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1、毕业论文底框剪力墙结构弯扭耦合分析专 业 土木工程学 生 指导教师 河北工程大学土木工程学院2011年06月01日河北工程大学土木工程学院毕业论文 2011年摘要底部大空间剪力墙结构体系是将框架结构和剪力墙结构相结合的产物。由于其结构形式的特殊性，底部大空间剪力墙在结构形式、受力特点上也与传统的框架一剪力墙有显著的区别。目前工程界已经广泛采用这种结构体系，众多的结构专家和学者也对底部大空间剪力墙结构开展了较为深入的理论研究。但其研究多集中于对称结构，对非对称结构涉及较少。本文从能量变分原理出发，通过引入原变量的对偶变量，运用哈密顿体系导出哈密顿对偶方程，运用两端边值问题的精细积分法，通过MAT
2、LAB软件编制相应的程序求出问题的数值解，然后以一幢12层的底部大空间剪力墙结构为研究对象，对底部大空间剪力墙结构进行弯扭耦合分析，并对所得结果进行分析，验证本方法的可行性。运用此方法得出的结果精确度高、计算简便、计算操作易与程序化，为工程实例计算提供一种新的方法。关键词：底部大空间结构；薄壁结构；弯扭耦合；哈密顿理论；精细积分法 AbstractThe bottom big space shear wall structure is a combination of frame and Shear wall.According to the specialty of the style of
3、 combination，the bottom big space shear wall is quite different from normal frame-shear wall structure in structural forms and load-bearing charaeteristics.Although this structure system has already been used widely in engineering circles，the structure experts and scholars have also done much resear
4、ch on it，the theory researchs are focus on symmetric structure ,the theory researchs major in the symmetric structure， the asymmetric structure is involved in less.First of all, this paper introduces the original variables dual variable by introduces the energy variation principle. Secondly we deriv
5、ed hamiltonian dual equation by hamiltonian system.Then we can obtained the problems numerical solution using the precise integration method of two end boundary and the procedures which we compiled by MATLAB. Using the bottom big space shear wall structure of 12-floor as research object,this paper m
6、ake an analysis for bending-torsional coupling of the bottom big space shear wall structure,we can verified this meth- ods feasibility. The results which obtained by this method have many advantages,such as high accuracy、easy calculation、calculating operationg easy to programmed and so on. It provid
7、es a new method for engineering case.Keywords:the bottom big space shear wall structure;thin-walled bar;bending-torsional-coupled;Hamilton dual systems;the precise integration method of two end boundar目 录摘要Abstract1.绪论11.1引言11.2底框剪力墙结构的研究现状11.3薄壁杆件的研究现状21.4哈密顿对偶体系和精细积分法的研究现状41.5底框剪力墙结构的特点51.6本论文的研究内
8、容和重点解决的问题62.底框剪力墙结构弯扭耦合协同分析72.1基本假定及计算模型72.2底框剪力墙结构弯扭耦合分析的哈密顿对偶体系102.3工字形、槽形构件截面特性的计算152.4底框剪力墙结构弯扭耦合分析时的边界条件182.5本章小结183.算例计算及结果分析193.1算例验证193.2本章小结304.结论与展望314.1结论314.2展望31鸣谢33参考文献34附录 源程序37底框剪力墙结构弯扭耦合分析设计学生:宫玉侠 指导教师：胡启平河北工程大学土木工程学院土木工程专业结构工程方向1.绪论1.1引言随着社会经济的不断发展、世界人口的不断增长，高层建筑的发展也越来越快。近年来建筑物的综合功
9、能越来越强，为了满足建筑功能要求，办公楼、旅馆、住宅建筑的底层需要设置商场、超市、饭店等公共用途的大房间，因此底框剪力墙结构得到了广泛的应用。这样以来对底框剪力墙结构进行力学性能分析就显得尤为重要。框支剪力墙底层柱的刚度小，形成上下刚度突变，在地震作用下会产生很大内力及塑性变形，造成框支柱破坏，甚至引起整栋建筑倒塌。 因此，地震区不允许采用底层或底部若干层全部为框架的框支剪力墙结构。但地震区的框支剪力墙结构可以采用部分剪力墙落地、部分剪力墙由框架支承的方法，在底层获得较大的使用空间。这样就减小了框支层刚度和承载力突然变小对结构抗震性能的不利影响。避免框支部分的破坏，主要措施有：把落地剪力墙布置
10、在两端或中部，并使纵横向围成筒体；底层墙体加厚，提高砼强度等级，加大底层墙的刚度，使整个结构上下刚度差别减小应控制落地剪力墙间距加强过渡层楼板的整体性和刚性，这层楼板应采用厚度较大的现浇钢筋混凝土板。抗震设计的部分框支剪力墙结构底部大空间的层数不易过多，建筑中光靠采取措施加大底部大空间的刚度是远远不够的，所以对底框剪力墙结构进行力学分析具有重要的现实意义。本文将底框剪力墙结构简化为薄壁杆件，假定楼板平面内刚度无限大，且楼板作用沿结构高度连续化，忽略地基变形。将底框剪力墙结构以转换层为界，划分为转换层上部剪力墙或框-剪子结构和转换层下部框-剪子结构，考虑水平荷载作用下弯扭耦合的影响，以最小总势能
11、原理为基础，通过引入原变量的对偶变量，运用哈密顿体系导出哈密顿对偶方程，运用两端边值问题的精细积分法，通过MATLAB软件编制相应的程序求出问题的数值解，利用实例分析弯扭耦合对结构的影响，并对所计算结果进行分析，验证本方法的可行性。运用此方法得出的精确度高、计算简便、计算操作易与程序化，为工程实例计算提供方便。1.2底框剪力墙结构的研究现状在20年代和30年代，D.Green等人提出一种“上刚下柔”的结构方案。其初步设想是结构在地震作用下，底层首先屈服，从而限制剪力传递到结构的其余部位，以底部的柔性来耗散地震能量1。1932年他提出了将框支剪力墙作为拱的近似计算方法2。香港理工大学还对不同转换
12、构件的受力性能进行了分析3-11。L.Gerny12-13对上层为双肢剪力墙、底层为框架的结构进行了光弹模型试验，实验结果表明，其应力数和有限元结果较接近14。在50年代和60年代，原苏联和东欧一些学者提出了柔性底层板材房屋的方案，也就是上层全部为剪力墙、下层全部为框架的结构体系，即框支剪力墙结构。他们认为柔性底层有利于抗震，提高整座建筑物的抗震能力。这是初次通过设置转换层而得到底层大空间的尝试15。70 年代初, 我国研究人员通过理论分析和试验研究, 提出了底部大空间剪力墙( 部分框支剪力墙) 结构体系的概念。1975 年, 先在6 度地区建成了上海天目路12 层住宅, 上层剪力墙, 下层为
13、商店, 部分变为框架, 并进行了现场应力实测、钢筋混凝土模型试验及框支剪力墙有限元分析研究。1981 年1983 年, 进行了12 层住宅模型1:6的输入地震波拟动力试验16,并在大连建成了7 度设防的友好广场住宅( 15 层) , 在北京建成了一批8 度设防的住宅, 都是底部大空间剪力墙结构。同时, 编制了相应的设计规定, 为这种建筑推广应用提供了技术依据。90 年代以来, 很多专家学者对这类结构的抗震及有限元分析进行了更为深入的理论和试验研究, 著述颇丰。随着试验设的不断改良和研究方法的不断完善, 对框支剪力墙这种结构形式的认识越来越深入, 在设计以及计算方面面的规定也越来越严格。最近几年
14、，中国建筑科学研究院、广州大学、西安建筑科技大学、清华大学等单位结合工程实际，进行了相当数量的带转换层的高层建筑震动试验，其中包括带转换层筒体、高位转换的框支剪力墙等复杂结构17-21。肖小玲以一幢14层的框支剪力墙结构为研究对象，通过建立三维有限元分析模型，运用有限元分析软件ANSYS对结构进行静力分析，她在文中总结出了框支剪力墙结构设计中应该注意的一些问题22。刘扬在其博士论文中对影响结构内力和侧移的因素进行了分析并提出了落地剪力墙刚度合理性综合评判模型，为底框剪力墙的发展做出了贡献23。王红兵通过建立三维有限元分析模型及运用大型有限元分析软件FEQ，以一幢32层的框支剪力墙结构为研究对象
15、，对结构的受力和变形情况进行了分析，为框支剪力墙结构的分析和设计提供了参考24。蔡婷用SATWE结构分析软件建立框支剪力墙的结构模型，研究了落地剪力墙数量与底部框支柱的截面面积大小和框支层层数的关系，确定了落地剪力墙合理数量的计算式25。我国对框支剪力墙理论研究方面，主要分为以下几个方面：受力性能的研究、动力和静力简化计算研究、转换构件和局部受力研究、其它形式框支剪力墙结构受力性能研究23。对于底层为框架的剪力墙在水平荷载作用下的内力和位移计算，以及它们与落地剪力墙协同工作时的内力和位移计算问题，可以用矩阵位移法由计算机进行计算。当用人工进行手算时，对上部剪力墙采用连梁连续化的假定，取连梁建立为基本未知量，建立力法方程；对底层框架，取节点位移为基本未知量，建立位移法方程，混合求解26。目前最有效的方法是用有限元法用计算机计算，可以分析任意荷载下的底框剪力墙结构，一般弹性力学平面问题的有限元通用程序都可以用来计算底框剪力墙，另外级数解法是分析底框剪力墙的另一种解析解法，它是按照弹性力学平面问题的原理，假定墙梁界面上的应力函数，由墙板和梁的变形协调条件，求出待定系数，从而求出墙板和支撑梁的应力和内力。1
