密肋壁板结构数值计算分析及基于性能(位移)的抗震设计方法研究

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密肋壁板结构是一种节能、抗震的建筑结构新体系。目前,对其在多层及高层房屋建筑中的理论与应用研究已取得了重要的阶段性成果,但对该结构体系基于性能(位移)的数值计算分析与抗震设计理论研究尚处于空白,特别是对结构既能进行数值计算分析,又能进行工程设计的软件亟待解决。本文就密肋壁板结构基于性能(位移)的计算模型、弹塑性分析程序以及结构的抗震设计方法等方面进行了较为系统的研究与分析,主要完成的工作有: 1.在对前期实验研究成果分析的基础上,建立了密肋复合墙体非线性带铰刚架—斜撑模型,考虑杆件两端刚域、塑性铰性能,研发了弹塑生分析程序MRCS,求解墙体在竖向荷载和水平荷载共同作用下的变形、延性性能、失效模式等,从而实现密肋复合墙体弹塑生分析全过程。同时分析了影响带铰刚架—斜撑模型有效性的主要因素,并应用程序MRCS对实际结构进行了数值模拟补充试验。 2.基于密肋壁板结构的竖向构件、水平构件及填充块材在空间结构构造上的特殊性,以子结构技术为出发点,建立了结构空间非线性带铰刚架—斜撑子结构嵌套模型,考虑杆件两端刚域、塑性铰性能及空间作用性能,研发了弹塑性分析程序MRSS。利用子结构的静力凝聚技术缩减结构自由度,对密肋壁板结构进行了空间弹塑生分析;利用动态子结构中的自由界面模态综合法对结构进行了模态分析,从而实现了结构弹塑生分析及动力特性分析。同时通过与密肋壁板结构拟动力试验结果的对比,分析了结构变形性能及动力特性的影响因素。 3.在研究密肋壁板结构倒塌机制的基础上,采用大变形单元,运用MonteCarlo随机模拟方法,建立了同时考虑几何非线性和材料非线性的密肋壁板结构倒塌分析随机模型,研发了结构倒塌随机模拟程序CPRA,求解结构倒塌过程的出铰顺序、失效模式和变形性能,并通过实际构件的倒塌分析验证了随机模型和程序模拟方法的可靠性。 4.通过与现行工程设计软件的对比分析,对实例结构进行了模态分析和Pushover分析,比较了密肋壁板结构不同荷载分布模式下结构的位移反应、塑生铰发展及失效模式,验证了本文提出的带塑性铰刚架—斜撑子结构嵌套模型和本文编制的程序MRSS的实用性和可操作性。 5.在密肋壁板结构数值计算分析的基础上,通过对结构分灾抗震设计和能量反应抗震设计方法的研究,探讨了基于性能的结构实用抗震设计方法,提出了密肋壁板结构分灾设计和能量设计的关键步骤及措施。 本文的创新之处在于: 1.密肋壁板结构弹塑生分析计算模型的建立结合密肋壁板结构的独特构造及前期试验研究结果,首次提出复合墙体的带塑性铰刚架—斜撑模型、密肋结构的空间带塑性铰刚架—斜撑子结构嵌套模型,为结构的计算分析提供了可靠的理论基础。 2.密肋壁板结构弹塑生分析程序的开发首创符合密肋壁板结构特性的结构计算分析程序MRCS和MRSS,分别用于复合墙体和密肋结构的弹塑性分析和动力特性分析,其不仅可用于结构的数值计算分析,还可用于结构的工程设计,填补了密肋壁板结构拥有自主知识产权分析工具的空白。 3.倒塌随机分析模型和分析程序的建立引入概率思想,首次建立大变形带塑性铰刚架—斜撑随机模型并研发密肋壁板结构抗倒塌分析程序CPRA,提出密肋壁板结构分级释放能量的抗震设计思想。 4.MRSS程序在实际工程中的应用通过与现行工程设计软件对比分析,首次将MRSS程序用于国家建设部科技节能示范小区“唐山荣泰园小区”的设计,通过结构动力特性计算和Pushover分析验证了MRSS的先进性及可操作性。本文提出的计算方法已纳入陕西省、河北省工程建设标准《密肋壁板结构技术规程》(DBJ/T61-43-2006、DB13(J)64-2006)之中,为密肋壁板结构的工程应用提供了很好的分析手段。 5.基于性能的密肋壁板结构实用抗震设计方法的提出通过对结构分灾抗震设计和能量反应抗震设计方法的研究,首次提出密肋壁板结构分灾设计和能量设计的关键步骤及措施,为基于性能的密肋壁板结构实用抗震设计理论的后续研究提供基础。
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