大型L形反力墙结构计算模型研究和有限元分析

发布时间：2016-05-15 19:15

第一章 绪论

1.1  选题背景及意义
近些年来，我国的建筑结构形式得到了迅速发展，各种结构形式如雨后春笋般脱颖而出。同时，随着结构不同形式的出现，也相继出现各种新型结构与构件，而在这些新型结构得以广泛应用之前，还需要相关的试验来验证它们的可靠性，以满足经济与社会发展的需求。试验室中常用的加载装置主要有反力墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应各种组合类型。其中，由于反力墙结构可以做到一般结构的大比例尺寸甚至是足尺模型的伪静力试验和拟动力试验，所以其重要性不言而喻；而国内相关研究较少，，许多试验室反力墙的建设都是参考其他试验室进行的，并没有统一的标准与规范。并且随着现在结构尺寸的增大，相应试验吨位的增加，对于反力墙结构的实验需求也越来越高。而苏州科技学院结构工程重点实验室原有的一堵一字形反力墙仅能够支持单向加载，而现在对于地震作用的研究早已上升至双向甚至是三向加载，所以其早已不能满足现在的各种实验需求。因此，本课题以苏州科技学院拟建地震模拟振动台实验室反力墙结构为研究背景，通过对各大高校反力墙具体结构形式及构造进行深入调研，对反力墙进行初步选型，然后进行方案的确定，进而进行初步计算以及模型的调整，到最后的项目完成。在此基础上，提出最终反力墙截面形式的合适选用原则及其具体设计方法与建议。 上图1.1-1为课题调研的同济大学嘉定校区地震工程馆的T形反力墙结构及其箱型地下室。该反力墙采用空腹形式，墙身高 15m，总长 30m，地下室采用箱式台座，并设置了相应的设备室；墙身上面为均匀间隔的圆孔，圆孔直径为 70mm，且间距为 600mm，该孔是用来固定加载装置的，例如单向作用千斤顶、伺服液压加载千斤顶、电液伺服控制加载系统等。该墙墙厚 850mm，整个墙侧立面厚 4m，其中每一层都有开洞，开洞宽度为 1m，高度为 1.8m，并有钢梯与每个洞口连接，便于操作人员的出入，墙内部为空腹式，并有走道，便于试验人员在墙内外固定装置。地下室包括顶板、底板、肋墙及设备室，顶板、底板厚与反力墙墙身厚度相同，均为 850mm，顶板开孔直径与间距与反力墙相同，肋墙宽 500mm，并不贯通布置，而是留出约 1m 左右的走道，两侧也有通道，便于管道的走线，地下室底板铺设了许多管道，是为了便于地下室另一侧液压仪器的管道铺设。可以看到顶板有固定试验装置的螺栓。 
............

1.2  反力墙结构的研究现状
近些年来，国内外学者对试验室反力墙结构进行了一些研究：有工程应用，也有理论分析，并对反力墙结构施工工艺进行了探索，现总结如下：现有国内外文献对于反力墙及其台座的设计方法均没有整体的详细介绍，而是给出了其具体使用途径。首先，文献[3]对反力墙自身的自振频率进行了现场实测试验研究与数值模拟，结合多种方法，目的旨在更好地掌握了解其动力特性，以在之后试验中避免各种不利影响。文献[4]与文献[5]讲述了在康奈尔大学进行的地震作用下各管道生命线的大尺度甚至为足尺模型的研究，文中提到了反力墙的具体参数，为相关实验设施提供了具有借鉴意义的参考。 国内外对于反力墙的建设情况也有介绍：文献[6][7][8]分别介绍了日本建筑研究院建成的反力墙装置、阿尔及利亚国家抗震工程中心实验室反力墙的建设情况，还有成都理工大学对反力墙建设的构想与建议。 对于反力墙所作试验的情况，以下八篇文献均有详细介绍，其中：范力等人于文献[9]探讨了拟动力试验中的几个问题，提出了相关结论；福州大学林东欣、宗周红、房贞政在文献[10]中对两层钢管混凝土组合框架结构进行了拟动力地震反应试验研究，并运用反力墙与电液伺服作动器施加水平荷载，并结合了反力墙与计算机联机的方式，取得了良好的效果；文献[11][12]对底部框架抗震墙砖房进行了拟动力地震反应试验，评价了这种结构的抗震性能；文献[13][14]对预应力混凝土框架节点进行了二维拟静力试验研究，提出梁的刚度影响节点破坏形式，预应力的施加对空间框架的节点核芯区的抗剪有较大提高；张洁等人于文献[15]对洛塘河双层高架桥进行了拟静力试验研究，提出合适的横梁高度可以适当提高梁的抗弯能力；文献[16]运用反力墙对自复位抵抗弯矩的框架进行了模拟地震作用下的试验与拟静力推覆分析，取得了良好的效果。 
..........

第二章 钢筋混凝土反力墙与预应力混凝土反力墙计算

对于反力墙这种受力状况特殊的大型钢筋混凝土结构，目前并无成熟的设计方法，且相关的参考文献也比较少。一位硕士的论文中对其学校结构实验室反力墙结构进行了大型有限元分析，文中提到了反力墙的简化计算方法，即采用上部结构与下部基础分开，单独进行计算的方法，不考虑二者的共同作用。其中，对于上部结构，简化为工字型截面悬臂梁，反力墙墙身即为梁的上下翼缘，腹板即为反力墙的隔墙，即中间开洞，目的是供试验人员安装螺栓之用。其设计人员按弹性方法采用软件对反力墙进行配筋计算及裂缝宽度和挠度的验算。本文按照此思路，对反力墙提出简化模型的计算，即按照悬臂梁的方法，手算该反力墙的内力及配筋，并与其软件计算结果进行对比，校核该方法的准确性。

2.1  反力墙选型及设计指标 
对于反力墙墙身的结构形式，如前述可知，有以下几种： （1）实心普通钢筋混凝土 美国明尼苏达大学 MAST 实验室采用的是这种类型的截面，其优点在于整体性好，便于混凝土浇筑；而缺点在于不能提供较大的反力； （2）空腹式钢筋混凝土 随着实验要求的逐渐提升，试验吨位的不断加大，对于反力墙结构形式有了进一步的探索，越来越多的实验室开始采用箱形空腹式截面。其优点在于能够提供更大的刚度，缺点在于构造复杂，施工难度较实心混凝土更大。 （3）预应力混凝土      在普通钢筋混凝土发展日趋完善之后，对于预应力混凝土的应用也到达了一定的高度，由于预应力混凝土可以充分发挥钢筋的强度，和有效加强结构刚度，所以现在广泛应用于大跨度结构、对结构刚度要求较大等等地方。其优点在于较普通钢筋混凝土性能更优，缺点在于施工时对于预加力的把握难度大。 鉴于以上原因，综合各方案的优缺点，选用箱形空腹式作为反力墙墙身的结构形式，并分别采用普通钢筋混凝土方案与预应力混凝土方案进行计算与分析。 
..........

2.2  第一种方案：不考虑翼缘时对反力墙两方向计算
如下图所示，为不考虑翼缘时反力墙第一个方向上的截面形式，可以明显看出，此截面形式接近于箱形梁，于是采用简化的工字型截面模型来计算，并将它视为工字型悬臂梁，对反力墙底部与箱型基础连接处视为固结。截面高度保持原有不变，即实际截面尺寸，工字型截面腹板厚度为各墙肢厚度之和。工况数量比较多，且现在是进行手算，则任取一种工况进行试算。首先选择（b）工况进行试算，此时，反力墙底部最大弯矩为 87600KN·M，底部最大剪力为 10000KN，最大挠度要求为 L0/1800[35]=14.6/1800=8.1mm。该挠度限值的选取，实际上，一方面是考虑结构挠度不能过大，否则会影响实验精度；另一方面，由结构力学可知，构件的底部弯矩与其挠度有一定的关系。在使用过程中，反力墙千斤顶作动器的所能施加最大的力即为其量程范围的最大值；根据反力墙与作动器实际条件，提出反力墙在使用条件下的荷载值：即顶部施加两个 100 吨的千斤顶作动器，沿其对应竖向向下的每层结构层高处分别施加两个 100 吨的千斤顶作动器.
..........  

第三章 大型 L 形反力墙结构的有限元模拟 ...... 47    
3.1 有限元分析软件总体介绍 ........ 47    
3.2 SAP2000 软件概述 ..... 48    
3.3 混凝土材料及钢筋有限元模型 ....... 48    
3.4 有限元建模过程 .......... 52      
3.4.1 基本假定 ........ 52      
3.4.2 建模步骤 ........ 52      
3.4.3 加载工况与计算 .......... 53    
3.5 初步分析结果 ....... 55    
3.6 手算电算比较 ....... 56      
3.6.1 L 形反力墙结构各工况计算结果分析 .......... 59      
3.6.2 L 形反力墙结构最不利工况组合 ........... 62    
3.7 模型 1 与模型 2 比较 ......... 63    
3.8 反力墙结构设计参数对比研究 ....... 67    
3.9 本章小结 ........ 69 
第四章 结论与展望 ..... 70   
4.1 结论与建议 ........... 70    
4.2 待解决的问题与展望 ......... 71 

第三章 大型 L 形反力墙结构的有限元模拟

3.1 有限元分析软件总体介绍

有限元分析，就是用有限单元法，以弹性理论为基础，用矩阵这个数学工具推算，用计算机程序作出其数值解，是一种常用的计算方法，应用于各种结构分析及计算。基本过程包括网格划分、单元分析、整体分析、等效节点荷载计算、引入约束条件求解结点位移和求单元杆端力。由于该反力墙为一个整体L形结构，是不可能准确地用手算简化计算的，所以必须使用大型有限元分析软件进行有限元分析；在荷载和其他因素作用下，对其反应和设计分析过程进行探索，以达到了解结构内力和应力状态是否满足强度、刚度要求的目的。 现有的结构分析软件，主流的有HKS公司的ABAQUS、MSC公司的NASTRAN、ANSYS、LSTC公司的LS-DYNA、ADINA、SAP2000和EDS公司的I-DEAS。这些软件各有特点，业内将它们分为线性分析软件、非线性分析软件。在线性分析中，NASTRAN和ANSYS具有优势，而在非线性分析中，ABAQUS、MARC、ADINA各具特点。

.........
 
结论

对于反力墙这种受力状况特殊的大型钢筋混凝土结构，目前并无成熟的设计方法，且相关的参考文献也比较少。本文首先依照有关文献，探索手算的公式与步骤。首先将现有的一堵“一字形”反力墙简化为一个“工字型”截面悬臂梁计算，然后与计算书结果对比，得出误差仅在 2.4%，于是验证了自己手算中各公式应用的准确性，然后利用此公式，接着对拟建的 L 形反力墙进行受力分析与配筋计算。而由于 L 形反力墙带有翼缘，所以对其有效翼缘宽度也进行了计算，发现结构挠度未能有效降低，最后利用大型有限元分析软件对比分析结果的准确性，并探索与计算了两种不同方案，同时也对比了它们的计算结果，得出一些结论。 通过手算计算与有限元计算分析，得出结论与建议如下：
 （1）本文采用的手算计算公式是具备准确性的，对于反力墙这种箱型截面，简化为“工字型”计算内力与挠度是可靠的，但对于其局部受力，即某一块面板上面受到千斤顶作用时，其具体的内力分布，仍需要简化模型进行计算与验算。 
（2）对于拐角处不相连方案下 L 形反力墙的挠度计算，本文手算计算的“工字型”截面梁与有限元模拟计算，计算挠度结果与软件计算差别为 23.27%，说明翼缘的有效计算宽度仍需进一步研究。需要进一步对其边界条件进行探索。
 （3）在手算计算过程中，发现荷载工况对于结构计算的影响也是非常大的，在开裂弯矩内计算结构挠度，往往计算值会很小，一旦荷载工况下弯矩大于开裂弯矩，那么结构挠度会迅速增大，所以在计算此类特种结构的挠度中，对于荷载工况的取值，需要考虑结构的开裂荷载，以有效控制结构挠度及裂缝宽度。 
.........
参考文献(略)

本文编号：45529