋砌体进行了系统的研究首先用片配筋混凝土砌块墙体分两组个高跨比为的弯曲破坏墙片和个高跨比为的剪切破坏墙片进行了低周反复荷载下的伪静力实验由实验获得了墙片的力位移滞回曲线进而统计出了两组四线性的归一化的骨架曲线给出了弯曲极限承载力和抗剪极限承载力的计算方法和相关公式最后对该住宅进行了抗震性能分析表明配筋砌体建筑具有良好的抗震性能湖南大学施楚贤教授的硕士生谢小军和哈尔滨建筑大学唐岱新教授的博士生姜洪斌也参与了试验在其论文中分别给出了统计所得无量纲化三线性骨架曲线可能由于分析方法不同分析结果稍有差异但基本上是相同的此外也都参照钱义良教授等的工作讨论了弯曲和剪切承载力问题在此基础上谢小军分别采用层剪切型和层弯剪模型编制了程序并对园南住宅进行了对比计算姜洪斌采用退化弯剪型三线性恢复力模型对该住宅在不同地震烈度不同地震波作用下的地震反应进行了分析判断了在不同地震烈度下工程的最终破坏情况我们在开发砌体结构抗震分析软件时得到了上述单位和砌体标准化委员会的大力支持为完成软件开发工作提供了条件但是在学习和消化前人所做工作的时候发现有些问题各研究者都没交待清楚在与有关人员交换意见的基础上提出了从实验结果出发采用等效剪切型的层间模型对罕遇地震进行弹塑性时程分析的方案并开发了相应软件进行了园南住宅的分析从而得到了一些可供工程参考的结论若干需讨论的问题文献对配筋砌体高层住宅的时程分析都采用弯剪型力学模型指出先按变截面悬臂杆位移计算公式生成柔度矩阵由柔度矩阵求逆获得结构刚度矩阵但是柔度矩阵计算时的惯性矩和面积如何求得都没说清楚由于两人思路不同因此这一作为计算必须的基本数据出入较大那么柔度矩阵计算时的截面惯性矩和面积究竟应如何计算呢显然这是编制程序时必须首先解决的一个问题在中均提到通过层间恢复力模型可求出任一时刻各层的抗侧力刚度然后再由求得和继而重新计算柔度矩阵并求逆得到当前状态新的刚度矩阵但作者都没有明确指出如何由求得和这里有如下问题需要考虑由恢复力模型得到的和弯剪型的刚度元素有何关系作者在弹塑性分析时究竟要用什么模型即使按考虑弯曲影响的层剪切模型计算时与和的关系也应为是层号是墙片号那么如何由上式一个关系来确定当前弹塑性和呢如果说弯剪型先确定和的弹塑性状态变化那么它变化的依据怎么获得呢因为试验只获得剪力和位移的关系并没有给出弯矩和曲率的关系因此如何确定和变化也是必须回答的即使采用中退化三折线的无量纲化的骨架曲线也必须给出结构的极限剪力和位移文献中给出了配筋砌体剪力墙的抗剪承载力平均值的公式文献中给出了其偏心受压状态下的承载力公式而极限位移值均采用墙片的实验值显然一般来说这样得到的骨架曲线弹性刚度和由柔度矩阵所得到的楼层弹性刚度不可能一致因此如何根据实际结构确定骨架曲线上的控制点也是一个必须讨论的问题作为砌体结构抗震软件常规结构按规范进行抗震的抗剪承载力验算是比较简单的如果采用周期的经验公式做基底剪力法验算时可以不建立结构整体计算模型将层间剪力按刚度分配对墙片进行验算即可但是对配筋砌体高层结构情况就不一样了为了进行罕遇地震时的弹塑性时程分析上述一些问题必须给出合理的科学的回答解决方案经过与上述研究相关的人员进行多次磋商后从力学概念出发我们提出了以下解决方案关于截面几何性质既然柔度系数是按变截面悬臂杆来求得因此在层弯剪型模型平截面假定仍成立的条件下墙体对截面整体形心坐标设为轴的惯性矩和面积应按下式求得式中脚标为楼层号为第层的墙片号为第墙片离轴的距离为第墙片形心离轴的距离如果第墙片与轴成斜交则还需运用转轴公式基于上述公式可方便地编制各楼层惯性矩和面积计算的程序借此对园南住宅进行计算可得各标准层的截面几何性质如表所示与文中的对应结果是不同的他们都低估了截面的惯性矩表园南住宅各标准层墙体截面惯性距单位标准层号方向墙片方向墙片全部墙片底层二十八层采用层等效剪切型模型如果认为文中弯曲破坏的墙片与弯剪型结构实际受力变形情况一样也即可以利用其所统计得到的无量纲骨架曲线的话那么实验所得是层间剪力和层间位移的关系因此必须设法将弯剪型等效转换成剪切型更确切地说是层间等效剪切型为了使转换后的层剪切型结构尽可能反应弯剪型的结构特性我们提出利用转换前后结构第一频率振型相同的动力等效准则具体步骤如下用各楼层的和求柔度系数并组成柔度矩阵由结构的质量和柔度矩阵求得弯剪型结构的第一频率和第一振型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按等效层剪切型弹性侧移刚度建立三对角的层相对地面位移作未知量刚度矩阵依据这一步骤编制了相应的计算机程序自动完成弯剪型到等效剪切型的转换对园南住宅由等效转换所得的层间等效弹性剪切刚度如表所示表层等效剪切刚度层号等效刚度层号等效刚度极限承载力和极限位移的确定综合文的恢复力模型决定对弯剪型和剪切型模型采用以下归一化骨架曲线如图所示对计算程序来说将无量纲参数如图设为变量由读入获取变量值那么不管将来进一步研究后参数如何变程序都不需要修改图归一化的无量纲骨架曲线上述无量纲化骨架曲线在具体应用时必须确定两个参数或弹性刚度或弹性刚度考虑到上述解决方案已经解决弹性刚度的计算因此我们考虑采用后两种方案参考砌体结构规范对配筋砌体和无筋砌体墙体的每一墙片其抗剪极限承载力平均值可分别用下式计算式中为配筋砌体墙抗剪承载力的平均值为无筋砌体墙抗剪承载力的平均值为墙的剪跨比墙截面的轴向力为灌孔砌体的抗压强度为砌体沿梯形截面破坏的抗剪强度设计值钢筋抗拉强度平均值钢筋的面积则楼层的极限剪力可由各墙片求和得到也即参照利用文献中实验统计所得无量纲恢复力模型利用层等效弹性刚度和极限剪力简单推导即可得极限位移可按下式计算弯曲破坏剪切破坏式中为楼层的初始弹性刚度对层剪切模型为每层的抗侧移刚度对弯剪模型为每层的等效剪切刚度当采用弹性刚度方案时要由墙片来计算楼层极限位移就目前资料有一定困难为解决非线性分析参照文献以规范规定的楼层极限位移或极限转角作为例如取为为层高基于上述思想解决了前面所提出的三方面问题这样程序的开发就只剩下具体实现非线性地震响应分析所涉及的结构动力学知识了为了使计算精度更好程序采用我们以前提出的高阶单步法为便于用户了解高阶单步法弹性段的计算精度表给出高阶单步法时间步长和法步长的位移速度积分结果从表可看出在相同步长条件下高阶单步精度远高于法法因此进行弹塑性地震反应分析时能更好地反映实际表算法比较园南住宅第层时的结果算法时间步长秒位移米速度米秒高阶单步法法法法法计算实例利用所开发的程序根据文献作者所提供的资料对上海层配筋砌块园南住宅进行了时程分析部分计算结果如表所示进一步更详细的弹塑性分析结果将另文讨论表上海配筋砌体高层住宅剪切型时程分析部分结果层数层高质量剪切刚度度大震最大层间剪力度大震最大层间位移度大震最大层间剪力度大震最大层间位移层层表上海配筋砌体高层住宅弯剪型时程分析部分结果层数层高质量度大震最大层间剪力度大震最大层间位移度大震最大层间剪力度大震最大层间位移层层从计算结果分析可知配筋砌体结构的抗震性能能够满足使用要求根据两种模型结果对比表明剪切型在度大震时第二层倒塌因此按剪切型设计的结果是偏保守的这里需要指出的是按我们所提计算方法计算出的用于判断的倒塌位移比规范规定的验算倒塌位移要小结论本文结合砌体结构设计计算软件包的开发工作对配筋砌体罕遇地震反应分析中的若干问题进行了讨论综上所述可得如下结论本文提出的柔度矩阵计算时的惯性矩面积应按全截面用截面几何性质的计算方法计算从力学观点上看更合理将弯剪型模型进行按第一振型动力特性等效使之能更好利用目前试验结果是一种可行的较合理的方案按砌体结构设计规范计算抗剪极限承载力再配合层间等效剪切刚度或者取规范楼层极限位移作为骨架曲线再配合层间等效剪切刚度从而按具体结构计算与无量纲骨架曲线对应的各控制值是一种比较合理的解决方案配筋砌体结构作为一种新兴的高层建筑结构类型具有良好的抗震性能作者对配筋砌体结构方面的涉足时间不长对许多问题的认识还不够本文抛砖引玉所提出一些看法中的不当之处以供专家学者批评指正和共同商榷参考文献钱义良吴明舜层砼小型砌块配筋砌体房屋墙体的静力和抗震试验研究西班牙配筋砌体研讨会论文集谢小军混凝土小型砌块砌体力学性能及其配筋墙体抗震性能的研究长沙湖南大学姜洪斌配筋混凝土砌块砌体高层结构抗震性能研究哈尔滨建筑大学王光远建筑结构的振动北京科学出版社张永山王焕定等非线形地震反应分析的高阶单步法第八届全国建筑工程计算机应用学术会议论文集浙江绍兴