密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究
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摘要
密肋壁板结构是一种轻质、高强、节能、抗震的建筑结构新体系，在前期的研究中，已取得了不少的科研成果。然而，作为一种新型结构体系还有很多问题需要进行研究与完善。本文针对密肋壁板结构的主要受力构件——密肋复合墙体为研究对象，就其受力机理、破坏模式、抗震性能、三阶段力学模型、极限承载能力以及基于控制的抗震设计方法等进行了较为详细的研究，完成的主要工作有：
1) 通过对密肋复合墙体在水平低周反复荷载和单调荷载作用下的试验研究，提出了墙体的主要破坏模式；分析了框格与内部填充砌块、墙板与外框的共同工作的受力特点；探讨了不同破坏模式情况下墙体的承载能力、刚度、变形、延性、耗能等抗震性能，并给出了竖向荷载作用下密肋复合墙体的简化力学模型。
2) 通过密肋复合墙体非线性有限元分析，较为真实、简化地模拟墙体内力和变形发展的全过程，描述裂缝的形成和扩展以及墙体的破坏过程、破坏形态和极限承载力水平。同时，针对试验研究的局限性，利用通过验证的有限元分析模型，提供墙体更多的反应信息，从而建立更为有效的墙体简化计算模型。
3) 在试验研究及理论分析的基础上，提出了墙体在不同阶段所采取的力学模型以描述剪切型破坏墙体的全过程受力特点。(1)弹性阶段——将墙体视为一种以轻质砌块为基体，混凝土肋梁、肋柱、外框为增强纤维的复合材料等效弹性板；(2)弹塑性阶段——将墙体视为一个由钢筋混凝土刚架和与之铰接的砌块等效斜压杆组成的刚架斜压杆组合模型；(3)破坏阶段——将墙体视为肋梁严重破损的梁铰框架模型。并在此基础上提出基于损伤的墙体全过程连续抗侧刚度公式。
4) 结合课题组前期的研究成果，就墙体在弹性阶段的复合材料问题，提出两种正交各向异性复合材料计算模型：二次单向纤维加强模型和双向纤维加强模型，并在此基础上，给出了适于工程计算的各向同性墙体简化材料模型。
5) 通过大量的试验，依据极限平衡理论，采用理论与经验相结合的方法，本文提出了偏心
西安建筑科技大学博士学位论文
受压和偏心受拉密肋复合墙体斜截面抗剪极限承载力计算公式，并就影响墙体斜截面抗剪极限
承载力的因素进行了讨论。
6)以应变平截面假定为基础，对密肋复合墙体正截面极限承载力进行研究，即将墙体从初
始受荷到正截面极限状态的各阶段的应力、内力及变形计算贯通起来，建立了墙体正截面压弯、
拉弯承载力实用计算公式和轴心承载力计算公式。
7)根据墙体斜截面抗剪极限承载力公式和正截面极限承载力公式，给出了墙体最终发生弯、
剪破坏模式的判定，并提出了影响墙体最终破坏模式的主要因素。
8)根据试验拟合和理论计算，给出了墙体的退化四线型恢复力模型;提出了密肋复合墙体
在地震作用下可能发生的破坏模式和合理的破坏模式;结合抗震控制设计思想，探讨了密肋复
合墙体的抗震设计方法，并提出了保证结构计算模型简化及增强结构整体性能的施工构造要求。
本文的创新之处在于:
l)密肋复合墙体三阶段力学模型的建立
在试验研究及理论分析的基础上，提出了墙体在不同阶段所采取的力学模型以描述剪切型
破坏墙体的全过程受力特点。弹性阶段一一复合材料等效弹性板模型;弹塑性阶段，一捆lJ架斜
压杆模型;破坏阶段一一梁铰框架模型。并在此基础上提出基于损伤的墙体全过程连续抗侧冈lJ
度公式。
2)密肋复合墙体复合材料计算模型的完善
结合课题组前期的研究成果，就墙体在弹性阶段的复合材料问题，提出两种正交各向异性
复合材料计算模型:二次单向纤维加强模型和双向纤维加强模型。并在此基础上，给出了适于
工程计算的各向同性墙体简化材料模型。
3)密肋复合墙体非线性数值模型的提出
通过密肋复合墙体非线性有限元分析，较为真实、简化地模拟了墙体的内力、裂缝、变形
发展的全过程及极限承载力水平;利用已验证的有限元计算模型，提供更多的反应信息，建立
了更为有效的墙体简化计算模型。
4)密肋复合墙体斜截面、正截面承载力实用计算公式的建立及墙体弯、剪破坏模式的判
定
建立了偏心受压和偏心受拉密肋复合墙体斜截面抗剪极限承载力计算公式，并就影响墙体
斜截面抗剪极限承载力的因素进行了讨论。建立了墙体正截面压弯、拉弯承载力实用计算公式
和轴心承载力计算公式，并给出了墙体最终发生弯、剪破坏模式的判定。
5)密肋复合墙体抗震设计方法的完善
根据试验拟合和理论计算，给出了墙体的退化四线型恢复力模型;提出了密肋复合墙体在
地震作用下可能发生的破坏模式和合理的破坏模式;结合抗震控制设计思想，探讨了密肋复合
墙体的抗震设计方法，并提出了保证结构计算模型简化及增强结构整体性能的施工构造要求。
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Multi-ribbed slab structure (MRSS) is a new structural system, characterized by low weight, high strength, saving energy and good aseismic performance. Though much progress has been achieved in previous study, there still remains a lot to be studied and perfected. The thesis is devoted to study on the multi-ribbed slab wall, the main bearing member in MRSS, including its mechanism, failure mode, aseismic capability, mechanical models, ultimate bearing capacity and aseismic design based on control. The paper mainly accomplished such work as follows:
1) Based on test research on multi-ribbed slab wall, the paper proposed the member's failure modes under horizontal loads, analyzed the co-performance between the inner frame and the infilled silica bricks and that between the slab and the outer frame, discussed the wall's bearing capacity, rigidity, deformation, ductility and energy dissipation ability in different modes, and put forward a simplified mechanical model of the slab wall under vertical loads.
2) Nonlinear FEM was employed to simulate the whole process of changing internal force and deformation, the appearance and development of cracks, and to describe the failure mode and the ultimate strength capacity level. In addition, proven analysis model can provide more information so as to break the limits of test study.
3) According to test study and theoretical analysis, the paper suggested different mechanical models for different stages. (1) Elastic stage. The wall was equaled to an elastic composite slab with silica bricks as main body and concrete rib beams, columns and outer frame as reinforcing fiber. (2) Elastic-plastic stage. The wall was equaled to a rigid frame-oblique compression bar model in which concrete frame was equivalent to a rigid frame while silica brick was equivalent to a oblique compression bar. (3) Failure stage. The wall was equaled to a beam-hinged frame. Furthermore, the paper proposed a rigidity formula of continuous function based on damage theory.
4) On the basis of previous study on elastic stage, the paper put forward two orthotropic composite material models, twice reinforced model and bi-reinforced model, and also a simplified isotropic material model for engineering.
5) Based on test results and going by ultimate balance theory, the paper drew anti-shear formula of the wall under eccentric loads, and discussed the main factors which influenced its anti-shear bearing capacity.
6) Based on plain section assumption, the paper studied the normal section bearing capacity of the wall. Stress, strain and deformation computation was combined to establish bearing capacity formulas
for the normal section under moment, unaxial loads and axial loads respectively.
7) Based on the formulas of oblique section bearing capacity and normal section bearing capacity, the paper set rules to determine the failure mode of the wall and gave several main factors.
8) The paper, according to test simulation and theoretical computation, suggested a retrogressive qua-linear restoring force model, proposed possible failure modes under earthquakes and the reasonable failure mode, probed aseismic design method, and advised detail requirements.
The originality of the thesis lies in:
1) To establish different mechanical models for different stages. During elastic stage, the wall was equaled to an elastic composite slab. During elastic-plastic stage, the wall was equaled to a rigid frame-oblique compression bar model. During failure stage, the wall was equaled to a beam-hinged frame. Furthermore, the paper proposed a rigidity formula of continuous function based on damage theory.
2) To improve the elastic caculation model of composite material. Based on previous study, the paper put forward two orthotropic composite material models, twice reinforced model and bi-reinforced model, and also a simplified isotropic material model for engineering.
3) To put forward simplified models. By means of nonlinear FEM, the whole process of changing internal force, the de
1) 通过对密肋复合墙体在水平低周反复荷载和单调荷载作用下的试验研究，提出了墙体的主要破坏模式；分析了框格与内部填充砌块、墙板与外框的共同工作的受力特点；探讨了不同破坏模式情况下墙体的承载能力、刚度、变形、延性、耗能等抗震性能，并给出了竖向荷载作用下密肋复合墙体的简化力学模型。
2) 通过密肋复合墙体非线性有限元分析，较为真实、简化地模拟墙体内力和变形发展的全过程，描述裂缝的形成和扩展以及墙体的破坏过程、破坏形态和极限承载力水平。同时，针对试验研究的局限性，利用通过验证的有限元分析模型，提供墙体更多的反应信息，从而建立更为有效的墙体简化计算模型。
3) 在试验研究及理论分析的基础上，提出了墙体在不同阶段所采取的力学模型以描述剪切型破坏墙体的全过程受力特点。(1)弹性阶段——将墙体视为一种以轻质砌块为基体，混凝土肋梁、肋柱、外框为增强纤维的复合材料等效弹性板；(2)弹塑性阶段——将墙体视为一个由钢筋混凝土刚架和与之铰接的砌块等效斜压杆组成的刚架斜压杆组合模型；(3)破坏阶段——将墙体视为肋梁严重破损的梁铰框架模型。并在此基础上提出基于损伤的墙体全过程连续抗侧刚度公式。
4) 结合课题组前期的研究成果，就墙体在弹性阶段的复合材料问题，提出两种正交各向异性复合材料计算模型：二次单向纤维加强模型和双向纤维加强模型，并在此基础上，给出了适于工程计算的各向同性墙体简化材料模型。
5) 通过大量的试验，依据极限平衡理论，采用理论与经验相结合的方法，本文提出了偏心
西安建筑科技大学博士学位论文
受压和偏心受拉密肋复合墙体斜截面抗剪极限承载力计算公式，并就影响墙体斜截面抗剪极限
承载力的因素进行了讨论。
6)以应变平截面假定为基础，对密肋复合墙体正截面极限承载力进行研究，即将墙体从初
始受荷到正截面极限状态的各阶段的应力、内力及变形计算贯通起来，建立了墙体正截面压弯、
拉弯承载力实用计算公式和轴心承载力计算公式。
7)根据墙体斜截面抗剪极限承载力公式和正截面极限承载力公式，给出了墙体最终发生弯、
剪破坏模式的判定，并提出了影响墙体最终破坏模式的主要因素。
8)根据试验拟合和理论计算，给出了墙体的退化四线型恢复力模型;提出了密肋复合墙体
在地震作用下可能发生的破坏模式和合理的破坏模式;结合抗震控制设计思想，探讨了密肋复
合墙体的抗震设计方法，并提出了保证结构计算模型简化及增强结构整体性能的施工构造要求。
本文的创新之处在于:
l)密肋复合墙体三阶段力学模型的建立
在试验研究及理论分析的基础上，提出了墙体在不同阶段所采取的力学模型以描述剪切型
破坏墙体的全过程受力特点。弹性阶段一一复合材料等效弹性板模型;弹塑性阶段，一捆lJ架斜
压杆模型;破坏阶段一一梁铰框架模型。并在此基础上提出基于损伤的墙体全过程连续抗侧冈lJ
度公式。
2)密肋复合墙体复合材料计算模型的完善
结合课题组前期的研究成果，就墙体在弹性阶段的复合材料问题，提出两种正交各向异性
复合材料计算模型:二次单向纤维加强模型和双向纤维加强模型。并在此基础上，给出了适于
工程计算的各向同性墙体简化材料模型。
3)密肋复合墙体非线性数值模型的提出
通过密肋复合墙体非线性有限元分析，较为真实、简化地模拟了墙体的内力、裂缝、变形
发展的全过程及极限承载力水平;利用已验证的有限元计算模型，提供更多的反应信息，建立
了更为有效的墙体简化计算模型。
4)密肋复合墙体斜截面、正截面承载力实用计算公式的建立及墙体弯、剪破坏模式的判
定
建立了偏心受压和偏心受拉密肋复合墙体斜截面抗剪极限承载力计算公式，并就影响墙体
斜截面抗剪极限承载力的因素进行了讨论。建立了墙体正截面压弯、拉弯承载力实用计算公式
和轴心承载力计算公式，并给出了墙体最终发生弯、剪破坏模式的判定。
5)密肋复合墙体抗震设计方法的完善
根据试验拟合和理论计算，给出了墙体的退化四线型恢复力模型;提出了密肋复合墙体在
地震作用下可能发生的破坏模式和合理的破坏模式;结合抗震控制设计思想，探讨了密肋复合
墙体的抗震设计方法，并提出了保证结构计算模型简化及增强结构整体性能的施工构造要求。
‘—‘忘赢下尸-~，———-一，-一于一一-一，尸一一~，....，，讯r，，曰.迁，，，一_
Multi-ribbed slab structure (MRSS) is a new structural system, characterized by low weight, high strength, saving energy and good aseismic performance. Though much progress has been achieved in previous study, there still remains a lot to be studied and perfected. The thesis is devoted to study on the multi-ribbed slab wall, the main bearing member in MRSS, including its mechanism, failure mode, aseismic capability, mechanical models, ultimate bearing capacity and aseismic design based on control. The paper mainly accomplished such work as follows:
1) Based on test research on multi-ribbed slab wall, the paper proposed the member's failure modes under horizontal loads, analyzed the co-performance between the inner frame and the infilled silica bricks and that between the slab and the outer frame, discussed the wall's bearing capacity, rigidity, deformation, ductility and energy dissipation ability in different modes, and put forward a simplified mechanical model of the slab wall under vertical loads.
2) Nonlinear FEM was employed to simulate the whole process of changing internal force and deformation, the appearance and development of cracks, and to describe the failure mode and the ultimate strength capacity level. In addition, proven analysis model can provide more information so as to break the limits of test study.
3) According to test study and theoretical analysis, the paper suggested different mechanical models for different stages. (1) Elastic stage. The wall was equaled to an elastic composite slab with silica bricks as main body and concrete rib beams, columns and outer frame as reinforcing fiber. (2) Elastic-plastic stage. The wall was equaled to a rigid frame-oblique compression bar model in which concrete frame was equivalent to a rigid frame while silica brick was equivalent to a oblique compression bar. (3) Failure stage. The wall was equaled to a beam-hinged frame. Furthermore, the paper proposed a rigidity formula of continuous function based on damage theory.
4) On the basis of previous study on elastic stage, the paper put forward two orthotropic composite material models, twice reinforced model and bi-reinforced model, and also a simplified isotropic material model for engineering.
5) Based on test results and going by ultimate balance theory, the paper drew anti-shear formula of the wall under eccentric loads, and discussed the main factors which influenced its anti-shear bearing capacity.
6) Based on plain section assumption, the paper studied the normal section bearing capacity of the wall. Stress, strain and deformation computation was combined to establish bearing capacity formulas
for the normal section under moment, unaxial loads and axial loads respectively.
7) Based on the formulas of oblique section bearing capacity and normal section bearing capacity, the paper set rules to determine the failure mode of the wall and gave several main factors.
8) The paper, according to test simulation and theoretical computation, suggested a retrogressive qua-linear restoring force model, proposed possible failure modes under earthquakes and the reasonable failure mode, probed aseismic design method, and advised detail requirements.
The originality of the thesis lies in:
1) To establish different mechanical models for different stages. During elastic stage, the wall was equaled to an elastic composite slab. During elastic-plastic stage, the wall was equaled to a rigid frame-oblique compression bar model. During failure stage, the wall was equaled to a beam-hinged frame. Furthermore, the paper proposed a rigidity formula of continuous function based on damage theory.
2) To improve the elastic caculation model of composite material. Based on previous study, the paper put forward two orthotropic composite material models, twice reinforced model and bi-reinforced model, and also a simplified isotropic material model for engineering.
3) To put forward simplified models. By means of nonlinear FEM, the whole process of changing internal force, the de
引文
[1-l] 国务院批转国家建材局等部门《关于加快墙体材料革新和推广节能建筑意见的通知》．[国发(1992)66号]
[1-2] 建设部办公厅关于印发《建设部建筑节能“九五”计划和2010年规划》的通知．[建办科(1995)80号]
[1-3] 建设部关于发布行业标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)》的通知．[建标(1995)708号]
[1-4] 建设部关于印发《建设部建筑节能座谈会纪要》的通知．[(95)建科推字第111号]
[1-5] 《建筑技术政策纲要》(1996—2010)，建筑技术开发． 1998 01
[1-6] 李明顺，尚春明．小康住宅建筑结构体系成套技术指南．中国建筑工业出版社．2001
[1-7] 朱伯芳．有限单元法原理与应用．中国水力水电出版社．2000
[1-8] 王绍豪，田玉萃．大开间灵活分离住宅结构设计．建筑技术．1998 02
[1-9] 徐有邻，李晓明．关于我国住宅楼盖结构形式的讨论．建筑结构．1991 04
[1-10] 赵西安．高层结构设计．中国建筑科学研究院．1995
[1-11] 刘大海等．高层建筑抗震设计．中国建筑工业出版社．1996
[1-12] 肖建庄，葛亚杰等．异型柱结构内力分析研究．结构工程师．2002 03
[1-13] 严士超，陈云霞等．集中刊载了11篇异形柱框架结构规程编制的依据论文专辑．建筑结构．1999 01
[1-14] 龚思礼等．建筑抗震设计．中国建筑工业出版社．1994
[1-15] 容柏生．高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系．建筑结构学报．1997 06
[1-16] 于庆荣，张洪波．CL建筑体系的设计与经济分析．施工技术．2000 07
[1-17] 王墨耕，王汉东．多层及高层建筑配筋混凝土空心砌块砌体结构设计手册．安徽科学技术技术出版社．1997
[1-18] 舒赣平，孟宪德．轻钢住宅结构体系及其应用．工业建筑．2001 08
[1-19] 张跃峰．建筑中的错列桁架结构体系．钢结构．2001 05
[1-20] 范涛．钢—钢筋混凝土组合结构在住宅中的应用．油气田地面工程．2002 08
[1-21] 西安建筑科技大学建筑工程新技术研究所．密肋壁板轻型框架结构理论与应用研究．2000
[1-22] 《小康住宅建筑结构体系成套技术指南》编写组．小康住宅建筑结构体系成套技术指南．中国建筑工业出版社．2001
[1-23] 姚谦峰．新型建筑结构住宅体系发展与应用．工业建筑．2002 08
[1-24] 黄炜，姚谦峰等．加外框密肋复合墙板抗震性能研究．工业建筑．2003 01
[1-25] 姚谦峰，黄炜．新型住宅结构体系发展与应用研究综述．施工技术．2003 10
[1-26] 姚谦峰．新型节能住宅结构体系的研究与发展．工程力学．2001(增刊)
[1-27] 周铁钢．多层密肋壁板结构受力性能分析及实用设计方法研究．西安建筑科技大学硕士学位论文．2002
[1-28] 贾英杰．高层密肋壁板结构计算理论及设计方法研究．西安建筑科技大学博士学位论文．2004
[1-29] 关海涛．密肋复合墙板简化计算模型及实用计算方法研究．西安建筑科技大学硕士学位论文．2002
[1-30] 姚谦峰，陈平，赵冬．密肋壁板结构研究与应用．第五届中日建筑结构技术交流会论文集．中国·西安．2001 06
[1-31] 姚谦峰，陈平．土木工程结构试验．中国建筑工业出版社．2001
[1-32] 王娴明．建筑结构试验．清华大学出版社．1988
[1-33] 康清梁．钢筋混凝土有限元分析．中国水利水电出版社．1996
[1-34] 朱伯芳．有限单元法原理与应用．中国水利水电出版社．1998
[1-35] 江见鲸．钢筋混凝土结构非线性有限元分析．陕西科学技术出版社．1994
[1-36] Bathe K.J. Finite Element Procedures. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. 1996
[1-37] Suidan M., Schnobrich W. C. Finite element analysis of reinforced concrete, J. of the Structural Division,. Vol.99,1997.10
[1-38] Schnobrich, W.C.,and Suidan, M. "Finite Element Analysis of Reinforced Concrete". ASCE Joumal of the Structural Division, ST10, pp. 2109-2122. 1973
[1-39] R.S.H. AL-Mahaidi. Nonlinear Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Subjected to Shear Loading.Heron. 26(1a),1981
[1-40] 沈观林．复合材料力学．清华大学出版社．1994
[1-41] 杜善义等．复合材料细观力学．科学出版社．1998
[1-42] 王秉权，杨荫萍．单向纤维增强复合材料弹性常数的实验研究．复合材料学报．1986 03
[1-43] Spencer, A. The transverse module of fiber composite material. Composites Sci. and Tech.. 27(2),1986,93-109
[4-44] B.S.Smith. Lateral stiffness of infilled frames. Proc.ASCE. VOL.88
[4-45] 田英侠．密肋复合墙板受力性能试验研究与理论分析．西安建筑科技大学硕士学位论文．2002
[4-46] 田英侠，姚谦峰等．密肋复合墙板等效弹性常数计算方法研究．工业建筑．2003 01
[4-47] 周小真，姚谦峰．格构板式轻型墙板抗震性能研究．西安冶金建筑学院学报．1993 25 01
[4-48] 贾英杰．中高层密肋壁板结构计算理论及设计方法研究．西安建筑科技大学博士学位论文．2004
[1-2] 建设部办公厅关于印发《建设部建筑节能“九五”计划和2010年规划》的通知．[建办科(1995)80号]
[1-3] 建设部关于发布行业标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)》的通知．[建标(1995)708号]
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[1-38] Schnobrich, W.C.,and Suidan, M. "Finite Element Analysis of Reinforced Concrete". ASCE Joumal of the Structural Division, ST10, pp. 2109-2122. 1973
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