CN107463748A - 短肢剪力墙结构地震损伤评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了短肢剪力墙结构地震损伤评估方法，采用有限元软件建立计算模型，其中墙体及楼板采用壳单元，连梁、次梁采用梁单元，钢筋定义成层嵌入构件中，计算结构的自振圆频率；采用混凝土塑性损伤本构模型计算短肢剪力墙结构在平动共振激励下的损伤分布，通过不断增加激励幅值得到损伤贯通全部墙肢横截面时的状态，得到基本破坏形态，此时对应的塑性耗能为结构的极限塑性耗能；将地震波进行小波包分解，分解成以结构的自振频率为中心的子波，计算各子波的塑性耗能需求；判别结构安全性，判定安全的结构，计算结构整体损伤指标，判别损伤程度。本发明的有益效果是可以准确、可靠地预估或评估地震作用下短肢剪力墙结构整体损伤程度。

Description

短肢剪力墙结构地震损伤评估方法
技术领域
本发明属于建筑技术领域，涉及短肢剪力墙结构地震损伤评估方法。
背景技术
地震是一种难以预料的自然现象，超设计烈度的破坏地震极有可能发生，一旦发生将产生难以估计的损失，“5.12”汶川大地震就给了我们一个严厉的警示。短肢剪力墙结构是一种介于剪力墙和异形柱之间的新型结构体系，其宽厚比在5～8之间。由于这种结构体系兼有框架和剪力墙的优点，在我国住宅建设中应用较广。短肢剪力墙结构由一般剪力墙结构发展而来，又吸取了异形柱结构室内无楞角的优点，同时较易满足各种建筑平面要求，布置灵活、可以开较大的门窗洞口、采光通风效果好，较一般剪力墙结构而言，有重量较轻、节省材料、减小地震作用等优点，在高层建筑特别是高层住宅建筑中得到了日益发展。然而这种结构体系没有经过大震的考验，人们对其在大震中的损伤、破坏情况知之甚少。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)仅对短肢剪力墙的布置、抗震等级及其轴压比限值等给出了比普通剪力墙更为严格的限制，对短肢剪力墙结构在地震作用下的破坏形态、破坏机理、抗震承载力、整体损伤指标等没有详细规定，设计时仍按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计基本原则进行设计，由层间位移角来控制小震不坏与大震不倒。大震不倒不是设计的最终目的，我们还想知道地震作用下结构从开始损伤到整体失效之间的损伤程度与损伤位置，特别是对于重要的建筑物。
目前，我国的建筑结构抗震控制标准是从结构的强度或最大塑性变形来控制的，地震输入的量值主要是由地震波的幅值来控制，但这不能反映结构真正的破坏原因与地震输入的大小。地震的作用效应不仅与地震波的幅值、频谱、持时有关，还与结构的自振特性有关，而结构的自振特性是由结构的质量、刚度等参数决定的，是结构本身固有的属性，与结构的方案布置有关。地震的破坏形态又与结构的自振特性有密切的关系，破坏形态又决定了结构的极限耗能。结构一旦建成或结构方案一旦确定其极限耗能能力也就确定了，结构在地震作用下的损伤程度完全由输入的地震波确定。当结构受到地震作用时，地震动以能量的形式输入到结构体系中，致使结构产生损伤、进而破坏。地震输入能量可分为两部分:一部分是以动能和可恢复的弹性应变能储存起来，另一部分则被结构的阻尼耗能和非弹性滞回耗能耗散掉。由于结构的动能和弹性应变能只参与能量的转化，不参与能量的耗散，因此结构的损伤程度主要取决于自身的耗能能力。基于能量的设计方法虽然能够反映结构破坏的本质，但是结构在地震作用下的耗能能力还没有很好的解决。
结构的抗震能力取决于结构的极限塑性耗能，地震作用下结构的破坏形态是按照基本破坏形态或者基本破坏形态的组合形态出现，因此结构的抗震能力取决于基本破坏形态的极限塑性耗能。结构的极限塑性耗能不能由原结构现场得到，也不可能对不同高度、不同体型的此类结构通过室内试验得到，即使对一种此类结构进行相似模型的室内试验，其费用也大、试验周期也长、影响因素多且测试结果的精度难以保证，因此采用数值仿真成为一种简便可行的方法。基于混凝土材料的塑性损伤本构模型，能够仿真结构的破坏状态，确定结构的极限塑性耗能，为用塑性耗能确定结构的整体损伤指标D(0＜D＜1)提供了前提条件，从而为短肢剪力墙结构的地震损伤评估提供了方法与途径。
发明内容
本发明的目的在于提供短肢剪力墙结构地震损伤评估方法，解决了目前对于地震作用下此类结构的破坏没有方便、准确评估方法的问题。
本发明所采用的技术方案是：
(1)采用商业有限元软件ABAQUS建立计算模型，其中墙体及楼板采用壳单元，连梁、次梁采用梁单元，钢筋定义成层嵌入构件中，由软件计算结构的自振圆频率ωj(j＝1,2,3…),j为对应的模态。
(2)采用软件中的混凝土塑性损伤本构模型(Plastic-Damage Model)，计算短肢剪力墙结构在平动共振激励下的损伤分布，通过不断增加激励幅值U0得到损伤贯通全部墙肢横截面时的状态，该状态为最终破坏形态，此时对应的塑性耗能为结构的极限塑性耗能EHui(i＝1,2,3…)，根据结构的高度不同通常取前2～3阶平动共振即可满足精度要求。
(3)将计算地震波(对在役或正在设计的此类房屋进行地震损伤预估取罕遇地震波，对震后此类房屋评估取记录的地震波)进行小波包分解，分解成以结构的自振频率fi＝ωi/2π为中心的子波Pi，计算各子波Pi的塑性耗能需求EHi，i取前几阶模态即可。
(4)判别结构安全性：若EHi≤EHui，结构安全，用下一步骤判别结构的损伤指标；若EHi>EHui，结构倒塌，对处于设计阶段的结构须调整结构方案。
(5)对于步骤(4)判定安全的结构，进一步用以下公式计算结构整体损伤指标D，判别损伤程度:
其中：β为第一阶耗能系数，EH1为由步骤(3)经小波包分解得到的第一阶子波P1计算的结构的塑性损耗能；EHu1为第一阶共振激励作用下结构的共振极限塑性损耗能，EH2为第二阶平动的子波P2计算的塑性损耗能；EHu2为第二阶平动共振激励作用下结构的共振极限塑性损耗能；为输入原计算地震波所得的塑性损耗能。
本发明的有益效果是评估方法简单易行，可以准确、可靠地预估或评估地震作用下短肢剪力墙结构整体损伤程度。
附图说明
图1为本发明的一栋短肢剪力墙结构的第一破坏形态；
图2为本发明的一栋短肢剪力墙结构的第二破坏形态；
图3为本发明一栋短肢剪力墙结构在220galEL-centro地震波作用下剪力墙最终受拉损伤云图。
为反映墙肢的破坏，图中关闭了连梁的显示，图中深色部分代表墙肢的损伤。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：以一栋十二层短肢剪力墙结构住宅楼为模型建模，结构总高为35.1m，首层层高为3.2m，其余层高均为2.9m。剪力墙的墙肢厚度为200mm，剪力墙混凝土强度等级C35，梁、板混凝土强度等级为C30。剪力墙、连梁主筋采用HRB335，箍筋采用HPB300。该建筑物场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为7度0.1g，设计地震分组为第一组，地震波选用Taft波。用ABAQUS有限元软件建立短肢剪力墙结构的计算模型，计算结构的自振频率，以第一频率作为外激励频率，得到该结构的第一破坏形态，如图1，以该方向平动的第二频率作为外激励频率，得到该结构的第二破坏形态，如图2。计算该结构在设防烈度为7度(0.1g)的罕遇地震作用下的损伤云图，如图3，由本发明提出的计算公式可得整体损伤指标D＝0.12。
本发明的有益效果是：
(1)通过确定短肢剪力墙结构的基本破坏形态，建立一个地震作用下该结构体系整体损伤的评估方法；
(2)本发明简单易行，可以准确、可靠地预估或评估地震作用下短肢剪力墙结构整体损伤程度，为住宅领域的短肢剪力墙结构体系的抗震设计、地震评估提供技术服务。可用于房屋建筑的设计部门、房屋评估部门、有特殊需求的建设部门。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.短肢剪力墙结构地震损伤评估方法，其特征在于按照以下步骤进行：
1)采用有限元软件建立计算模型，其中墙体及楼板采用壳单元，连梁、次梁采用梁单元，钢筋定义成层嵌入构件中，计算结构的自振圆频率ωj(j＝1,2,3…),j为对应的模态；
2)采用混凝土塑性损伤本构模型计算短肢剪力墙结构在平动共振激励下的损伤分布，通过不断增加激励幅值U0得到损伤贯通全部墙肢横截面时的状态，该状态为最终破坏形态，此时对应的塑性耗能为结构的极限塑性耗能EHui(i＝1,2,3…)，根据结构的高度不同取前2～3阶平动共振；
3)将地震波进行小波包分解，分解成以结构的自振频率fi＝ωi/2π为中心的子波Pi，计算各子波Pi的塑性耗能需求EHi；
4)判别结构安全性：若EHi≤EHui，结构安全，用下一步骤判别结构的损伤指标；若EHi>EHui，结构倒塌，对处于设计阶段的结构调整结构方案；
5)对于步骤4)判定安全的结构，用以下公式计算结构整体损伤指标D，判别损伤程度:
<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>u</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>u</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
其中：β为第一阶耗能系数，EH1为由步骤3)经小波包分解得到的第一阶子波P1计算的结构的塑性损耗能；EHu1为第一阶共振激励作用下结构的共振极限塑性损耗能，EH2为第二阶平动的子波P2计算的塑性损耗能；EHu2为第二阶平动共振激励作用下结构的共振极限塑性损耗能；为输入原计算地震波所得的塑性损耗能。
2.按照权利要求1所述短肢剪力墙结构地震损伤评估方法，其特征在于：所述步骤1)中有限元软件为商业有限元软件ABAQUS。
3.按照权利要求1所述短肢剪力墙结构地震损伤评估方法，其特征在于：所述步骤3)中所述地震波中，对在役或正在设计的此类房屋进行地震损伤预估取罕遇地震波，对震后此类房屋评估取记录的地震波。
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