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1 剪力墙结构构件变形指标的研究 及计算平台开发 2008 级博士生 : 陈学伟指导老师 : 韩小雷教授华南理工大学土木与交通学院

2 剪力墙结构构件变形指标的研究 及计算平台开发

3 主要内容 第一章 第二章 第三章 第四章 绪论宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发剪力墙宏观单元理论与单元开发修正斜压场单元理论与单元开发 平台开发 创新点 第五章 第六章 第七章 第八章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究连梁构件变形性能指标研究 变形指标 创新点 第九章基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究 第十章剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用 结论与展望 工程应用 创新点

4 绪论 ( 研究综述 ) 1. 基于性能的抗震设计方法的研究背景 2. 结构及构件抗震性能试验的研究背景国内外剪力墙构件抗震性能试验研究国内外连梁构件抗震性能试验研究国内外剪力墙整体结构抗震性能试验研究 3. 结构弹塑性分析方法及宏观单元理论的研究背景塑性铰梁柱单元的研究纤维梁柱单元的研究剪力墙非线性单元的研究 4. 结构分析平台的研究 DRAIN2D,IDARC2D,CANNY OpenSEES, Perform-3D

5 第一部分 : 计算平台开发 MESAP 第二章 第三章 第四章 宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发剪力墙宏观单元理论与单元开发修正斜压场单元理论与单元开发

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7 创新点

8 创新点

9 第二章 宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发 单元类型 : 弹性杆系单元 平面单元 ; 基于刚度法的纤维单元 基于柔度法的纤维单元 基于柔度法的塑性铰单元 多竖向弹簧单元创新点 修正斜压场单元 材料类型 单轴混凝土材料 双轴混凝土材料 钢筋材料 弹簧 ( 剪力墙 ) 本构模型 单分量塑性铰模型

10 第二章 宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发 单元类型 : 基于刚度法的纤维单元 基于柔度法的纤维单元 基于柔度法的塑性铰单元

11 第二章 宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发 MESAP 应用于整体结构的分析

12 第二章 宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发 MESAP 应用于整体结构的分析与校正

13 第三章 剪力墙宏观单元理论与单元开发

14 第三章 剪力墙宏观单元理论与单元开发

15 第三章 剪力墙宏观单元理论与单元开发

16 第三章 剪力墙宏观单元理论与单元开发

17 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发

18 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发

19 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发

20 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发

21 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发

22 第四章 修正斜压场单元理论与单元开发 创新点

23 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 花园酒店改造工程剪力墙墙试验数值分析

24 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 花园酒店改造工程剪力墙墙试验数值分析

25 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 花园酒店改造工程剪力墙墙试验数值分析 创新点

26 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析

27 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析

28 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析

29 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 创新点 创新点

30 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 创新点

31 第五章 剪力墙构件低周往复试验及数值分析 创新点

32 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究 研究构件变形性能指标的意义 创新点

33 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究 本文将采用剪力墙宏观单元 (MVLEM 单元 ), 基于中国 混凝土规范 的材料本构关系对受弯控制的剪力墙构件进行分析, 确定具有明显变形特征的小震状态限值与大震状态限值, 即构件的屈服变形值及极限变形值 大震变形限值采用极限变形值, 其取值方法为 : 承载力下降 90% 或抗力急剧下降时所对应的变形值 构件变形从 0 到 OP 状态及从 OP 至 IO 状态, 合并成为小震指标, 即小震保证构件变形不屈服 小震变形限值采用屈服变形值, 其值可通过屈服位移值计算得到 如果构件行为表现为理想弹塑性行为, 则荷载位移骨架曲线上存在明显的屈服点, 可以直接得到屈服位移, 混凝土构件一般不具备明显的屈服点, 那么屈服点的取值与计算方法有 :1) 通用屈服弯矩法 2)R.Park 法 3) 能量等效法 本文采用的小震变形限值为三种方法计算值的平均值

34 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

35 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究 β = f ck ρϕ s N

36 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

37 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

38 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

39 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究 创新点

40 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

41 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究 创新点

42 第六章 受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究

43 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究

44 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究

45 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究

46 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究

47 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究 创新点

48 第七章 受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究

49 第八章 连梁构件变形性能指标研究 创新点

50 第八章 连梁构件变形性能指标研究

51 第八章 连梁构件变形性能指标研究

52 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究

53 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究

54 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究

55 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究

56 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究 PERFORM-3D(Nonlinear Analysis and Peroformance Assessment for 3D Structure) 三维结构非线性分析与性能评估软件, 它的前身为美国加州大学 Berkeley 分校的 Prof Granham H Powell 开发的 Drain-2DX 和 Drain-3DX, 是一个致力于研究抗震设计的非线性软件工具 通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析, 其中包括错综布置的剪力墙结构 PERFORM-3D 为用户提供了一个复杂地震工程工具来进行静力弹塑性 Pushover 分析和动力弹塑性时程分析 G.H. Powell

57 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究 梁柱单元模型 PERFORM-3D 提供多种梁柱单元模型, 包括塑性铰模型及纤维模型 本文工程实例梁柱均采用纤维模型 纤维模型梁柱单元有以下特点 : 基于平截面假定, 将梁柱的内力 - 变形关系转化成混凝土与钢筋的应力 - 应变关系 ; 铁木辛柯梁单元, 可考虑剪切变形 ; 自由的纤维划分输入方式, 可以输入约束混凝土及非约束混凝土纤维, 可以输入复杂组合截面, 梁柱纤维截面如图所示 ; 顶部钢筋 非约束混凝土约束混凝土 非约束混凝土 约束混凝土 约束混凝土端部区配筋非约束混凝土 纵向钢筋 非端部区配筋 底部钢筋

58 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究 混凝土材料本构

59 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究 创新点

60 第八章 基于性能的剪力墙结构抗震设计方法的研究

61 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

62 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

63 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

64 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

65 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

66 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

67 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

68 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用 创新点

69 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

70 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

71 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用 创新点

72 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

73 第十章 剪力墙结构性能设计方法的算例及工程应用

74 结论与展望 基于面向对象的编程技术, 自主研发了基于宏观单元理论的结构弹塑性分析平台 MESAP, 开发多种宏观单元模型, 多竖向弹簧单元可用于受弯控制的剪力墙构件的弹塑性分析 修正斜压场单元可用于受剪控制的剪力墙构件及连梁构件的弹塑性分析, 基于柔度法的纤维单元用于受弯控制的连梁的弹塑性分析 ;MESAP 平台的多种非线性单元为剪力墙构件及连梁构件的变形性能指标的计算奠定了工具的基础

75 结论与展望 本文采用国内外剪力墙试验及连梁试验校正本文编程弹塑性分析平台及相关的宏观单元 本文找出剪力墙构件的宏观变形与钢筋应变的关系, 提出新的评估延性构件的极限变形的计算方法 该方法应用于计算受弯控制的剪力墙构件及连梁构件的极限变形指标 本文通过 MESAP 平台对大量的剪力墙及连梁构件进行弹塑性分析, 回归得到剪力墙及连梁构件的变形性能指标

76 结论与展望 本文在结构弹塑性分析程序 PERFORM-3D 的基础上进行二次开发, 二次开发程序不但能够快速准确地建立整体结构的纤维模型, 而且能够将本文提出的性能指标计算方法嵌入, 使大型结构分析程序能够根据构件的尺寸 内力 配筋等信息计算得出性能指标, 并采用该性能指标进行结构弹塑性变形的评估

77 结论与展望 (1) 采用自编程序批量进行构件弹塑性分析得到构件变形性能指标, 优点在于数值分析结果稳定, 易于统计发现规律 缺点在于忽略了混凝土材料 钢筋材料的变异性 施工质量等等因素的影响, 可以在批量计算的过程中加入可靠度分析方法 ; (2) 本文用于模拟压弯剪耦合构件的单元模型是修正斜压场单元, 目前学术界仍有多种用于分析压弯剪耦合的单元模型, 且研究正在发展当中, 如 Kabeyasawa 的 ASFI 单元模型等 后续研究者可以其它压弯剪耦合单元对受剪控制构件进行分析 ; (3) 本文提出了构件变形性能指标, 但未建立构件变形性能指标与整体结构变形性能指标的联系 简单言之, 构件的变形性能指标的需求能力比值及分布范围与整体结构的变形性能指标存在一定关系, 该关系可以通过大量的整体结构的试验或弹塑性分析得出, 后续工作者可以在该方面着手, 了解该关系后可以提出结构整体变形性能指标

78 博士论文相关学术成果与奖励 发表 SCI 论文 3 篇,EI 收录论文 8 篇, 国内核心期刊论文 9 篇 在国际重要会议发表多篇学术论文 2008 年第 14 届世界地震工程会议与日本防灾科学研究所合并的结构预测性分析比赛获得科研组第三名 论文 基于宏观单元的结构非线性分析方法 算例及工程应用 在第 18 届全国结构工程学术会议上获 优秀论文奖 ; 论文 三种非线性梁柱单元的研究及单元开发 在第 19 届全国结构工程学术会议上获 优秀论文奖 ; 论文 剪力墙宏观单元开发及低周往复荷载试验数值分件 在 2009 年全国土木工程博士生学术会议上获 优秀论文奖 ; 2010 年以总分第一名被评为第二届华南理工大学 学术之星 称号 ( 首届与第三 届均无土木与交通学院学生获奖 )

79 足尺钢框架比赛 Blind Analysis Contest 足尺振动台试验模型

80 资助该课题研究的基金项目 : 土木与交通学院优秀博士学位论文创新基金华南理工大学优秀博士学位论文创新基金华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究项目 2009ZA04 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室开放研究项目 2008KA01 十一五 国家科技支撑计划研究项目 2006BAJ04A12

81 感谢各位 评委老师! 谢谢大家!

82 剪力墙结构构件变形指标的研究 及计算平台开发 2008 级博士生 : 陈学伟指导老师 : 韩小雷教授华南理工大学土木与交通学院

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