分层板壳元在密肋复合墙板刚度分析中的应用
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摘要
摘要：密肋壁板结构体系是一种新型住宅结构体系,主要由预制密肋复合墙板和隐型框架及楼板现浇装配而成。作为一种新型节能住宅结构体系,密肋复合墙体有着很好的发展前景。前期,课题组已经针对密肋复合墙板做出了大量的工作,对密肋复合墙板的弹性抗侧刚度计算主要采用的是复合材料的概念。前期对密肋复合墙板进行ANSYS有限元模拟主要采用的是SOLID65与LINK8分别代表混凝土和钢筋来对结构进行分析。该方法能够分析墙体内力和变形发展的过程、裂缝的形成及开展等,但是并不适合于整体建筑结构的计算模拟。且建立一个实体模型的命令流往往要分成了几个部分,如建模、划分网格、建立钢筋模型、建立混凝土模型等,造成输入计算机时十分繁琐,且容易出错。本文从宏观角度出发,采用复合材料分层壳的概念将密肋复合墙板视为由钢筋层、混凝土层、砌块层组成的整体,来建立墙板的有限元计算模型。并将模型与实体模型、试验结果进行了对比,符合较好,证明该模型有一定的可行性。
本文所完成的工作主要包括以下方面：
1.通过将密肋复合墙板的刚度计算与框架-填充墙结构、剪力墙结构进行对比分析,结合密肋复合墙板由隐形框架及砌块共同组成的特点,提出了将密肋复合墙板的一种新型的弹性刚度计算方法。该方法概念明确,简单,更为适合结构的施工计算。
2.分析研究了有限元软件ANSYS提供的各种分层壳单元,根据实际情况选取了合适的单元并进行合理假定。采用分层壳元方法对密肋复合墙板进行弹性抗侧刚度的计算模拟分析,并对影响墙板的各项不同因素进行分析,如混凝土弹性模量、砌块弹性模量、肋柱的数量变化等,从分析结果可以看出,砌块弹性模量的变化对于密肋复合墙板的弹性抗侧刚度影响最大。
3.将密肋复合墙板的实体模型与分层壳元法建立的模型进行比对,总结了两者的共同点及不同点,及各自的优势与劣势。其中,相同点主要包括建模过程,使用的材料本构关系,加载方式等；不同点主要有有限元模型的建立方式不同,划分网格不同,分析内容不同等。分层壳元法的模型命令流仅与实体单元某一个块的大小差不多,输入十分方便,调试简便。
ABSTRACT:The multi-ribbed slab structure is a kind of new system of residence. It is mainly constructed by the multi-ribbed panel, the frame and the floor. As a new type of structural system, the multi-ribbed composite wall possesses a flourishing development prospect. In early days, a lot of achievements have been done. In the field of calculating the stiffness of the multi-ribbed wall, concept of the composite is mainly used. The numerical simulation of the wall is simulated by SOLID65and LINK8in ANSYS. This method could shows up the internal force, deformation and fissures of wall. But when refers to the simulation of a whole building made by the multi-ribbed wall, this kind of model is too complex for using. The command stream is so long that it has to be divided into parts. And when the command streams are input into computer, it is likely to mix up. From macroscopic angle, a model using the concept of layered shell element is constructed. In this article, results of solid model and layered shell element were compared, which can illustrate that this model is feasible.
Works finished in the paper can be listed as follows:
1. After research on the comparison among the multi-ribbed wall, infilled frame structure and shear wall, a new method for calculating the lateral stiffness of the multi-ribbed wall is provided. This process is simple and fit for the engineering calculation.
2. By studying on the elements provided by ANSYS, appropriate elements was selected combining the real situation. Numerical simulation using layered shell element was carried out on the wall's lateral stiffness. And various kinds of factors affecting the stiffness were considered. It is clear that the modulus of the block affects the wall's stiffness mostly.
3. Through comparing the wall's solid model and layered shell element model, similarities and differences, advantages and disadvantages were summarized. And command streams of the layered shell element model are so simple that only equal to one part of the solid model. It is easy to be input into the computer and simple to be debugged.
本文所完成的工作主要包括以下方面：
1.通过将密肋复合墙板的刚度计算与框架-填充墙结构、剪力墙结构进行对比分析,结合密肋复合墙板由隐形框架及砌块共同组成的特点,提出了将密肋复合墙板的一种新型的弹性刚度计算方法。该方法概念明确,简单,更为适合结构的施工计算。
2.分析研究了有限元软件ANSYS提供的各种分层壳单元,根据实际情况选取了合适的单元并进行合理假定。采用分层壳元方法对密肋复合墙板进行弹性抗侧刚度的计算模拟分析,并对影响墙板的各项不同因素进行分析,如混凝土弹性模量、砌块弹性模量、肋柱的数量变化等,从分析结果可以看出,砌块弹性模量的变化对于密肋复合墙板的弹性抗侧刚度影响最大。
3.将密肋复合墙板的实体模型与分层壳元法建立的模型进行比对,总结了两者的共同点及不同点,及各自的优势与劣势。其中,相同点主要包括建模过程,使用的材料本构关系,加载方式等；不同点主要有有限元模型的建立方式不同,划分网格不同,分析内容不同等。分层壳元法的模型命令流仅与实体单元某一个块的大小差不多,输入十分方便,调试简便。
ABSTRACT:The multi-ribbed slab structure is a kind of new system of residence. It is mainly constructed by the multi-ribbed panel, the frame and the floor. As a new type of structural system, the multi-ribbed composite wall possesses a flourishing development prospect. In early days, a lot of achievements have been done. In the field of calculating the stiffness of the multi-ribbed wall, concept of the composite is mainly used. The numerical simulation of the wall is simulated by SOLID65and LINK8in ANSYS. This method could shows up the internal force, deformation and fissures of wall. But when refers to the simulation of a whole building made by the multi-ribbed wall, this kind of model is too complex for using. The command stream is so long that it has to be divided into parts. And when the command streams are input into computer, it is likely to mix up. From macroscopic angle, a model using the concept of layered shell element is constructed. In this article, results of solid model and layered shell element were compared, which can illustrate that this model is feasible.
Works finished in the paper can be listed as follows:
1. After research on the comparison among the multi-ribbed wall, infilled frame structure and shear wall, a new method for calculating the lateral stiffness of the multi-ribbed wall is provided. This process is simple and fit for the engineering calculation.
2. By studying on the elements provided by ANSYS, appropriate elements was selected combining the real situation. Numerical simulation using layered shell element was carried out on the wall's lateral stiffness. And various kinds of factors affecting the stiffness were considered. It is clear that the modulus of the block affects the wall's stiffness mostly.
3. Through comparing the wall's solid model and layered shell element model, similarities and differences, advantages and disadvantages were summarized. And command streams of the layered shell element model are so simple that only equal to one part of the solid model. It is easy to be input into the computer and simple to be debugged.
引文
[1]张杰.密肋复合墙板受力性能及及斜截面承载力实用设计计算方法研究[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2004
[2]姚谦峰,张荫.新型建筑结构住宅体系发展与应用[J].工业建筑.2002.32(8).53-56
[3]袁泉,姚谦峰,贾英杰.蒸压加气混凝土砌块在新结构体系中的应用[J].建筑节能.2006.34(5)
[4]黄炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[D].西安建筑科技大学.博士学位论文.2004.5
[5]张元坤,李盛勇.刚度理论在结构设计中的作用和体现[J].建筑结构.2003.33(2)
[6]唐姗姗.基于正交试验的密肋复合墙体优化设计研究[D].北京交通大学.硕士学位论文.2009.5
[7]童岳生,钱国芳,梁兴文,郭滨华.砖填充墙钢筋混凝土框架的刚度及其应用[J].西安冶金建筑学院学报.1985.12(4)
[8]孟海.密肋复合墙板试验研究及刚度分析[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2004.2
[9]曹万林,王光远,吴建有.轻质填充墙异形柱框架结构层刚度及其衰减过程的研究[J].建筑结构学报.1987(3)
[10]黄炜,姚谦峰等.新型复合墙体弹性抗侧刚度计算分析[J].工程抗震与加固改造.2005.27(2).1-7
[11]张亮.基于基体-夹杂型复合材料的密肋复合墙体的等效弹性抗侧刚度研究[D].北京交通大学.硕士学位论文.2009.5
[12]王震鸣.复合材料力学和复合材料结构力学[M].
[13]江见鲸等.混凝土结构与砌体结构设计[M].第三版.北京.中国建筑工业出版社.2005.160-167
[14]张朝晖ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].第二版.北京.机械工业出版社.2009
[15]张仕廉,赵锋.我国低碳建筑市场运行模式研究[J].建筑经济.2010(2)
[16]卢求.中国如何发展低碳建筑[J].产业论坛.2010
[17]苑振芳,刘斌.我国砌体结构的发展状况与展望[J].建筑结构.1999
[18]河北省密肋壁板技术规程.DB13(J)64-2006[S].河北省建设厅.2006
[19]王震鸣.复合材料力学和复合材料结构力学[M].
[20]江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M].陕西科学技术出版社.1993
[21]王新敏ANSYS工程结构数值分析[M].第一版.北京.人民交通出版社.2009
[22]姚谦峰,黄炜.新型住宅结构体系发展与应用研究综述[J].工业建筑.2003.32(10).6-9
[23]田英侠.密肋复合墙板受力性能试验研究与理论分析[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2002
[24]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[J].工业建筑.2003.33(1).10-12
[25]田英侠,姚谦峰等.密肋复合墙板的刚度计算[J].西安工业学院学报.2005.25(1).68-71
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[27]常鹏,姚谦峰.密肋复合墙体水平承载力及抗侧刚度研究[J].北京交通大学学 报.2006.30(4).50-53
[28]徐建.密肋耗能复合墙体弹性抗侧刚度及其影响因素分析[D].北京交通大学.硕士学位论文.2009.6
[29]唐强.秸秆泥坯生态复合墙体抗震性能及抗震设计方法研究[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2009.5
[30]孟宏睿.生态轻质水泥基墙体材料性能及密肋复合墙体弹塑性分析模型研究[D].西安建筑科技大学.博士学位论文.2007
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[32]张朝晖ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].第二版.北京.机械工业出版社.2009
[33]田鹏.型钢混凝土边框柱密肋复合墙体承载力研究[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2009
[34]席秋红.生态复合墙体破坏模式研究[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2009
[35]关海涛.密肋复合墙板简化计算模型及实用计算方法研究[D].西安建筑科技大学.硕士学位论文.2002
[36]黄华,叶艳霞等.填充墙对框架结构抗侧刚度的影响分析[J].工业建筑.2010.40(12)
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[38]史庆轩,童岳生,钱国芳.砖填充墙钢筋混凝土框架的地震反应分析[J].西安建筑科技大学学报.1996.28(4)
[39]黄炜,姚谦峰,丁永刚,田洁.新型复合墙体的有限元建模技术研究[J].工业建筑.2005.35(11)
[40]王爱民,姚谦峰,吴敏哲.填充砌块对密肋复合墙体受力性能影响的非线性数值分析[J].工业建筑.2008.38(1)
[41]郑波.板的弹塑性弯曲有限元分析中的分层法[J].海军工程大学学报.2001.13(1)
[42]童申家,姚伟军等.钢筋混凝土板非线性有限元分析[J].西安建筑科技大学土木工程学报.2007.39(3)
[43]杜启收,司道林,徐昂.填充墙对框架结构的刚度效应分析[J].建筑.2009(19)
[44]田英侠,姚谦峰等.密肋复合墙板的刚度计算[J].西安工业学院学报.2005.25(1)
[45]刘彦鹏,冯仲齐.密肋壁板复合墙体的刚度参数计算[J].山西建筑.2008.34(25)
[46]孟海,姚谦峰,黄炜.密肋复合墙体弹性刚度试验及计算分析[J].建筑科学与工程学报.2006.23(3)
[47]郭猛,姚谦峰.密肋复合墙体刚度刚度退化全过程分析[J].天津大学学报.2010.43(9)
[48]李东波,赵冬,刘春燕.密肋壁板结构弹性刚度计算方法研究[J].水利与建筑工程学报.2010.8(1)
[49]郑建军,李庆勇等.混凝土微平面模型的参数研究与应用[J].四川建筑科学研究.2004.30(2)
[50]缪志伟,陆新征,叶列平,李易.微平面模型在剪力墙结构计算中的应用[J].深圳大学学报.2008.25(2)
[51]贾明晓,欧碧峰,王君杰.钢筋混凝土微平面本构模型及其算法研究[J].振动与冲击.2010.29(5)
[52]卢鹏程.基于微平面理论的混凝土非线性有限元分析[J].混凝土.2010(8)
[53]涂逢祥,王庆一.建筑节能——中国节能战略的必然选择(上)[J].节能与环保.2004(8)
[54]邹晓舟,曲菲.绿色节能主义之低碳建筑[J].建筑节能.2009.38(4)
[55]Wilhelm Rust, Karl Schweizerhof. Finite element limit load analysis of thin-walled structures by ANSYS(implicit), LS-DYNA(explicit) and in combination [J].Thin-walled Structures. 41.(2003)227-244
[56]Eduardo Miranda, M.ASCE, Carlos J. Reyes. Approximate Lateral Drift Demands in Multistory Buildings with Nonuniform Stiffness [J].Journal of Structural Engineering.2002
[57]B. Doepker, L.N.Lowes, D.E.Lehman. Evaluation of Practical Methods for Analysis of Reinforced Concrete Walls[J].Structures Congress 2008
[58]Sinan Altin, Ugur Ersoy, Tugrul Tankut.Hysteretic Response of Reinforced-Concrete Infilled Frames[J]
[59]A. Neuenhofer, P.E..Lateral Stiffness of Shear Walls with Openings[J].Journal of Structural Engineering.2006
[60]Cem Topkaya, Mehmet Atasoy.Lateral Stiffness of Steel Plate Shear Wall Systems[J].Thin-Walled Structures 47 (2009) 827-835
[61]X.Qi, S.J.Pantazopoulou.Response of RC Frame Under Lateral Loads[J]
[62]Gianluca Cusatis, Alessandro Beghini, Zdenek P. Bazant.Spectral Stiffness Microplane Model for Quasibrittle Composite Laminates-Part I:Theory[J] Journal of Applied Mechanics.2008
[63]Ferhun C. Caner, Zdenek P. Bazant.Microplane Model M4 for Concrete. Ⅱ:Algorithm and Calibration[J]Journal of Engineering Mechanics.2000
[64]Goangseup Zi, Zdenek P. Bazant. Continuous Relaxation Spectrum for Concrete Creep and its Incorporation into Microplane Model M4[J].Journal of Engineering Mechanics.2002
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[45]刘彦鹏,冯仲齐.密肋壁板复合墙体的刚度参数计算[J].山西建筑.2008.34(25)
[46]孟海,姚谦峰,黄炜.密肋复合墙体弹性刚度试验及计算分析[J].建筑科学与工程学报.2006.23(3)
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[62]Gianluca Cusatis, Alessandro Beghini, Zdenek P. Bazant.Spectral Stiffness Microplane Model for Quasibrittle Composite Laminates-Part I:Theory[J] Journal of Applied Mechanics.2008
[63]Ferhun C. Caner, Zdenek P. Bazant.Microplane Model M4 for Concrete. Ⅱ:Algorithm and Calibration[J]Journal of Engineering Mechanics.2000
[64]Goangseup Zi, Zdenek P. Bazant. Continuous Relaxation Spectrum for Concrete Creep and its Incorporation into Microplane Model M4[J].Journal of Engineering Mechanics.2002