改進(jìn)的剪力墻等代框架模型分析

張繼?。ㄖ貞c市建筑科學(xué)研究院，重慶　400015）

改進(jìn)的剪力墻等代框架模型分析

張繼丁
（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015）

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，對其彈塑性性能的研究已日漸普遍。多數(shù)結(jié)構(gòu)分析軟件可以為框架線單元設(shè)置塑性鉸，沒有為殼單元的塑性分析提供塑性鉸，工程設(shè)計(jì)人員無法直觀地了解結(jié)構(gòu)中剪力墻的屈服狀況。該文設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的等代框架模型，可以較好地等代兩端帶有翼緣或邊柱的剪力墻構(gòu)件，為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中帶邊柱或翼緣的剪力墻的彈塑性分析提供相關(guān)參考。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；等代框架模型；彈塑性分析；塑性鉸。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.02.047

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在現(xiàn)代都市建筑中［1］。RC框架-剪力墻結(jié)構(gòu)利用了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，作為一種組合的結(jié)構(gòu)形式，具有廣泛的使用范圍。我國作為遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，對結(jié)構(gòu)的抗震性能分析顯得至關(guān)重要。彈塑性分析主要分析結(jié)構(gòu)在大震下的工作性能，多數(shù)結(jié)構(gòu)分析軟件可以給框架結(jié)構(gòu)桿單元設(shè)置塑性鉸，而沒有給殼單元設(shè)置塑性鉸，所以出現(xiàn)了各種剪力墻的等效模型。為使剪力墻在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中更好地工作，剪力墻端部一般都設(shè)置有邊柱或翼緣，已有的框架等代模型不能很好地解決這一問題。此外，已有的框架等代模型的使用，也受到剪力墻高寬比的限制。本文提出改進(jìn)的等代框架模型，可以較好地等代兩端帶有翼緣或邊柱的剪力墻構(gòu)件，為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中帶邊柱或翼緣的剪力墻的彈塑性分析提供相關(guān)參考。

1　初始的剪力墻等代框架模型

為了較好地進(jìn)行混凝土剪力墻構(gòu)件的彈塑性分析，先后出現(xiàn)了各種形式的剪力墻簡化模型，其中較為簡便的有B.S史密斯提出的等代框架模型［2］：

如圖1所示，模型中的兩根水平剛性梁，左邊與柱子相連，右邊與兩端鉸接的鏈桿連在一起，另外加上兩根斜支撐桿，構(gòu)成了一個(gè)剪力墻的等代框架模型。柱子的兩端及梁的左端隨節(jié)點(diǎn)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈桿兩端及梁右端的轉(zhuǎn)動(dòng)與節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)可以不一致，此剪力墻的等代框架模型能夠充分反映出剪力墻平面內(nèi)的彎曲。從本質(zhì)上講，盡管已經(jīng)不再是關(guān)于豎向中心軸對稱，但其受力性能、變形性能與對稱結(jié)構(gòu)完全相同。等代框架模型應(yīng)具有與墻體相同的豎向剛度、抗剪剛度以及抗彎剛度。

圖1　初始等代框架模型

2　改進(jìn)的等代框架模型

運(yùn)用B·S史密斯的剪力墻等代框架模型對帶有翼緣或邊

圖2　改進(jìn)的等代框架模型

含n個(gè)單元的改進(jìn)等代框架模型在等代過程中各構(gòu)件特征值的推導(dǎo)公式如下：

（1）軸向剛度

改進(jìn)的等代框架模型的軸向剛度應(yīng)與剪力墻墻體區(qū)段的軸向剛度相同。由圖2可知，改進(jìn)的等代框架模型的整體軸向剛度等于斜向支撐、等效柱、以及鏈桿的軸向剛度在豎直方向的分量之和。假定墻體模型的彈性模型與墻體區(qū)段的彈性模量相同均為E，其表達(dá)公式如下：

上式中，b為墻體寬度，t為墻體厚度，l為斜向支撐的長度，θ為斜向支撐與水平桿的夾角。

（2）抗剪剛度

與軸向剛度一樣，改進(jìn)等代框架的抗剪剛度與剪力墻墻體區(qū)段的抗剪剛度相同。由圖2可知，改進(jìn)等代框架的抗剪剛度是斜支撐桿軸向剛度的水平分量以及具有雙彎曲曲率的柱子的橫向剛度之和。

（3）抗彎剛度

剪力墻墻體區(qū)段的抗彎剛度應(yīng)與改進(jìn)等代框架的抗彎剛度相同，即墻體區(qū)段的抗彎剛度等于柱子及鏈桿截面積關(guān)于模型中心線的抗彎能力與柱子的抗彎剛度之和，其表達(dá)公式如下：

上式中，xib為鏈桿和柱到中心線的距離；式3.1、3.2、3.3整理得方程組：

解方程組3.4，可得改進(jìn)的等代框架模型中各構(gòu)件的特征值。

豎向柱子等效柱截面面積和慣性矩：

鏈桿截面積：

斜向支撐截面積：

眾所周知，構(gòu)件的物理特征值須大于零，即模型中構(gòu)件的剛度系數(shù)和截面面積須均為正值，即Ac、Ic、Ad均為正值，這就要求被等代處理的剪力墻的高寬比在一定范圍之內(nèi)，由式3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、3.10可推導(dǎo)出改進(jìn)的等代框架模型所適用的剪力墻高寬比范圍，見表1。

表1　剪力墻高寬比范圍

3　結(jié)論

本文提出的改進(jìn)的等代框架模型，可以較好地等代兩端帶有翼緣或邊柱的剪力墻構(gòu)件。在使用改進(jìn)的等代框架模型等代剪力墻構(gòu)件時(shí)，可以根據(jù)剪力墻區(qū)段的計(jì)算精度和高寬比的要求，選擇含有不同單元個(gè)數(shù)的等代框架模型。改進(jìn)的等代框架模型能否較好地模擬剪力墻構(gòu)件在結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的表現(xiàn)，是有待考證的問題。

［1］林同炎，S.D.斯多臺斯伯利.結(jié)構(gòu)概念與體系［M］.高立人，方鄂華，錢稼茹，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：頁碼.

［2］B.S.史密斯，Cornell A.高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)［M］.陳瑜，龔炳年，譯.北京：地震出版社，1993：頁碼.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Refined Model-equivalent Model for Shear Wall

The frame-shear wall structure is an important structural form，whose elastic plastic performance is being more widely studied.Frame plastic-hinge can be set up through most structural analysis software，but not for shell element.Project planners have no intuitive grasp of the yield state of the shear wall structure.This paper puts forward an improved equivalent frame model，which can better equivalent the shear walls with side columns and flanges.It can provide relevant references for similar structures.

RC frame-shear wall structure；equivalent frame model；elastic-plastic analysis；plastic hinge

TU352.1

A

1671-9107（2015）02-0047-03

2014-11-18

張繼?。?986-），男，河南洛陽人，研究生，主要研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗震。柱的剪力墻進(jìn)行等代框架處理，涉及到等代模型中的鏈桿和柱子與原有剪力墻端部的翼緣和邊柱的疊加，疊加無法兼顧翼緣和邊柱在剪力墻平面外的剛度。此外，僅含一個(gè)單元的改進(jìn)等代框架模型（圖2a所示）的運(yùn)用受到剪力墻高寬比的限制，本文又提出了含n個(gè)單元的改進(jìn)框架模型（圖2b所示）。