柔性连接填充墙RC框架结构非线性有限元分析

为了研究橡胶作为新型柔性连接材料对填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能的影响,在7榀1/2缩尺填充墙RC框架结构低周反复加载试验的基础上,采用DIANA有限元软件分析了填充墙与框架之间的连接方式、砌块材料、柔性连接材料以及砂浆强度对填充墙RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:与刚性连接相比,以橡胶作为新型柔性连接材料,能减缓结构的强度和刚度退化,极大降低结构的破坏程度,显著提高结构的抗震性能;高弹性橡胶和高阻尼橡胶作为柔性连接材料均表现出优异的抗震性能,而聚苯板(EPS)作为柔性连接材料的抗震性能要比橡胶差;刚性连接方式下不同砌块材料对结构抗震性能影响很大,当使用强度较高的砌块材料时建议采用柔性连接方式以减弱墙-框相互作用;合理降低砂浆的强度等级,可以改变填充墙的破坏模式,对抗震有利。

新型柔性连接开洞填充墙RC框架结构平面外抗震性能

砌体填充墙钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构在强地震作用下容易损伤破坏,我国规范建议填充墙与框架之间采用彼此脱开或柔性连接做法,但这也增加了填充墙平面外倒塌的风险。基于此对一种新型柔性连接开洞砌体填充墙RC框架结构进行了平面外的拟静力试验研究,分析了其失效过程、受力特征和破坏模式。结果表明:砌体填充墙RC框架结构平面外承载能力主要依靠于拱承载机制,槽钢轨道可以有效提高框架对填充墙两侧的约束作用,防止填充墙与框架之间的相对滑动,有利于水平拱承载机制的形成。对比普通柔性连接开洞砌体填充墙RC框架结构,采用新型柔性连接的开洞砌体填充墙RC框架结构,平面外的峰值承载力和峰值承载力处割线刚度分别提高了44.14%和9.70%;新型柔性连接开洞砌体填充墙RC框架结构在峰值承载力状态下和极限承载力状态下,其罕遇地震作用加速度相比于普通柔性连接开洞砌体填充墙RC框架结构分别提高了81.03%和77.36%。因此,采用新型柔性连接构造可有效提高开洞砌体填充墙RC框架结构的承载能力,改善开洞砌体填充墙RC框架结构平面外的稳定性,从而提高开洞砌体填充墙RC框架结构平面外的抗震性能。

砌体填充墙RC框架结构平面内抗震性能有限元模拟

砌体填充墙RC框架结构是我国建筑结构中普遍采用的结构形式,历次地震震害表明填充墙的刚度效应和约束效应改变了主体结构的传力机理,导致整体结构的严重破坏。为了分析其砌体填充墙RC框架侧向承载力和刚度,研究砌体填充墙与RC框架之间的相互协同工作机理和砌体填充墙的开裂模式以及砂浆层的滑移,该文利用三维实体单元和基于表面的粘性接触面模型和摩擦原理,建立一种能够较好地模拟其平面内抗震性能的分离式有限元模型。对一个已有试验分别建立普通有限元模型和分离式有限元模型,二者的分析结果与试验结果的对比表明,分离式有限元模拟方法可以更加准确地预测砌体填充墙RC框架结构的侧向承载力和刚度,并且可以有效地模拟出砌体填充墙的开裂模式,通过塑性应变可以判断出RC构件的失效。

基于OpenSees的填充墙RC框架结构数值模型

基于Open Sees软件建立填充墙RC框架结构数值模型,钢筋混凝土梁柱单元采用集中塑性单元,其中梁柱中部采用弹性梁柱单元,梁柱端部采用零长度弹簧单元来模拟塑性铰,采用改进的Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型模拟塑性铰的非线性,采用两对等效角撑模型(仅受压)模拟填充墙,采用Ibarra-Medina-Krawinkler退化模型模拟填充墙的非线性,建立了填充墙RC框架结构的非线性数值模型,与单层单跨填充墙RC框架试件的低周反复加载试验结果进行对比分析,验证了建立的填充墙RC框架结构数值模型的正确性,为建立填充墙RC框架结构的抗地震倒塌能力评估研究奠定基础。

新型砌块填充墙RC框架结构数值模拟

应用OpenSees软件对采用新型砌块-烧结页岩空心砌块的填充墙RC框架结构的水平力-位移滞回行为进行了数值模拟。模型采用两对斜向受压支撑来模拟填充墙,最后的模拟结果与试验结果吻合较好。

填充墙RC框架结构地震破坏机理及关键抗震措施研究

汶川8.0级特大地震等震害调查结果显示,通常被认为其抗震设计问题已经解决且具有较强抗震能力的RC框架结构,却突出地表现出"强梁弱柱"、"薄弱层"、"短柱失效"等一系列超出抗震设计初衷的灾难性破坏形式。本文以汶川漩口中学倒塌的RC框架结构教学楼的典型震害为背景,通过典型双跨填充墙RC框架结构单元伪静力试验及框架结构模型地震模拟振动台对比试验,结合理论分析和数值模拟,研究了填充墙对RC框架结构破坏机理的作用机制,分析了现浇楼板对实现"强柱弱梁"破坏机制的影响规律,提出了可有效改善RC框架结构抗倒塌机制的技术措施及设计建议。论文主要完成了以下工作:(1)以汶川漩口中学倒塌的教学楼为原型,设计完成了考虑楼板及填充墙影响的4个1/2缩尺的单层两不等跨填充墙RC框架结构模型伪静力试验,研究了2类填充墙材料、3种布置方式对框架结构整体强度、刚度及延性的影响规律,揭示了填充墙及现浇楼板对框架结构不同地震破坏模式的作用机理。(2)基于填充墙RC框架结构伪静力试验结果,采用DIANA非线性有限元分析程序,实现了填充墙与框架间相互作用模拟;分析了填充墙与RC框架结构的相互作用机理,研究了填充墙对典型双不等跨RC框架结构破坏及倒塌模式的影响规律。(3)基于填充墙RC框架结构伪静力试验结果,结合理论分析及非线性有限元数值模拟,系统研究了填充墙RC框架结构中的"短柱"破坏机理。选取实际工程中常用的粘土砖、加气砌块、蒸压砖等3种砌体材料,定量研究了不同填充墙砌筑材料、墙-框界面刚度及填充墙布置高度对RC框架结构"短柱"破坏模式的影响规律,提出了可实现避免短柱破坏的理论判别公式及设计措施。(4)研究提出了可显著提升框架结构整体抗倒塌能力的现浇楼板四角与梁柱有限断开的抗震设计措施。按现行规范设计制作了2个2×2跨、1/5缩尺的4层填充墙RC框架结构模型,通过地震模拟振动台对比试验,验证了横向两不等跨RC框架结构中填充墙及现浇楼板对破坏模式的不利影响;通过振动台试验与伪静力试验及实际震害现象对比分析,揭示了现浇楼板以及填充墙对框架结构破坏模式的作用机理;通过两RC框架结构模型破坏模式对比试验及非线性数值模拟分析,进一步证实规范中试图提高柱端弯矩增大系数的设计方法并不能有效实现预期的"强柱弱梁"破坏机制,而现浇楼板四角与梁柱有限断开的措施可明显提高框架结构的整体抗震性能,有效延迟框架柱的破坏。

基于精细化建模的填充墙RC框架结构拟静力分析

填充墙RC框架结构是我国使用较多的结构形式,但在进行抗震设计计算时,作为非结构构件的填充墙不参与结构抗震验算,但历次地震表明,在框架结构中填充墙与框架是共同参与工作的。为探究填充墙对RC框架结构位移延性的影响,采用有限元软件ABAQUS对填充墙RC框架结构进行精细化模拟,并通过已有试验结果验证有限元模型的适用性,研究不同参数条件对填充墙RC框架结构的位移延性是否有影响。结果表明:模拟结果与试验结果吻合良好,精细化模型能准确地模拟试验结果,并且可以有效地预测填充墙对RC框架结构的影响;随着轴压比增大,结构承载力先上升后下降,结构延性持续下降;钢筋强度增加时,结构峰值荷载和延性小幅度提高;随着配筋率增加,结构峰值荷载明显提高。

开门洞砌体填充墙RC框架结构抗震性能的有限元分析

填充墙RC框架结构是我国及世界上广泛使用的结构形式之一,由于使用功能的需求,建筑中经常设置门窗洞口,洞口的存在对填充墙RC框架结构的抗震性能有着显著的影响。本文基于有限元分析平台分别对实体填充墙和开门洞填充墙进行了分离式建模,通过已有的试验结果验证了有限元模型的适用性。研究了不同门洞位置的填充墙对RC框架结构抗震性能的影响。结果表明,开门洞填充墙框架结构的侧向承载力和刚度明显低于实体填充墙框架结构。门洞远离加载侧框架柱时,易形成不理想的"短柱效应",洞口的压缩变形较大。门洞的位置对框架结构的整体刚度和承载力的影响较小,但是对结构延性影响较大,门洞位于填充墙的中心时,结构延性较偏心开门洞填充墙的情况更好。

考虑填充墙平面刚度分布的RC框架结构抗地震倒塌能力研究

为研究填充墙对RC框架结构抗震性能的影响,以汶川地震中发生倒塌的漩口中学教学楼A为原型,基于ABAQUS软件建立了有限元模型,对结构底层各柱的剪力进行分析,发现由于填充墙的布置使得结构平面刚度分布不均,造成地震剪力在各榀框架之间分布不均匀。为了定量地考虑平面各轴线刚度分布对结构抗震性能的影响,设计了4个沿轴线各榀填充墙框架不同刚度分布的结构模型,通过IDA(增量动力分析)分析对比评估4个模型的抗地震倒塌能力。结果表明:平面刚度均匀分布的结构模型倒塌概率最低,具有良好的地震韧性;当某轴线的刚度高于平面各轴线平均刚度的30%时,结构的倒塌概率大幅提高,抗倒塌安全储备不足,建议在设计中平面各轴线的刚度不应超过此限值。

基于试验数据的填充墙RC框架性能指标限值研究

为了建立我国砌体填充墙RC框架结构性能水准与性能指标间的对应关系,通过收集整理国内填充墙RC框架拟静力试验数据,建立了本土化填充墙RC框架试件试验数据库。参考《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T24335-2009),定义了填充墙RC框架的5个性能水准及其破坏状态描述,根据试验现象提取试件首次达到每个性能水准时的层间位移角作为样本,通过统计分析,分别给出刚性连接和柔性连接填充墙RC框架具有84%保证率的层间位移角限值,并与《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和现有研究中给出的限值进行对比,最后进一步分析了采用不同类型砌块的填充墙RC框架结构性能水准限值的差异。结果表明,相较于规范限值,刚性连接的填充墙RC框架限值在轻微破坏和中等破坏的性能水准下均偏小,而在严重破坏的性能水准下远大于规范限值;相较于现有限值,作者研究得出的限值具有性能水准判定标准统一、数据更符合我国国情的特点;相较于传统的黏土砖和普通混凝土砌块,采用加气混凝土砌块砌筑填充墙的RC框架结构侧向变形能力更好。

学校多层RC框架结构地震倒塌机理研究

多层钢筋混凝土(RC)框架结构广泛用于学校、医院和办公建筑中,近年发生的多次破坏性地震中,大量RC框架结构发生粉碎性倒塌,造成大量人员伤亡。而位于同一场地的一般多层砖混结构反而不倒塌。这显示出工程界对RC框架倒塌机理的认识尚不深刻,抗震设计的结果与期望值还有很大差距。本文选取汶川地震中位于极震区的两栋典型结构作为研究对象,代表一般学校多层RC框架的漩口中学教学楼发生倒塌,而北川盐务局职工宿舍楼结构则由于底层框架柱增设适量翼墙而未倒。本文通过地震模拟振动台试验对两者的抗震性能进行了深入研究,剖析前者的倒塌机理,探讨翼墙-框架结构体系的地震响应特点。主要结果有:(1)依据国内外多次地震震害资料,总结了多层RC框架结构震害特点,重点对汶川地震极震区的两个具体结构的构造特点和实际震害进行描述。(2)通过振动台试验,研究了漩口中学结构模型地震响应规律、宏观破坏模式。依据各关键测点的实测数据和倒塌过程,分析了触发倒塌的主要原因。指出局部设置的半高填充墙显著增大了刚度,降低了延性,是倒塌的关键因素。(3)因框架柱增设适量翼墙,北川盐务局职工宿舍历经强震而不倒。对翼墙框架结构体系的概念和抗震机制进行介绍,基于翼墙框架结构和纯框架结构的pushover分析,对比研究了其抗震性能、损伤和屈服模式。(4)为研究翼墙加固RC框架体系在强烈地震作用下的抗震性能和加固效果,完成了一个缩尺比为1:4的翼墙-框架结构模型振动台试验,定量分析了结构在设防小震、中震、大震以及更高强度地震动作用下的受力特征、动力反应和损伤机制。并对试验模型与未加翼墙的纯框架数值模型进行了动力有限元分析,对比得到二者抗震性能的差异。通过以上研究证明,通过翼墙加固多层RC框架结构可以大幅提高多层RC框架的抗震性能,且经济实用、布置方便,可作为抗倒塌措施应用推广。

不同砌筑材料对钢筋混凝土框架的抗震性能影响

为研究不同砌筑材料对钢筋混凝土框架(RC框架)抗震性能的影响,采用有限元分别建立纯框架、加气混凝土砌块和秸秆草砖3种不同类型的填充墙框架有限元模型,考察不同材料、不同砌筑高度对RC框架抗震性能的影响。数值模拟结果表明,不同砌筑高度的加气混凝土砌块对RC框架受力性能影响较大,由于填充墙的存在,柱变为短柱,最大承载力下降约为42%,而秸秆草砖填充墙框架耗能变化率只有3.43%,与纯框架的受力、变形基本相同。与加气混凝土砌块相比,采用秸秆草砖作为砌块,其对RC框架的受力影响较小,秸秆草砖作为填充墙原料优于加气混凝土砌块,建议工程采用秸秆草砖作为砌筑材料。