剪力墙结构有限元分析

2024-05-24

剪力墙结构有限元分析（精选十篇）

剪力墙结构有限元分析篇1

随着工业化和城市化的日益发展以及科学技术的不断进步,高层建筑由于其节约用地和节省投资等方面的优势而越来越成为建筑形式的首选。与多层建筑结构不同的是,高层建筑中,包括风荷载、地震作用等水平荷载取代竖向荷载而成为结构受力的控制因素,而且由于侧向位移与建筑物的高度四次方的函数关系,需要将侧向位移控制在一定的范围内以满足正常的使用和安全耐久。因此,高层建筑设计过程中的结构选型,主要是选择合适的抗侧力结构体系。高层建筑的结构体系,主要有框架结构体系,剪力墙结构体系,框架—剪力墙结构体系(简称框剪结构体系),筒体结构体系,框架—筒体结构体系和巨型结构体系等。框架结构建筑布置灵活,空间分割容易,使用灵活,但是在水平力作用下一般以剪切变形为主,层间位移较大。剪力墙结构与框架结构相反,它的抗侧刚度较大,在水平力作用下侧向变形较小,但是由于剪力墙间距的要求使得建筑平面布置不够灵活,而且由于结构的自重较大,产生的地震作用也就较大。如果在框架结构中增设部分剪力墙,这些剪力墙可承担大部分水平地震作用,框架构件断面尺寸毋需很大就能满足该结构对侧向位移的要求,且更加经济,这就是框架—剪力墙结构广泛使用的原因。

框架—剪力墙结构体系综合了两者的优点,取长补短,在框架—剪力墙结构中,由于剪力墙的刚度大,将承担大部分水平力,是抗侧力的主体,使得整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承担竖向荷载,提供较大的使用空间,同时也承担少部分水平力。框架本身在水平荷载作用下呈剪切变形,剪力墙则呈弯曲形变形。当两者通过楼板协同工作,共同抵抗水平荷载时,变形必须协调,侧向变形将呈弯剪形。其上下各层的层间变形趋于均匀,各层梁柱结构尺寸和配筋也趋于均匀。由于上述受力变形特点,框架—剪力墙结构比框架结构的刚度和承载能力都大大的提高,在地震作用下层间变形减小,因而也就减小了非结构构件(隔墙和外墙填充墙)的损坏。因此,无论地震区还是非地震区,框架—剪力墙结构都有优势,在我国得到广泛的应用。

2 高层框架—剪力墙结构的受力特点、抗震性能及抗震的基本要求

2.1 高层框架—剪力墙结构的受力特点

框架—剪力墙结构,以其广泛的适用性及良好的抗震性能,被广泛的应用于我国的高层建筑中。众所周知,在框架结构平面的适当部位设置剪力墙来抵抗水平荷载,便形成了框架—剪力墙体系。框架主要作为体系中承受垂直荷载的结构,而大部分水平荷载由剪力墙承担。将剪力墙视为竖向悬臂受弯杆件或剪弯杆件,将框架平面结构作为悬臂剪切梁,考虑框架与剪力墙之间的协同工作,并用连杆连续化。

2.2 高层框架—剪力墙结构的抗震性能

地震是一种破坏性极大的自然灾害,地震发生时,山摇地陷,河溢桥移,高层建筑因之而塌毁者屡见不鲜。自从建筑上的抗震问题突出以来,工程界关于框架和剪力墙结构或者抗震性能为优的问题都存在着争议,通常情况下,结构的延性是抗震性能的主要度量标准,所以结构柔度越大,抗震性能越好,框架延性好,柔度大,似乎框架比剪力墙结构更有利于抗震,但是日本1977年新抗震设计规范指出“对于墙数量多的建筑物一般情况下抗震强度高,而近于纯框架的建筑物抗震强度较低”,框架式钢筋混凝土建筑物虽然抗震经验很多,但多墙的建筑物大部分震害都是很轻微或无震害,不设置墙体和布置不均匀的建筑物实际上在地震时都会遭到显著的破坏,新西兰1976年标准和1982年标准指出:连肢悬臂延性剪力墙可能是现今钢筋混凝土结构中最好的抗震结构体系,它的延性与框架相似,但还是有以下优点:刚度大,即使连系梁达到屈服,仍能有力地保护非结构构件免于破坏。

2.3 高层框架—剪力墙结构的抗震基本要求

我国《抗震规范》对各类结构抗震设计都有明确的规定,其中对结构抗震体系方面的各项要求主要有以下几方面:

1)应具有明确的计算简图及传力途径。

2)宜有多道抗震设防防线,避免其部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力。

3)应具备必要的强度和良好的变形能力及耗能能力。

4)宜具有合理的刚度和强度分布,避免因局部削弱或突变薄弱部位产生过大的应力集中或塑性变形集中,对可能出现的薄弱部位应采取措施提高抗震能力。

3 目前框架—剪力墙结构体系抗震分析的主要方法

关于框架与剪力墙协同工作的计算,目前国内外的方法很多,可归纳为:手算法、电算法。

手算法是在一定假定基础上的近似简化计算方法。它将剪力墙平面结构视为等效的弯曲杆件,将平面框架结构视为悬臂剪切梁,考虑综合之后的剪力墙与框架协调工作,再将协调的各层杆件连续化,从而建立剪力墙与框架之间的协同工作微分方程,求解微分方程可得结构体系的位移和内力,进而获得各杆件的内力。用手算法计算框剪结构的协同工作时,由于选取的基本未知量不同,又可分为侧移法和角变法两种。

电算法常用矩阵位移法求解,它是一种较为精确的计算方法,主要思想为:取节点的位移为基本未知量,将结构离散为单元,建立单元刚度方程,即{F}=[K]{δ},将单元集成整体,并满足节点处的变形连续条件(通过杆端位移等于节点位移来实现)和平衡条件,建立结构的整体刚度方程,即{F}=[K]{δ}。求解总刚度方程,得节点位移{δ},进而可计算各杆的杆端力。

4 高层框架—剪力墙中剪力墙数量优化确定的意义

高层建筑中,钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系既能提供较大的使用空间,又具有良好的抗侧能力,已被广泛用于各类建筑中。框架—剪力墙结构中,剪力墙配得太少时,对抵抗水平荷载作用的帮助很少,结构产生很大的侧向变形而无法满足安全和使用要求;剪力墙配得太多时,既增加了材料用量、增大了结构自重,又减小了结构自振周期,增大了地震作用效应,造成了经济上不必要的浪费。所以,合理地确定剪力墙数目(剪力墙的总抗弯刚度EIw),是关系到结构安全性与技术经济合理性的关键问题。

在进行结构设计时,框架—剪力墙结构中剪力墙刚度的确定,除了必须满足强度条件外,还必须使结构具有一定的侧向刚度,以免在地震作用下产生过大的变形。因此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价。结构刚度选择过小,会因结构产生过大的变形而无法满足使用要求;剪力墙刚度过大,则结构自振周期相应减小,地震荷载相应增大,从经济上讲造成不必要的浪费。在初步设计阶段,简捷、正确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算。因此正确选择剪力墙刚度是一个很切实的问题,也是目前工程界普遍关注的问题之一。

5 框架—剪力墙结构的地震响应有限元分析的方法

进行框架—剪力墙结构的地震响应有限元分析,首先应对框架—剪力墙结构的协同工作进行分析,通过协同工作的微分方程推导出框架—剪力墙结构在不同荷载形式下的位移解析解,采用位移曲线二阶求导的方法求出最大层间位移角,以结构协同工作的连续化分析及我国现行抗震设计规范反应谱理论为出发点,以结构地震作用最小为目标函数,最大层间位移角为约束条件对三种常见的荷载作用形式下的框架—剪力墙结构中的剪力墙进行优化并建立优化模型。认为在满足最大层间位移角限值的条件下,结构地震作用最小时的剪力墙数量即为最优剪力墙数量。该模型反映出结构高度H,结构自重G,场地特征周期Tg等因素对剪力墙合理数量的影响。其次利用MIDAS/GEN对框架—剪力墙结构进行有限元分析,从强度和变形两方面来检验框架—剪力墙结构的安全和抗震可靠度。通过对结构的正确规划,建立符合实际的有限元模型,以使有限元模型能准确模拟静力分析和动力分析。根据该结构各构件的受力特征,将整个结构模拟为空间梁、板单元的三维整体计算模型,并对有限元分析模型进行静力、反应谱法及时程分析的动力计算。

通过对结构进行模态分析,得出结构的振动特性即固有频率和振型,然后通过振型分解法,验算在地震作用下墙体的剪力设计值以及各楼层的位移值,并通过计算公式对结构在地震作用下的承载力的验算与对比,得出结构的抗剪承载能力和储备。

通过时程分析,验算结构各层层间剪力的时程变化,以及各层层间剪力在整个地震波的时间历程中的最大值;验算结构各层的层间位移和楼层总位移的时程变化,以及各层层间位移和楼层总位移在整个地震波的时间历程中的最大值,从强度和变形两方面来检验剪力墙结构的安全和抗震可靠度。验算结构各层的层间剪力和位移的时程变化,以及各层层间剪力和位移在整个地震波的时间历程中的最大值。

本文阐述的框架—剪力墙结构的地震响应有限元分析的方法,吸取了国内外先进的分析设计思想与方法,并加以创新,对框架—剪力墙结构体系的分析设计具有较好的参考价值。

摘要：进行了框架—剪力墙结构的地震响应有限元分析,从强度和变形两方面来检验框架—剪力墙结构的安全和抗震可靠度;通过对结构进行模态分析,得出了结构的抗剪承载能力和储备,该方法对框架—剪力墙结构体系的分析设计具有一定的指导意义。

关键词：框架—剪力墙结构,地震响应,有限元,抗震性能

参考文献

[1]王全凤.高层建筑结构优化、动力和稳定的实用计算[M].福州:福建科学技术出版社,2002.

[2]B.B.史密斯,A库尔.高层建筑结构分析与设计[M].北京:地震出版社,1993.

[3]王全凤,施士升.框架—剪力墙高层建筑结构抗地震作用剪力墙数量的优化分析[J].土木工程学报,1981,3(14):1-12.

剪力墙结构有限元分析篇2

关键词：建筑结构；剪力墙；优化设计；应用分析

引言

随着我国经济社会的不断发展，推动着我国建筑业得不断向前发展。现代高层建筑越来越向多功能的综合用途发展，人们对高层建筑平面空间的设计要求越来越高，普通的框架结构显然已不能满足人们对高层建筑室内空间的使用和整体美观的愿望。剪力墙从纵向及横向来承担荷载，其刚度有力地抗击着水平荷载，已经被高层建筑结构设计广泛使用。因此，不断地追求新的结构模式是未来建筑业发展的目标。

一、剪力墙结构的种类及分类依据

目前，剪力墙结构被广泛应用于建筑结构的设计中，种类主要有四类：①有壁式框架的剪力墙。这种剪力墙的特点是洞口的尺寸比较大，墙肢线刚度与连梁线刚度非常接近，受力墙在受力后呈现剪切型，这种受力特点和框架结构非常相似。在高层建筑中采用这种剪力墙容易出现反弯点，在楼层处反弯图也有可能发生突变。②截面剪力墙或者实体墙。这里所说的截面剪力墙是指墙体不开洞或者所开洞的面积不超过15%。这种类型的剪力墙在受力后变形主要呈现为曲型，整体上看这种剪力墙像是一个悬壁墙，弯矩图上不存在弯点，在楼层处的反弯图中也不可能发生突变。③双肢或者多肢剪力墙。这一类型的剪力墙的特点是开口比较大，而且洞口一般成列分布。④整体小开口剪力墙。这一类型的剪力墙开口普遍较小，但是开洞的面积比较大，一般不低于15%。整个剪力墙在受力后主要的变形方式是弯曲型，在整个墙肢上几乎没有反弯点，但在弯矩图的中心位置容易发生突变。

二、建筑剪力墙结构设计的要求

1、平面结构布置

平面结构要具有良好的整体性，同时要做到简单、均匀对称、规则，对于长度、宽度比较大，或者不规则的平面结构，要设置合理的温度伸缩缝，从而有效地提高结构的整体性，为增强抗扭效果，要尽量沿着周边布置剪力墙，对于质量中心和结构刚度中心偏差比较大的結构，在地震作用下，受扭转力的影响会产生巨大的破坏，因此，在设计过程中要注意尽量将质量中心和结构刚度中心重合在一起。

2、垂直结构布置

由于垂直受力构件在转换过程中，会对建筑的垂直刚度造成影响，如果发生地震，这部分就会成为抗震的薄弱环节，因此，要对剪力墙转换层上下结构的刚度进行严格的控制。转换层的转换构建在传力过程中要尽量做到简单、直接，避免出现水平方向的多级转换和转换次梁的现象。由于剪力墙转换梁上一层墙体和中间支柱承载的垂直荷载比较大，因此，要尽量避免在这些部位设置门洞，同时要尽量加强转换层下部剪力墙的刚度。转换层会对上下传力构件的直接传力造成影响，因此，要将转换层上部的垂直抗侧力构件直接设置在转换层主结构上，防止出现多级转换的现象。

三、建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用

对于剪力墙结构的设计是一个非常复杂、专业的过程，其中具有着很多个设计步骤。对此，就需要我们在对剪力墙结构进行设计之前就能够对剪力墙结构设计的步骤进行充分的了解，并对墙肢所具有的厚度与长度进行确定。之后，则需要开展连梁以及边缘构件的设计，最终对地震荷载进行计算。

1、墙肢长度与厚度的设计

1.1 剪力墙厚度

根据抗震规范规定要求，当高层建筑抗震等级为一、二级抗震设计人员需要对剪力墙底部进行加强，其墙厚应大于200mm，而且大于高层建筑层高1/16，对于非加强区域墙厚不得低于160mm，在进行剪力墙设计过程中，设计人员如遇特殊情况，应对高层建筑展开概念设计分析，积极控制与调整墙肢轴压的数值，确保高层建筑的连续性，确保剪力墙结构设计满足规范要求。

1.2 墙肢长度

在设计过程中，设计人员对高层建筑剪力墙结构长度有着明确控制，墙肢长度一般低于8m，因此在剪力墙结构设计过程中设计人员应保证剪力墙体系延性，为了消除剪力墙结构发生脆性破坏，可把剪力墙的高宽比大于3，增强剪力墙的延性，在地震作用下使其发生弯曲破坏，在以往设计过程中笔者发现墙体过长，为了确保墙体的高宽比值大于3，可通过开设洞口等措施将长墙分割成具有均匀性肢墙，对于洞口

2、连梁的设计

在剪力墙结构中，在水平荷载的作用下，墙肢会发生变形，从而引起连梁产生内力，这时连梁端部的内力会减小连接墙肢产生的变形内力，从而约束墙肢变形，连梁对剪力墙结构十分重要。连梁超筋是剪力墙连梁常见的问题，其本质是剪力剪压比无法满足相关要求，当墙段比较长时，连梁容易超筋的部位大多集中在中间段；当墙段中墙肢截面高度相差比较大，并且分布不均匀时，墙肢处连梁容易出现超筋现象。出现连梁超筋现象后，可以采用以下几种方法进行处理：①可以通过调整剪力墙中连梁弯矩剪力塑形进行处理；②根据实际情况，适当的减少连梁截面高度；③当连梁破坏对垂直方向的荷载影响不大时，可以从地震作用的角度进行思考，放弃使用该连梁，计算独立墙肢在多遇地震情况下的结构内力，墙肢配筋则应按照两次计算得出的大内力进行。

3、边缘构件的设计

边缘构件也是我们在剪力墙设计过程中非常重要的一项工作。对于边缘构件而言，有约束边缘构件的矩形截面剪力墙和无约束边缘构件剪力墙相比有着明显的优势，具有着更高的基线承载力，同无约束情况相比其承载力能够提升约40%左右。而在类型方面，边缘构件主要有构造边缘构件以及约束边缘构件这两种，在实际应用的过程中都需要我们在联系建筑实际情况的基础上对其进行设置。

4、地震荷载及内力设计

如果建筑主体结构布置情况较为简单，那么我们在对剪力墙结构进行设计时则可以通过空间协同平面框架的应用对其进行计算。而如果建筑主体结构布置情况较为复杂，我们则可以通过空间分析程序对其位移、内力等因素进行分析。同时，在实际设计过程中，我们也需要以简化计算的原则开展设计工作，且在对地盘长宽进行计算时需要能够在结合建筑主体结构长宽的基础上对其开展分析工作，并尽可能地以成比例的方式进行设计。

四、剪力墙结构设计优化措施

1、加强大墙肢的结构处理

在设计过程中笔者发现剪力墙结构由于本身具有延伸性要求，对此在实际施工过程中也应具备其延展性能，设计人员应重视剪力墙结构整体性工作，剪力墙在实际破坏中以弯曲破坏为主，极易造成脆性破坏，这对结构的抗震极为不利。针对这种情况设计人员对于墙肢较长的剪力墙设计不仅满足承载力要求还需进行分层设计，将其分割成为均匀单元，对于较短墙肢在受弯条件下出现裂缝较小，从而能够有效发挥墙体配筋作用，为消除这些不利现象出现，对于墙肢长度超过8m可选择下列处理措施：第一，开设施工洞，在施工过程中需对墙体孔洞预留，同时对预留孔洞需布置填充墙，这样能够将长墙肢隔成短墙肢。第二，开设计算洞，设计人员主要在结构计算时假设其有洞，但在实际施工过程中仍为混凝土墙，这种计算洞的开设，能够发挥墙肢配筋性能。

2、加强剪力墙结构均衡设计

在高层剪力墙建筑结构设计过程中，设计人员应当采取恰当优化措施实现结构受力均衡，不仅能够提高剪力墙结构安全度，还能够控制工程的投资造价，设计人员根据剪力墙的平面布置情况能够真正实现剪力墙结构的设计优化，根据施工现场条件，制定正确的剪力墙设计方案，设计人员加强剪力墙施工质量的督查，制定科学的施工管理机制，强化施工管理人员的安全意识，要求其按照操作流程与设计图纸进行施工作业。

结束语

剪力墙结构在建筑工程中有十分广泛的应用，在进行剪力墙结构设计时，要根据建筑工程的实际情况，确保制定的剪力墙结构施工方案既符合施工质量标准，又能满足经济要求，从而为建筑工程的施工质量提供保障，有效地促进和谐和会的构建。

参考文献：

[1]梁润柏.在建筑结构设计中剪力墙结构的应用分析[J].中国房地产业，2013，（04）：125-126.

[2]康恒.高层住宅建筑剪力墙结构的设计与分析[J].科技创新导报，2012，（18）：141-142.

剪力墙结构有限元分析篇3

1 薄壁柱模型

1.1 模型假定

中国建筑科学研究院开发的TBSA程序和TAT程序是采用薄壁柱力学模型的优秀软件,本节以TBSA为例来对薄壁柱模型进行分析。薄壁柱模型作如下假定:每一个独立结构层的楼板在其平面内的刚度为无限大,在其平面外的刚度可以忽略不计,剪力墙模型化为空间杆单元,每端有个自由度与普通柱相比增加了一个截面翘曲自由度,也就是薄壁柱单元。刚性楼板假定使得结构的自由度大大减少,同时薄壁柱模型采用的是薄壁杆件来模拟剪力墙,仅比普通柱多增加了一个截面翘曲的自由度。

1.2 薄壁柱的特点

薄壁柱模型是以一个带有截面翘曲自由度的薄壁杆件来模拟剪力墙,考虑了非平面变形的影响,基本上反映了剪力墙这类薄壁构件的力学特性,其最大的优点在于自由度少、计算简单,使得高层建筑的计算得到简化,对于结构高度较大、结构布置规则特别是竖向布置规则的结构,分析结果比较理想。但薄壁柱构件作为一种杆件单元,是通过点接触来传递力,在剪力墙洞口不对齐的情况下,要求人为的设置洞口来保证结点对齐,难以真实反映剪力墙原型的位移场和应力场。另外,在用薄壁杆件理论分析剪力墙时,由于剪力墙洞口左右两侧只有一个变形协调点,因此,对于开洞剪力墙上下洞口之间的部分用连梁来模拟,这种方法实际上削弱了剪力墙原型的变形协调关系,使得分析结果偏柔。

2 墙组元模型

2.1 模型假定

墙组元模型是一种改进的薄壁杆件模型。通常把在层高范围内连接在一起的一组墙称为一个墙组,墙组元用截面任意参考点的两个横向位移Ux,Uy和截面扭转角θ,以及各结点的竖向位移W1,W2…来描述变形状态,未知量的个数随结点增加而增加,是不固定的。在墙组元模型引入如下假定:1)沿墙厚方向,纵向应力均匀分布;2)切向正应力σs,轮廓法线正应力σn,与纵向应力σz比较可以忽略,因而根据虎克定律可得;3)墙组截面形状保持不变即认为截面在其平面内是无限刚性的

2.2 墙组元的特点

墙组元模型实际上是对薄壁柱模型的一种改进。墙组元采用竖向位移作为未知量,多点直接传力,变形协调,对截面的描述直观,具有一般有限元的优点。墙组元包含的自由度比薄壁杆件模型要多,但比通用有限元的自由度要少,是一种介于杆件单元与连续体有限元之间的分析单元。

3 壳墙元模型

3.1 模型假定

在SATWE程序中对剪力墙的模拟采用的是壳墙元模型,随着理论的进步和实际工程的应用,SATWE的壳墙元也经历了不断改进与完善的过程。比较早期采用的壳墙元模型是在四结点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成的,这种薄壳为平面应力膜与板的叠加,平面应力膜单元采用的是“广义协调条件构造的具有旋转自由度的四边形膜元”,板采用的是“基于离散Kirchhoff理论的四结点等参元”。壳元的每个结点有6个自由度,其中3个为膜自由度(u,v,θz),3个为板自由度(ω,θx,θy)。

3.2 壳墙元的特点

SATWE中采用的壳墙元的模型假定符合剪力墙的实际情况,可以真实反映剪力墙的应力—应变规律,是一种高精度单元。同时壳墙元的每个结点都具有空间的全部6个自由度,能够方便的与柱、梁等空间构件自然变形协调,可以很好地模拟剪力墙与柱、梁等构件的连接特性。相对于薄壁杆件模型,壳墙元模型也带来了结点自由度增多、计算量增大的问题。在壳墙元模型推出的最初阶段,这一问题比较突显,随着计算机软硬件技术的进步,已经逐渐缓和并最终得到解决。

4 板—梁墙元模型

板—梁墙元模型是以膜元、边柱和层间处刚性梁来模拟层高范围内的一片剪力墙,把无洞口或者较小洞口的一片剪力墙模型化为一个墙板单元,把有较大洞口的一片剪力墙模型化为一个由墙板单元和连梁组成的板—梁体系,把洞口两侧部分作为两个墙板单元,上下层剪力墙洞口间部分可作为连梁也可作为墙板单元(如图1所示)。墙板单元由膜单元边梁和边柱组成,膜单元只有墙平面内的抗弯,抗剪和抗压刚度,平面外刚度为零,边梁为一种特殊的刚性梁,在墙平面内的抗弯,抗剪和轴向刚度无限大,垂直于墙平面的抗弯,抗剪和抗扭刚度为零,边柱的作用为等效替代剪力墙的平面外刚度,边柱可能是实际工程中的一根柱,也可能是人为虚拟的柱。板—梁墙元的引进使剪力墙的几何描述和前处理得到简化,避免了剪力墙的单元划分,使得自由度数有所减少,分析效率也得到了提高。

在板—梁墙元模型中,是按照“柱线”来把剪力墙划分为一个个墙板单元的,为了使上下层之间的墙板单元角点变形协调,模型要求整个结构从上到下“柱线”对齐、贯通。此外,将剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元,实际上削弱了结构中连梁对墙肢的约束,使得结构整体计算分析的结果偏柔。

5 通用有限元模型

除了以上提到的各种剪力墙模型以外,SAP2000,ANSYS等通用程序也可用来对高层建筑结构进行分析设计在这些通用程序中,单元类型非常丰富,并且能根据结构的实际情况进行单元划分,计算模型最为接近实际结构,通常使用它们对特殊结构或者结构的特殊部位进行更深入的线弹性或非线性分析,依靠其准确的计算结果作为不同结构分析软件计算结果的参考。但是,通用有限元程序的前后处理功能比较弱,因此尽管计算结果较为准确,但仍然不易将它们直接地运用于追求高效的结构设计领域中。

6 结语

1)本文概括地介绍了薄壁柱、墙组元、壳墙元的力学模型,并简单介绍了板—梁墙元以及通用有限元的力学模型;

2)分析各种墙单元的有限元模型,比较了各种墙单元有限元模型的特点,以及各自在工程中的应用情况;

3)通过对剪力墙单元力学模型的比较分析,了解各个模型的假定有助于深入认识不同结构分析软件的特点

摘要：介绍了薄壁柱、墙组元、壳墙元、板—梁墙元以及通用有限元的力学模型,阐述了各种模型的假定,分析了各种墙单元模型的特点以及各自在工程中的应用情况,通过对剪力墙单元力学模型的分析,有助于深入认识不同结构分析软件的特点。

关键词：建筑结构,剪力墙,有限元,模型

参考文献

[1]杨云艳.TBSA与PKPM在多层计算中的差异[J].油气田地面工程,2006,24(6):31-32.

[2]中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

剪力墙结构有限元分析篇4

近些年来，科学技术日新月异，在此背景下，国内外建筑行业的发展取得较为显著成就。对于现代建筑施工技术而言，相关框架剪力墙施工技术是一项极为重要的技术，因此该技术也在现代建筑中应用较为广泛。将框架剪力墙应用于建筑工程中，对建筑抗震性能提升起到了很强的作用，与此同时，其建筑稳定性也得到切实的保障，大大降低了建筑成本，为施工团队节省了预算开支。可见框架剪力墙存在多方面的优点，所以也引起了社会关注，在建筑领域的应用也越来越广泛。

1框架剪力墙结构的特征

框架剪力墙的实质上是钢筋墙板，位于工程项目的承重结构之上。和传统的柱梁比较，剪力墙结构与之存在较大的区别[1]。在受力方面，剪力墙结构的特点更加明显，能够很好地看出。框架结构所承受的建筑重量，先由楼板进行承担，紧接着是次梁承担，然后是柱梁、柱体依次承担，依次向下传递直至地基上。这种受力系统对于竖向荷载的承受起到了很大的作用，但是水平方向的荷载却存在很大问题，然而，剪力墙结构却在此该方面进行很好地补充。对于来源于建筑物的荷载，剪力墙结构可以协同建筑框架进行承受，这种分配受力的形式可以将该结构的延展性很好地提升，同时，该结构本身的刚度很强，所以对于一定程度的地震所引起的强大剪力，该结构可以很好地承受。当建筑物承受了来自水平方向的荷载压力，其压力相对较大，框架结构会呈现剪切型的侧向变形，剪力墙则会呈现弯曲型的变形。如果建筑楼板属于剪力墙结构的，其水平面上出现刚度加强的情况，由于剪力墙与框架紧密连接，所以其结果是二者协同变形，而此时出现的变形呈现弯剪状，这是反s形的变形曲线，是剪力墙结构独特的变形形式。由于协同变形的作用，建筑结构所承受的剪力相关因素会随着高度变化不断发生调整，比如其剪力力度以及分布位置、剪力墙荷载情况以及框架等都会发生变化。在建筑下方的剪力墙，其位移发生比较小，一般情况下，框架会被其拉入，并且发生标准为弯曲型的变形，也就使得剪力墙自身所承受的荷载为原来水平方向的，因此，框架剪力墙结构实际是巧妙结合了剪力墙以及框架二者的优点，进而有效提升了建筑的自身的安全以及稳定性能[2]。想要将框架剪力墙结构很好地完成，就必须有效掌握空心砌块、模板工程、混凝土工程、钢筋工程这四项基本的施工技术。

剪力墙结构有限元分析篇5

关键词：建筑工程;剪力墙;结构设计

前言：

建筑随着生活水平的提高，建筑产业逐渐成为我国的支柱产业，人们对建筑的要求越来越高，为了使建筑设计更满足社会的需要，建筑设计必须有所改善和提高。剪力墙结构技术有利于建筑的质量和美观的提高。剪力墙结构设计技术发展已成为一种必然趋势。

一、剪力墙结构的特点

剪力墙结构是采用钢筋混凝土承受水平与竖向力，使结构水平力大道平衡的结构剪力墙。剪力墙的结构有很多种，根据剪力墙的结构，剪力墙又可以称为结构墙、抗震墙、挡风墙等。剪力墙在建筑中起核心支撑作用，既担当骨架的角色，又承担了建筑的负荷力。剪力墙结构有抗震性强、刚度好和抗侧刚度大等优点，在建筑工程中发挥了重大作用，所以广受设计师的青睐，被设计师广泛应用于建筑设计当中，剪力墙结构设计已经成为建筑设计中一种必不可缺的重要体系结构。

二、剪力墙结构的分类

根据剪力墙的截面墙体开洞与否以及开洞洞口的大小，可以将剪力墙分成四类，分别是实体墙、多肢剪力墙、有壁式剪力墙、小开口剪力墙。其中除了实体墙不开洞，其他都开洞，但开洞的大小不同。

2.1 实体墙。没有开洞，或者开洞面积小于 15% 的剪力墙称为实体墙，也可以称为截面剪力墙。实体墙受到外力变形主要是弯曲型，实体墙的承受能力比较强，一般不会出现反弯或是突变的情况。

2.2 多肢剪力墙。墙体开洞面积比较大，且洞口成列分布的剪力墙称为多肢剪力墙，这种剪力墙的受力不会有任何异常情况发生。

2.3 有壁式剪力墙。墙体开洞面积非常大，墙肢线和墙体连梁线上的刚度与剪力墙接近的剪力墙是有壁式剪力墙，这种剪力墙在受力的时候容易反弯，还可能突变。

2.4 小开口剪力墙。墙体开口小，但开洞面积偏大的剪力墙是小开口剪力墙，小开口剪力墙受到外力变形，一般呈现的是弯曲型，不会出现反弯的现象，但是弯曲的中心位置容易出现突变的现象。

三、剪力墙结构设计所遵循的原则

3.1 调整剪力墙连梁超限原则。

在设计剪力墙结构过程中，如果连梁的跨高不足 2.5 时，容易使剪力墙出现弯矩的现象，所以，在设计剪力墙结构过程中，剪力墙连梁跨高比要遵循大于 2.5 的原则。但不是越大越好，当比值过高时，容易造成剪力墙结构异常。所以，设计剪力墙结构的过程中，一定要调整剪力墙连梁超限状况，

保证工程质量。

3.2调整楼层间最大位移和楼层高原则。

一般建筑设计过程中，都会对楼层间的剪切变形与扭曲变形进行着重处理。竖向构件控制楼层的剪切变形，如果剪力墙的结构设计不合理，竖向构件的量过多时，会导致剪切墙剪重比例过大，从而楼层之间出现扭转变形的现象，剪重比例越大，楼层之间的扭转变形现象越严重，楼层之间越难实现位移。所以，要调整好楼层之间的位移，就要减小楼层之间的扭曲。这就提出了调整好楼层间最大位移和楼层高的要求。

3.3 遵循主轴为中心，向周围延伸原则。

在设计剪力墙结构的过程中，应该以主轴为中心，向周围延伸，使各方向的剪力墙都尽可能的连接在一起的，同时还要避免拉通对直现象的出现。为了保证建筑工程的安全可靠性，尤其需要避免单方向有墙现象的出现。剪力墙的分布需要保证数量均匀相等，并不是一种随机的分布，剪力墙的抗侧力的刚度过大或者是过小，都会影响剪力墙性能的发挥。

四、剪力墙结构在设计中容易出现的问题

剪力墙结构设计在建筑工程中发挥了重要作用，是建筑最重要的一部分。剪力墙结构设计的好坏直接影响了建筑工程的好坏。在设计剪力墙结构的过程中，要控制好剪力墙的侧向刚度，侧向刚度过大，地震的作用也会越大，建筑工程就会显得很不合理、不经济。进行抗震力设计时，很多设计师会把较短的墙段当做构造边缘构建或是约束边缘构建，然后将需要的纵向钢筋全都均匀的分布在整个墙段里，由于墙肢和轴周围的钢筋都不可以发挥作用，所以这样做很不合理，纵向的钢筋一定要向墙肢端集中。同时还需注意的是，墙肢的长度大于墙厚的 3 倍时，必须根据柱的设计要求，来计算箍筋的所需量。

五、剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

5.1 对大墙肢的处理。

建筑结构中的剪力墙结构必须具有延性，剪力墙结构的宽高比小于 2 时，剪力墙就会具有很好的延展性，容易弯曲破坏，从而使剪力墙免受脆性剪切的破坏。当剪力墙的长度过长，为了使每个长墙都可以均匀的成为独立的墙段，确保剪力墙的每个墙段的宽高比可以大于 2，必须将长墙进行开洞分割处理，从而减小墙段因受弯而引起的裂缝的宽度，确保钢筋发挥良好的支撑作用。当墙肢的长度大过 8 厘米时，整个楼层的力量大都是由这些过长的墙肢来支撑，当地震发生的时候，最先被破坏的就是这些过长的墙肢，那些偏小的墙肢因为配筋不足，不足以支撑墙肢，所以容易使墙肢全被受损。当墙肢的长度大过 8 厘米的时候，需要具体情况具体分析如何开施工洞与计算洞。

5.2 合理的平面设置。

建筑结构中的剪力墙结构应该有合理的平面设置，结构设计过程中要以主轴为中心，向主轴方向和四周展开布置。布置剪力墙的平面时，要严格遵守对称与均匀的原则，使建筑墙的每一面的质量中心与刚度中心重合，对每一面墙都应尽力做対直拉通处理，减小剪力墙的扭曲程度。剪力墙结构的抗侧力刚度要控制好，不宜过大，为了充分发挥剪力墙的承载能力以及抗侧力，增大空间利用率，剪力墙间的密度不宜过大。

六、结束语

随着社会的发展，剪力墙的应用越来越广泛，剪切独具特色的墙，抗震能力强，安全可靠度非常高，而且还能节省建筑成本，对建筑结构发挥了至关重要的作用。但剪力墙在结构设计过程中也存在了很多问题与缺陷，严重制约了剪力墙结构的发展。我们应该采取科学的方法，遵循设计原则，对剪力墙结构进行设计，充分发挥剪力墙结构的优势，使建筑工程达到安全又能降低建筑成本的效果，使建筑工程业能快速稳定的持续发展。

参考文献：

[1] 王燕 . 剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用 [J]. 工程技术 .2013.

剪力墙结构有限元分析篇6

带缝钢板剪力墙是一种很好的多高层抗侧力结构,适用于高烈度地震区。带缝钢板剪力墙是指用激光在钢板上开设宽约为10 mm的狭缝,狭缝的开设,使其受力性能同并列壁柱相似。在水平荷载的作用下,弯矩最大点出现在墙肢的上下端部。随着荷载的增大,在弯矩最大处首先发生屈服现象,并随着屈服区域的扩展来消耗地震能量[1]。本文使用ANSYS有限元软件分析了带缝钢板剪力墙在ELCentro波、Taft波100 cm/s2、200 cm/s2、400 cm/s2加速度作用下的抗震性能。

1有限元计算模型

为了研究带缝钢板剪力墙在地震作用下的抗震性能,按照我国钢结构设计规范[2]以及建筑抗震设计规范[3]的要求,设计了一个单层带缝钢板剪力墙结构,具体尺寸参考文献[4]见表1。整体结构下端固结,上端滑动,左右两边为自由端。

带缝钢板剪力墙屈服强度取fy=235 MPa,弹性模量E=2.06×103 MPa,泊松比υ=0.3,钢材处于屈服阶段时服从VonMises屈服准则和相关流动准则,假定钢材均为理想弹塑性材料。为了书写方便,带缝钢板剪力墙单元用P表示。

2地震波的选取

采用EL Centro地震波(1940),taft波,时间间隔皆为 0.02 s,共作用20 s。

3带缝钢板剪力墙顶点侧移时程曲线与基底剪力曲线对比分析

带缝钢板剪力墙结构在EL Centro 波、taft波不同加速度作用下,结构的顶点最大侧移曲线如图2、图3所示,最大侧移值及出现时刻见表2。

从图2、图3可以看出,带缝钢板剪力墙在EL Centro 波、taft波,100 cm/s2、200 cm/s2、400 cm/s2加速度作用下,位移很小,顶点位移时程曲线形状几乎一致,数值大约为2倍关系。

从表2可以看出,带缝钢板剪力墙在EL Centro 波,100 cm/s2、200 cm/s2加速度作用下,顶点位移最大时刻出现在2.48 s。加速度为200 cm/s2的最大位移为加速度100 cm/s2的最大位移的2倍。400 cm/s2加速度下,顶点位移最大时刻出现在2.46 s,最大位移为0.90 mm,最大位移为200 cm/s2加速度下的2.5倍。三种地震波加速度下,顶点最大位移均出现在地震波峰值之后。带缝钢板剪力墙在taft波,100 cm/s2、200 cm/s2加速度作用下,顶点位移最大时刻出现在9.1 s,即地震波峰值时刻,200 cm/s2加速度作用下的最大位移为100 cm/s2的最大位移2倍。400 cm/s2加速度下,顶点位移最大时刻出现在9.08 s,最大位移为0.81 mm,最大位移为200 cm/s2加速度下的1.8倍。在100 cm/s2、200 cm/s2、400 cm/s2地震波加速度作用下,带缝钢板剪力墙顶点最大位移出现在地震波峰值时刻 9.10 s。

带缝钢板剪力墙在EL Centro 波、taft波,100 cm/s2、200 cm/s2、400 cm/s2加速度作用下,顶点最大位移为0.9 mm,没有超过钢结构规范中规定的弹性层间位移转角限制H/300(本文为2 600/ 300=8.7 mm)。

4带缝钢板剪力墙滞回性能对比分析

带缝钢板剪力墙在EL Centro波、taft波作用下的滞回曲线如图4、图5所示.。

从图4、图5可以看出,带缝钢板剪力墙在400 cm/s2加速度作用下的滞回曲线比100 cm/s2、200 cm/s2加速度作用下的滞回曲线面积大。滞回曲线成梭行,荷载和位移之间基本呈直线变化,结构的刚度值基本不变,表明结构处于弹性工作阶段,结构尚未屈服。

5结论

(1) 带缝钢板剪力墙在EL Centro

波、taft波,100 cm/s2、200 cm/s2、400 cm/s2加速度作用下,顶点最大位移为0.9 mm,没有超过钢结构规范中规定的弹性层间位移转角限制H/300(8.7 mm)。

(2) 带缝钢板剪力墙在400

cm/s2加速度作用下的滞回曲线比100 cm/s2、200 cm/s2加速度作用下的滞回曲线面积大。滞回曲线成梭行,荷载和位移之间基本呈直线变化,结构的刚度值基本不变,表明结构处于弹性工作阶段,结构尚未屈服。说明带缝钢板剪力墙抗震性能良好。

参考文献

[1]袁朝庆.周边与钢框架固结的带缝钢板剪力墙结构滞回性能分析.地震工程与工程振动,2008;24(1):63—67

[2] GB2003—50017钢结构设计规范.北京:中国计划出版社,2003

[3] GB50011—2001建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2001:10—41

剪力墙结构有限元分析篇7

1 有限元模型

1.1 材料模型

在本文的有限元模拟中, 钢材的本构关系采用双线性模型[3], 即认为材料屈服前按弹性模量变化, 在屈服后取小于弹性模量的另一个模量, 屈服后的模量为弹性模量的1/100。钢材屈服准则为Von Mises屈服准则, 强化准则为随动强化准则 (BNKI) 。该强度准则很好地反映了延性金属材料。

随动强化准则假定在发生塑性变形时, 加载面像刚体那样在应力空间移动, 维持初始屈服面的大小、形状和方向。

1.2 单元选择

本文对单片带竖缝钢板剪力墙构件进行了有限元分析, 在单元选择时考虑了几何非线性和材料非线性, 选择了具有大变形能力和塑性能力的Shell181单元来模拟带竖缝钢板剪力墙。Shell181为4节点有限元应变壳单元, 具有弯曲能力和膜能力, 可以承受平面内荷载和法向荷载。单元每个节点有6个自由度:X, Y, Z方向的平动和沿节点坐标系X, Y, Z轴的转动[4]。应力刚化和大变形能力已考虑在内。同时, Shell181具有塑性能力, 可以分析薄壳以及中等厚度的壳结构[3]。

1.3 边界约束条件及加载

为尽量与带竖缝钢板剪力墙在地震作用下的受力情况相符, 模型约束条件设为:钢板剪力墙上端采用滑动支座, 下端采用固定支座。加载路径为:在最顶端的一排节点上反复逐级施加X方向的位移。

1.4 单元划分

本文的有限元模型取用武汉理工大学试验构件尺寸[4]:B=1 635 mm, H=2 600 mm, b=150 mm, h=750 mm, hu=hd=380 mm, hm=500 mm, t=12 mm, n=10 (n为墙肢数) , m=2 (m为竖缝排数) , E=206×103 N/mm2, 根据加载路径选择了双线性随动强化模型。考虑钢材强化时认为强化模量为弹性模量的1/100。材料模型取屈服应力σy=285 N/mm2。

单元网格划分密度对求解的准确性有直接的影响, 本文对几种单元网格密度进行了比较, 最后采取了既保证求解精度, 又降低计算量的网格密度。在划分有限元网格时, 采用了自由网格划分, 单元选用四边形单元。有限元模型见图2。

2 结果分析

有限元计算结果见图3, 图3为带竖缝钢板剪力墙的荷载位移曲线, 即滞回曲线。从图3中可以看出, 带竖缝钢板剪力墙的滞回曲线呈梭形, 是典型的受弯构件, 而且滞回环相当饱满, 说明带竖缝钢板剪力墙具有很强的耗能能力, 适用于高抗震设防烈度地区。

图4为试验所得带竖缝钢板剪力墙的滞回曲线[3], 与理论分析结果相差较大, 这是由于带竖缝钢板剪力墙出现了平面外屈曲, 而导致其承载力下降, 耗能能力减小。在板的划分中, 带竖缝钢板剪力墙属于薄壳类, 对于这类构件出现的破坏, 主要就是由于钢板平面外屈曲而导致的失稳破坏, 从而使构件性能不能充分发挥。因此在设计时应采取限制其平面外屈曲的措施。另外, 在实际工程中不存在任何理想的构件, 就带竖缝钢板剪力墙而言, 其在制造、运输和施工过程中都可能引起初始几何缺陷, 在设计时也应考虑到这一点。

由有限元模拟可知, 在反复荷载作用下, 带竖缝钢板剪力墙最大应变发生在墙肢两端, 这符合带竖缝钢板剪力墙的受力耗能机理。在钢板上开设狭缝, 主要是为了改变普通钢板墙的受力机理, 使其具有更好的耗能性能。由于狭缝的开设, 使其受力性能同并列壁柱相似, 把钢板转换为并列壁柱的形式来抵抗剪力, 使钢板由原来的剪切变形转换到以弯曲变形为主, 从而增强了板的耗能能力。在水平荷载的作用下, 弯矩最大点出现在墙肢的上下端部。随着荷载的增大, 在弯矩最大处首先发生屈服现象, 并随着屈服区域的扩展来消耗地震能量[5]。

3 结语

由有限元分析可知, 带竖缝钢板剪力墙是典型的受弯构件, 具有良好的耗能能力;但在实际工程中, 由于初始缺陷的存在以及带竖缝钢板剪力墙属于薄壳构件出现平面外屈曲, 从而导致其耗能能力及承载力显著降低。为充分利用带竖缝钢板剪力墙的耗能能力, 建议在实际设计过程中, 应考虑采取限制带竖缝钢板剪力墙平面外屈曲的措施, 例如在钢板墙的两侧设置垂直的加劲肋;同时应考虑到初始缺陷对带竖缝钢板剪力墙性能的影响。

参考文献

[1]Toko Hitaka, Chiaki Mastsui.Experimental of Study on Shear Wall with Slits[J].Journal of Structural Engineering, 2003, 129 (5) :586-594.

[2]温沛纲.带缝钢板剪力墙理论分析与实验研究[D].广州:华南理工大学, 2004.

[3]苏磊.带缝钢板剪力墙结构分析与试验研究[D].武汉:武汉理工大学, 2004.

[4]朱玲玲.带竖缝钢板剪力墙抗震性能研究[D].邯郸:河北工程大学, 2007.

剪力墙结构有限元分析篇8

随着我国经济水平的快速发展和结构技术的提高, 全国各地涌现出大量的高层建筑, 钢筋混凝土框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构在高层建筑中得到了广泛应用。因建筑使用功能和结构布置的要求, 两种结构体系均会出现框架梁垂直剪力墙平面支承于墙上而形成梁-墙平面外连接节点的情况, 称之为框架梁-剪力墙直交节点。结合工程实际, 文章对框架梁-剪力墙直交节点设计了相应的试验方案, 并用ABAQUS对其进行弹性有限元分析。

2 ABAQUS简介

ABAQUS是功能强大的有限元分析软件, 它可以分析复杂的固体力学和结构力学系统, 模拟非常强大的复杂模型, 处理高度的非线性问题。它对每个部件定义材料参数, 划分网格, 然后将它们组装成完整模型。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析, 同时还可以完成系统级的分析和研究。用户只需提供结构的几何形状、材料特性、边界条件和荷载工况等工程数据。由于ABAQUS强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性, 它在各国的工业和研究中得到广泛应用, 在大量的高科技产品开发中发挥着巨大的作用。

3 试验设计

3.1 试件几何尺寸

弹性分析以一个基本模型为基准, 通过改变参数, 对比计算结果与基本模型结果, 获得各参数影响规律。基本模型剪力墙尺寸 (长×高×墙厚) 为1500mm×1500mm×150mm, 梁截面尺寸为200mm×400mm, 梁长1350mm。试件QL-1的几何尺寸图如图1所示。

墙-梁平面外连接节点由梁和墙组成, 其受力性能与梁和墙关系密切, 根据已有研究资料和试验结果, 影响墙-梁节点截面力分布和变形性能的可能主要因素为节点边界条件、墙高H、墙长L、墙厚t、梁高h、梁宽b、抗弯条带刚度、抗扭条带刚度以及轴压比等。在实际工程中, 墙的轴压比通常不大, 因此本试验采用一较低轴压比。各试件采用相同的轴力, 其实际试验轴压比均为0.1左右。

3.2 试验加载装置

试验加载装置图如图2所示。剪力墙下部地梁用钢压梁与地面固定, 剪力墙上部用1500千牛油压千斤顶施加轴压比为0.1的竖向荷载, 千斤顶下面设有高度为450mm的较大刚度的工字型钢梁, 使竖向荷载均匀地分配到剪力墙的上端。试件悬挑梁端用250千牛、行程为500mm的拉压千斤顶施加静力低周反复荷载, 其作用点距离剪力墙的边缘距离为1.2m。图2给出了试件QL-1实际加载装置图, 其他试件装置图与之相同。

4 ABAQUS弹性有限元分析

4.1 模型的建立

模型的建立是在大型通用有限元分析软件ABAQUS的前处理环境中进行的。根据需要, 我们对模型进行了相应的简化。框架梁3个方向的尺寸较其他2个方向的尺寸都不是很小, 将其设置为三维实体单元 (Solid) , 剪力墙厚度方向的尺寸比其他2个方向的小很多, 将其设置为壳单元 (Shell) 。基本模型剪力墙尺寸 (长×高×墙厚) 为1500mm×1500mm×150mm, 梁截面尺寸为400mm×200mm (高×宽) , 梁长为1000mm。试件QL-1的材料为钢筋混凝土, 其本身具有非线性的特性, 为将其简化为弹性分析, 因此将钢筋混凝土简化为用弹性材料模型, 其弹性模量为E=30000MPa, 泊松比为μ=0.2, 密度为ρ=2500kg/m3。

框架梁与剪力墙的几何模型分别建立后, 在ABAQUS中的Assembly模块下进行组装, 梁与墙的相对位置应与试件QL-1的一致。组装好后的模型, 框架梁与剪力墙并没有发生任何相互作用, 应对梁与墙连接处采用绑定 (Tie) 约束, 保证在整个模拟过程中, 与梁连接的部分墙受三维实体梁的约束而与梁保持相同的自由度, 也使得节点处的变形协调。

为了方便获得墙的截面剪力、弯矩等结果, 直观显示截面力分布规律, 节点模型中墙采用壳体单元 (SC8R) , 简化了采用实体单元时截面力需要单元应力沿墙厚进行积分的过程, 梁则采用八节点减缩积分格式的三维实体单元 (C3D8R) 。

为模拟框架梁-剪力墙直交节点试验的边界约束, 模型中的边界条件为墙上、下皆为铰接, 使其固定住。试件加载的位置在框架梁端部, 因此我们建模时在梁端部设置一个参考点RP-1, 使得该点与梁的横截面端部建立耦合约束 (Coupling) 。在参考点点处施加向下荷载100kN, 该点将带动框架梁梁端面一起向下运动, 达到施力的目的。

4.2 分析结果

将建立好的模型带入ABAQUS中的Job模块中进行分析, 其分析作业的类型 (Job type) 为完全分析 (Full analysis) , 其分析后模型的Mises应力云图如图3所示。

由此可知:

a.梁由于在自由端受到向下的拉力, 有向下挠曲的现象, 其最大位移为-1.38126E+00mm, 剪力墙受到梁的牵动, 由于在节点处与框架梁变形协调, 因此在中心处有向梁方向鼓曲的趋势。b.剪力墙所受到的应力在梁-墙节点处最大, 最大值为1.481E+01Mpa, 并由节点处向四周呈均匀扩散的趋势, 框架梁节点处边缘所受到的应力最大 (在梁节点的顶部纤维和底部纤维处) , 最大值为1.481E+01Mpa, 并且一方面向着梁自由端扩散, 另一方面向截面中和轴的方向扩散, 在梁截面中和轴位置, 受到的应力为0, 梁的应力的分布与悬臂梁的应力分布规律一致。

5 结语

5.1 本文以高层建筑中的框架梁-剪力墙直交节点为研究对象, 建立了简化的有限元模型, 并对其进行了弹性阶段的有限元分析。

5.2 由分析可知, 框架梁在节点处的应力最大, 但厚度不大的剪力墙并没有相应的空间留给梁钢筋有足够的锚固长度, 使得节点的承载力不足, 解决的办法有在节点位置设置暗柱, 进行节点的加固, 还有在墙上节点位置设置横向明梁, 以增强框架梁的锚固长度。

5.3 该模型只是进行了简单的弹性分析, 并没有考虑钢筋混凝土材料的非线性性质, 而剪力墙简化为壳单元, 并没有按照实际的尺寸建模, 其分析比较粗略, 更精确的建模分析有待后续的研究

摘要：框架梁-剪力墙直交节点常应用于高层钢筋混凝土建筑中的框-剪结构体系和框架-核心筒结构体系。文章以钢筋混凝土框架梁-剪力墙直交节点为研究对象, 对此进行了试验方案的设计, 并运用ABAQUS有限元分析软件, 对该节点进行简化的弹性有限元模拟分析 (梁简化为三维实体单元, 剪力墙简化为壳单元) , 并得出相应的分析结论。

关键词：有限元,弹性模量,墙-梁直交节点,变形协调

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准.GB50010-2002.混凝土结构设计规范.北京.中国建筑工业出版社.

[2]中华人民共和国行业标准.JGJ3-2002, J186-2002.高层建筑混凝土结构技术规程.北京.中国建筑工业出版社.2002

[3]杨华, 钱稼茹, 赵作周.钢筋混凝土梁-墙平面外连接节点试验.建筑结构学报.2005.8

[4]朱祖敬.钢筋混凝土梁-薄墙正交节点试验研究.重庆大学硕士论文[D].2006.6.

剪力墙结构有限元分析篇9

双钢板混凝土组合剪力墙由外部的两块钢板和内部的素混凝土组成。钢板与混凝土由钢板上焊接的均匀分布栓钉连接, 以保证二者之间的协同工作。通常墙体内部不进行任何配筋, 但两块表面钢板之间常会设置对拉钢筋、竖向隔板等, 起到面外抗剪的作用。

与传统的钢筋混凝土剪力墙相比, 双钢板混凝土组合剪力墙具有更优异的力学特性, 尤其是抗震性能和抗冲击性能。另外, 由于双钢板混凝土组合剪力墙的外部钢板可以充当模板, 施工时不需要额外支模, 而且钢板骨架又可以在工厂模块化加工, 因此其施工非常方便快速, 可以大幅度减小施工周期。

截至目前, 国内外已经对SC剪力墙进行了较多的试验研究。2009年~2013年间, Eom等[1]、吴波等[2]、聂建国等[3,4]、Xiaodong Ji等[5]、田春雨等[6]分别对不同截面形式、结构形式和构造形式的SC剪力墙进行了拟静力试验研究。但目前双钢板混凝土组合剪力墙的有限元分析仍较少, 仅有Frank J.Vecchio和Ian McQuade[7]将主要应用在钢筋混凝土剪力墙结构的基于修正压应力场理论的扰动应力场模型, 应用到双钢板混凝土组合剪力墙结构中, 并与有限元相结合, 建立了计算简便的二维有限元模型, 并通过分析三篇文献中的试验试件验证了此种有限元模拟方法的可行性。

试验虽然能较为有效的研究双钢板混凝土组合剪力墙的力学性能和滞回性能, 但试验耗费较大, 且诸如混凝土压应变、截面应变分布等试验中难以测量, 因此有必要对双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能进行有限元分析。

本文拟通过对文献[6]中的试验试件进行有限元分析, 从有限元角度对双钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能进行分析研究。

1 试验试件简介

试验试件[6]形式选为单片矩形截面, 钢板内表面设置栓钉, 钢板之间设置拉筋。试验试件的墙厚为150 mm, 墙宽为1 000 mm, 栓钉间距40 mm。根据实际工程中墙的轴力, 试验过程中试件的设计轴压比确定为0.4。试件参数只考察剪跨比的影响, 剪跨比分别为1.0, 1.5和2.0, 即墙高分别为1 000 mm, 1 500 mm, 2 000 mm, 相应编号为SCW1, SCW2和SCW3。试件混凝土设计强度等级为C35, 钢板采用Q345钢材, 钢筋采用HRB335。典型试件的示意见图1。

2 有限元分析方法

混凝土采取矩形钢管混凝土约束本构, 基础梁和加载梁采用规范本构, 钢板和钢筋采用理想弹塑性本构。混凝土采用C3D8R实体单元, 钢板采用S4R壳单元, 对拉钢筋采用T3D2杆单元。表面钢板与混凝土之间采用摩擦硬接触, 竖向隔板和钢筋埋入混凝土中。

模型加载方法如图2所示。施加水平荷载时, 先在加载梁的加载端设置一刚性层, 再在刚性层中间位置处节点上施加位移荷载。此种加载方法既可以防止计算奇异, 又可以保证加载端面的自由转动, 与试验加载情况相符。施加轴向荷载时, 以节点集中力的形式施加在墙体正上方加载梁顶面混凝土节点上。

模型边界条件如图3所示。基础梁与地基之间以弹性地基模型模拟, 混凝土的基床反力系数一般为7 484 600 N/mm3~14 715 000 N/mm3[8], 这里取107N/mm3。地锚栓用线性手受拉弹簧模拟, 弹簧刚度取EA/L, 地锚栓直径D取常用的15 mm, 长度L取1 400 mm, 为两倍基础梁高。另外, 在模型基础梁两端约束墙体面内和面外水平位移, 不约束竖向位移。

注:A—钢板屈服点;B—混凝土压碎点;C—钢板屈曲点;D—峰值荷载点;E—残余承载点

3 有限元结果分析

7个试验试件的数值分析滞回曲线和骨架曲线如图4所示。图中A, B, C, D和E五点为计算曲线的特征点, 分别代表钢板屈服、混凝土压碎、钢板屈曲或鼓出 (以发生面外2 mm位移为界限) 、荷载峰值和残余承载等特征。其中, 残余承载点没有严格的特征, 本文一般取最后一个正向加载环的顶点。对于约束混凝土的极限压应变, 尚无文献对其进行阐述, 本报告参照我国现行《混凝土结构设计规范》[9]中关于极限压应变的选取方法, 取所对应的压应变, 3 mm和4 mm厚钢板的墙体极限压应变为0.01, 2 mm厚钢板极限压应变为0.009 22。

3.1 破坏过程

由图4各试验试件有限元滞回与骨架曲线的对比图可知, 各试件在整个受力过程中, 整体趋势和受力特征一致, 均先后出现钢板屈服、混凝土压碎、钢板屈曲、极限承载力等特征。根据试件的受力特征和整体趋势, 可以将试件的整个受力过程分为三个阶段:

1) 弹性阶段。

从加载开始至钢板屈服, 外荷载较小, 钢板和混凝土基本都处于弹性工作状态, 试件荷载—位移曲线基本呈线性, 整个墙体处于弹性工作阶段。

2) 塑性阶段。

从钢板屈服至钢板屈曲, 钢板与混凝土都处于塑性工作状态, 试件顶点荷载—位移曲线的刚度逐渐降低, 墙体的整体呈塑性工作状态。

3) 破坏阶段。

从钢板屈曲开始, 试件端部混凝土大面积压碎, 钢板大面积屈服, 承载能力下降, 刚度降低, 整个墙体处于破坏阶段。

3.2 最终破坏形态

由图4可知, 各试件峰值点都发生在端钢板鼓曲附近, 然后进入下降阶段, 表明双钢板混凝土组合剪力墙最后的破坏形态为端柱混凝土压碎和端柱钢板鼓曲。

3.3 耗能能力分析

由图4可知, 各试件的滞回曲线非常饱满, 表明双钢板混凝土组合剪力墙具有良好的抗震性能。

3.4 剪跨比影响

随剪跨比的增加, 试件峰值承载力先急剧减小, 后缓慢减小。

4 结语

1) 双钢板混凝土组合剪力墙最后的破坏形态为端柱混凝土压碎和端柱钢板鼓曲;

2) 双钢板混凝土组合剪力墙破坏过程可以分为弹性工作阶段、塑性工作阶段和破坏阶段三个阶段;

3) 双钢板混凝土组合剪力墙滞回曲线饱满, 具有较强的耗能能力;

4) 随剪跨比的增加, 试件峰值承载力先急剧减小, 后缓慢减小。

在本文研究过程中, 北京航空航天大学的谭力、赵唯以提出了很多建议, 在此表示衷心感谢。

摘要：对双钢板混凝土组合剪力墙进行了3个试件的ABAQUS有限元分析, 变化了剪跨比参数, 分析结果表明, 双钢板混凝土组合剪力墙最后的破坏形态为端柱混凝土压碎和端柱钢板鼓曲;破坏过程可以分为弹性工作阶段、塑性工作阶段和破坏阶段三个阶段;滞回曲线饱满, 具有较强的耗能能力;随剪跨比的增加, 试件峰值承载力减小。

关键词：双钢板混凝土组合剪力墙,有限元分析,滞回性能,破坏形态,剪跨比

参考文献

[1]Tae-Sung Eom, Hong-Gun Park, Cheol-Ho Lee, et al.Behavior of Double Skin Composite Wall Subjected to In-Plane Cyclic Loading[J].Journal of Structural Engineering, 2009 (135) :1239-1249.

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框架剪力墙结构建筑施工技术分析篇10

关键词：框架剪力墙结构；建筑施工；施工技术

前言

现代社会的发展带来建筑材料与结构的革新，在诸多变革的历程中，出现了大批采用框架剪力墙结构的建筑。这些建筑多为中高层，常见下部两层左右的商业街旁门店加上上部住宅功能的格局，它们既满足实用性又较符合经济性原则，见证了这个时代的大趋势。

1 框剪结构的特性

1.1 应用背景

我国最为常用的高层建筑材料为钢筋混凝土。在钢筋混凝土的基本架构下，根据各个项目的具体要求，选择将建筑体型中部较坚固的交通部分加固为剪力墙或将建筑体型周边部分加固为剪力墙，其余部分设置为框架柱梁的框架剪力墙结构体系，是一种灵活适应因地制宜的结构布置方略。可以通过调整框架与剪力墙的位置、比重等来进行结构优化。这样的布局对于建筑使用功能的满足，抗震性能的增强皆是有着重要作用，又能大大节约工程资金的投入，成为受到广泛应用的高层建筑施工技术。

1.2 结构抗震

框架剪力墙中梁和柱通过刚按或铰接来连接，共同抵抗水平与竖向荷载。结构刚度应根据框剪结构中剪力墙很少时所趋向的框架结构形式的设置条件，还应根据框架与剪力墙的比例关系，依照规范要求确定其适用的抗震等级，满足其对应的抗震等级中的各项结构构造要求。

1.3受力特征

框架剪力墙结构在不同剪力的作用下产生弯剪型变形曲线，在增强建筑稳定性，提升施工质量方面有显著的优势。框架剪力墙结构中能够良好承受横向竖向拉力的墙板在有计划地部分替代梁柱的功能时，下部楼层位置，剪力墙部分位移较小，拉动着位移较大的框架部分；上部楼层位置则刚好相反，由框架部分约束着剪力墙部分，增加了负剪力的作用。在剪力墙体系与框架体系受力相互影响的作用下，降低了整体的结构负荷，带来整个建筑内较强的整体性，产生出优于单纯框架或单纯剪力墙结构的抗力，更有效的抵抗各种力，更好的适应复杂多变的外环境。

2 施工准备阶段

2.1 放线测量

放线测量工作对于测量精度的把握，对于工程尺寸的控制至关重要，是施工前的关键准备工作，是决定工程质量的重要保证。由于框架剪力墙结构自身较为灵活的平立面组合布局，带来了大量复杂的基础形式与标高高度，为现场的放线测量工作增加了巨大的任务量。实际施工放线测量中，根据图纸以及具体要求，使用激光经纬仪和全站仪等仪器，严谨测量，反复检查，对于轴线严格控制，保证放线的准确程度。

2.2 现场实验

现场设立的实验室是对工程质量负责的重要环节。样板引路制度这样提前的热身活动有助于了解特定材料与特定工艺的性格，有助于施工人员对后期作业的熟悉，方便在施工现场对于工艺采用具体灵活的调整。实验人员根据具体工艺的图纸、规范、工程量等要求确定实验计划，采用相应的实验方式与实验数量，统筹管理，严格把关。

2.3 搭设脚手架

搭设步骤为先将混凝土基础铺砌平整密实，后是满足尺寸要求的双立杆双排粉刷架体搭设，依次为斜杆立杆、大小横杆，搁栅、剪刀撑，脚手片、挡脚扶手杆，拉结固定、安全网，最后验收检查。

脚手架搭设的原则为安全第一，同时要做到方便使用，成为安全施工的良好保障。固定搭设时位点间的水平线要测好，结构与构件的连接一定要保证紧密牢固，不能悬空挑头出板，同时采取安全网等相应的防护措施。整体性要求是搭设要点，搭设时要尽量交错搭设，相邻立杆不平行，保证三角稳定性。搭设时需分层进行，严格按照尺寸与构造方式，符合相关技术规定，材料要保证满足要求，可适当运用防锈、披缝、粘砂、毛刺、烧口突出等处理方式。

3基础施工

3.1 土方

平整场地后进行开槽线的放线工作，紧接着进行开挖，直至坑底。坑洞要有稳固的放坡，其尺寸满足相应要求，同时用土钉墙加以支护。注意开挖前以及过程中及时处理现场杂物，为保护槽底，应在基础垫层的施工前再进行清槽施工。

3.2 防水

依据制定好的地下室外墙抗渗等级施工，对防水薄弱环节应采取刚柔相接，多道设防做防水。施工重点处理施工缝、后浇带等位置，有止水带、遇水膨胀止条、止水钢板等做法。

防水卷材施工前应有平整无开裂的基层，在彩色粉袋弹好的铺贴边线上剪裁，用防水胶浆粘贴，随后压实排气。卷材间要有一定的搭接，铺至高处时要有一定宽度的上翻卷起。聚氨酯防水涂膜是增强薄弱部位防水抗渗性能的最后一道软性保障，它均匀涂刷于事先排好气的玻璃丝布。施工时注意不要随意踩踏，可以用后退法分片区逐区施工。

4主体施工

框架剪力墙结构的主体部分是使用者接触最多的部分，也是地震等安全事故直接作用于人们的部分，具有建筑安全、适用、美观、经济的丰富意义。下文就模板、钢筋、混凝土工程分别阐述。

4.1 模板工程

模板主要是墙体模板，是工人师傅施工的得力助手。模板的均匀、牢固，及其施工中的精准程度都有很高的要求，要支模方式，合理选取确保放线准确、位置合理、固定牢固。在施工同时需要对其采取一定的保护措施，如垫衬海绵等物。

4.2 钢筋工程

钢筋是建筑的骨架，钢筋的质量决定着建筑的质量，进场的钢筋要保证质量通过、下料合理、充分利用原料。合理选用钢筋的焊接技术、施工步骤，同时要确保按图施工，以及精准放线，这些都是钢筋工程施工的重点。

4.3 混凝土工程

混凝土是建筑的血肉，是钢筋的维护部分，也是一定荷载的支持部分，混凝土的选料、搅拌、浇筑、养护等环节都应严格控制。选料要控制好配合比例，进行充分搅拌，一次性、分层浇筑，并采取保温、洒水等措施合理养护。

5控制工程质量

做好施工的质量控制需要注意在施工的各个阶段注意严格把控。在施工前期进行图纸校对、会审，施工过程中注意重点节点的处理，施工进行时与结束后反复核对，发现问题及时调整。

6结语

我国相关技术在大量实践中总结经验，已经具有较为经济、高效和成熟的做法与规定。本文结合笔者经验，对从施工准备阶段到基础工程施工、主体工程施工以及施工质量控制等阶段的相应内容具体分析。围绕框架剪力墙的结构技术做以重点阐述，以供同行参考借鉴，以期节约施工成本，提高建筑工程质量。