框架—剪力墙结构拟动力试验与弹塑性有限元分析
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摘要
框架—剪力墙结构是应用较为广泛的一种结构体系，但对于大型工业厂房中的框—剪结构，其抗震性能及弹塑性位移研究还很不够深入。本文通过对大型火电厂主厂房纵向框—剪体系进行拟动力模型试验，研究了此类框—剪结构的受力特点、破坏过程及承载力、刚度、变形、延性和耗能性能，并提出了改进结构抗震耗能性能的设计建议。
结合我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的要求，采用杆系单元编写了钢筋混凝土框架-剪力墙结构静力弹塑性有限元分析程序。该程序具有与我国规范紧密结合且工程应用方便等特点，可反映框架-剪力墙结构和框架结构在水平地震作用下的破坏全过程与破坏机理，得到其主要受力特征，并可寻找其薄弱部位或薄弱环节，验算其是否能够满足规范的抗震设防要求。程序分析结果与试验结果吻合较好。
应用该程序，本文对某大型火电厂钢筋混凝土结构主厂房纵向框架-剪力墙结构体系的试验模型和原型结构进行了分析比较，得到了这类结构抗震性能的一般规律，提出了一些新的抗震设计理念与构造建议；同时结合研究成果，为我国现行《建筑抗震设计规范》中基于承载力的抗震设计方法提出了一些修订建议。
Frame-Shear Wall structure is widely used in Civil engineering, but the study of earthquake resistant behavior and elastic-plastic finite element analysis is very poor for this structure used in large industrial factory building. According to model pseudo dynamic test of the longitudinal frame-shear wall structure of main factory building in a large thermal power plant, the paper investigates loading behavior, failure proceeding, strength, rigidity, deformation, ductility and behavior of dissipating seismic energy, and puts forward suggestions of improving structural anti-seismic behavior.
According to the demand of the revision of CSDB, the program for the spectrum-based static elastic-plastic analysis of frame-shear wall structure is written by the finite element method. Not only does this program have the advantage of connecting with CSDB of China , it is convenient for application as well. Using the program, wecangetthewhole failureprocess, the failuremechanism, the internal force characteristics and the weak parts of the frame-shear wall structure when it is suffering the lateral seismic action. Furthermore, Comparing between the results calculated by the program and that of the test indicate that they are analogical.
Using the program, both the model structure and the prototype of the longitudinal frame-shear wall structure system of main factory building in a large thermal power plant are analyzed, from which we get the regular pattern of earthquake resistant behaviors of this kind of structure and propose the recommends for b oth s eismic d esign and c onstruction. B esides, t he a uthor p oints o f t he b earing capacity-based seismic design method which is adopted by the current CSDE are pointed and some proposals are given.
结合我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的要求，采用杆系单元编写了钢筋混凝土框架-剪力墙结构静力弹塑性有限元分析程序。该程序具有与我国规范紧密结合且工程应用方便等特点，可反映框架-剪力墙结构和框架结构在水平地震作用下的破坏全过程与破坏机理，得到其主要受力特征，并可寻找其薄弱部位或薄弱环节，验算其是否能够满足规范的抗震设防要求。程序分析结果与试验结果吻合较好。
应用该程序，本文对某大型火电厂钢筋混凝土结构主厂房纵向框架-剪力墙结构体系的试验模型和原型结构进行了分析比较，得到了这类结构抗震性能的一般规律，提出了一些新的抗震设计理念与构造建议；同时结合研究成果，为我国现行《建筑抗震设计规范》中基于承载力的抗震设计方法提出了一些修订建议。
Frame-Shear Wall structure is widely used in Civil engineering, but the study of earthquake resistant behavior and elastic-plastic finite element analysis is very poor for this structure used in large industrial factory building. According to model pseudo dynamic test of the longitudinal frame-shear wall structure of main factory building in a large thermal power plant, the paper investigates loading behavior, failure proceeding, strength, rigidity, deformation, ductility and behavior of dissipating seismic energy, and puts forward suggestions of improving structural anti-seismic behavior.
According to the demand of the revision of CSDB, the program for the spectrum-based static elastic-plastic analysis of frame-shear wall structure is written by the finite element method. Not only does this program have the advantage of connecting with CSDB of China , it is convenient for application as well. Using the program, wecangetthewhole failureprocess, the failuremechanism, the internal force characteristics and the weak parts of the frame-shear wall structure when it is suffering the lateral seismic action. Furthermore, Comparing between the results calculated by the program and that of the test indicate that they are analogical.
Using the program, both the model structure and the prototype of the longitudinal frame-shear wall structure system of main factory building in a large thermal power plant are analyzed, from which we get the regular pattern of earthquake resistant behaviors of this kind of structure and propose the recommends for b oth s eismic d esign and c onstruction. B esides, t he a uthor p oints o f t he b earing capacity-based seismic design method which is adopted by the current CSDE are pointed and some proposals are given.
引文
[1] 建筑抗震设计规范GB50011-2001，中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布，2001年
[2] 郑正昌，三维立体非线性结构动力分析法，以日本鹿儿岛飞机场航站的耐震补强技术为例，第五届中日建筑结构技术交流会，西安
[3] 李康宁，洪亮，结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用，建筑结构，2001年第3期
[4] 童衍蕃，高层建筑三维弹塑性动力分析，建筑结构学报,1991年，第5期
[5] 陈德彬，多维地震作用下结构的动力反应分析，高层建筑抗震技术交流会论文集，第三届
[6] 李宏男，建筑结构在多维地震作用下的抗震计算方法，高层建筑抗震技术交流会论文集，第三届
[7] 严士超，刘文彬，高层建筑结构分析的有限元——有限条耦合方法，高层建筑抗震技术交流会论文集，第三届
[8] 李丛林，程耀芳，高层建筑结构考虑楼板变形的超元法，建筑结构，2000年2月，第30卷第2期
[9] 严士超，李宁，高层简体结构动力分析的样条子结构—综合离散法，高层建筑抗震技术交流会论文集，第三届
[10] 刘睫，梅占馨，高层建筑刚臂——芯筒结构体系的弹塑性动力分析的迁移子结构法，西安公路交通大学学报，Vol．17，No．2 Junl997
[11] 改进的Ritz向量迭加法在高层结构非线性动力分析中的应用，湖南大学学报，Vol．24，No．5 Octl997
[12] 李春和，高层建筑结构动力分析模型的选取，同济大学学报，Vol．27 No．5 Oct．1999
[13] 刘大海，杨翠如，种锡根，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社
[14] 李国强，谢卫兵，沈祖炎，高层支撑钢框架弹塑性地震反应简化分析模型，建筑结构，1996年，第31卷第3期
[15] 高小旺，地震作用下多层剪切型结构弹塑性位移反应的实用计算方法，土木工程学报，1984年9月，第17卷第3期
[16] 王亚勇，关于设计反应谱、时程法和能量法的探讨，建筑结构学报，2000年第一期
[17] H.Krawinkler and G.d.P.K. Seneviratna :Pros and Cons of a Pushover Analysis of Seismic
Performance Evaluation,Engineering Structures,20(4-6), 1998,452-464
[18] 李英民，王亚勇，赖明，结构静力弹塑性分析(Push-over)方法的改进，建筑结构学报，Vol．21，No．1 Feb．2000
[19] 叶燎原，潘文，结构静力弹塑性分析(Push-over)的原理和计算实例，建筑结构学报，Vol．21，No．1 Feb．2000
[20] 王松涛，曹资，现代抗震设计方法，中国建筑工业出版社
[21] 龚思礼等，建筑抗震设计，中国建筑工业出版社
[22] 魏琏，高层及多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册，地震出版社
[23] 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
[24] 朱伯龙、余安东，钢筋混凝土非线性全过程分析，同济大学学报，1983年第3期
[25] 潘亦陪、江利仁，框—剪结构的几何与材料非线性分析，同济大学学报，1991年第3期、
[26] 郭泰，钢筋砼梁转移塑性铰框架弹塑性全过程分析方法与程序设计，建筑结构，1994年第7期
[27] 孙业扬、余安东等，高层建筑杆系——层间模型弹塑性动态分析，同济大学学报，1980年第1期
[28] 顾祥林、孙飞飞，钢筋混凝土框架单调加载试验的计算机仿真分析，同济大学学报，1996年8月
[29] 刘南科，钢筋混凝土框架考虑变刚度的弹塑性计算，重庆建筑工程学院学报，1982年1期
[30] 傅传国、蒋永生、姜卫杰，框架结构破坏及防倒塌机制模型，工程抗震，1996年第4期
[31] 秦荣、谢肖礼，高层建筑结构弹塑性分析的新方法，土木工程学报，1994年12月
[32] 高振世：钢筋混凝土框架单元延性的试验研究，南京工学院建筑结构研究室，1983．2
[33] 王崇昌、王宗哲、陈平、董至仁，钢筋混凝土剪力墙的延性，西安冶金建筑学院学报，1987年第1期
[34] 王亚勇、王理等，厦门武夷花园大厦结构弹塑性地震反应分析，建筑结构，1995年第3期
[35] 陈平，王社良，开洞剪力墙弹塑性性能研究，西安冶金建筑学院学报，1993年第1期
[36] 丰定国、王清敏、钱国芳、苏三庆，工程结构抗震，地震出版社，1994年
[37] 刘大海，杨翠如，厂房抗震设计．中国建筑工业出版社
[38] 过镇海，钢筋混凝土原理，清华大学出版社，1999．3
[39] 郭子雄、吕西林、王亚勇：建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨，工程
抗震，1998(2)
[40] 郭子雄、吕西林、王亚勇：建筑结构在罕遇地震下弹塑性变形验算的讨论，工程抗震，1999(1)
[41] 叶燎原、潘文，结构静力弹塑性分析(push-over)的原理和计算实例，建筑结构学报，2000年2月
[42] 杨溥、李英民、王亚勇、赖明，结构静力弹塑性分析(push-over)方法的改进，建筑结构学报，2000年2月
[43] T.Vidic, P. Fajfar and M.Fischinger: Consistent inelastic design spectra:strength and displacement, Earthquake Engineering and Structural Dynamics,Vol. 23, 1994
[44] Hiroshi KURAMOTO:Predicting the earthquake response of buildings using equivalent single degree of freedom system, 12WCEE,2000
[45] Golubka S NECEVSKA-CVETANOVSKA and Roberta P PETRUSEVSKA:Methodology for Seismic design of R/C building structures, 12WCEE, 2000
[46] 童岳生，钢筋混凝土建筑结构，陕西科学出版社
[47] 刘大海等，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，1991
[48] 王社良等 大型火电厂主厂房纵向框架-剪里力墙结构抗震性能研究报告 2000．9
[2] 郑正昌，三维立体非线性结构动力分析法，以日本鹿儿岛飞机场航站的耐震补强技术为例，第五届中日建筑结构技术交流会，西安
[3] 李康宁，洪亮，结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用，建筑结构，2001年第3期
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[8] 李丛林，程耀芳，高层建筑结构考虑楼板变形的超元法，建筑结构，2000年2月，第30卷第2期
[9] 严士超，李宁，高层简体结构动力分析的样条子结构—综合离散法，高层建筑抗震技术交流会论文集，第三届
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[18] 李英民，王亚勇，赖明，结构静力弹塑性分析(Push-over)方法的改进，建筑结构学报，Vol．21，No．1 Feb．2000
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[22] 魏琏，高层及多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册，地震出版社
[23] 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
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[26] 郭泰，钢筋砼梁转移塑性铰框架弹塑性全过程分析方法与程序设计，建筑结构，1994年第7期
[27] 孙业扬、余安东等，高层建筑杆系——层间模型弹塑性动态分析，同济大学学报，1980年第1期
[28] 顾祥林、孙飞飞，钢筋混凝土框架单调加载试验的计算机仿真分析，同济大学学报，1996年8月
[29] 刘南科，钢筋混凝土框架考虑变刚度的弹塑性计算，重庆建筑工程学院学报，1982年1期
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[39] 郭子雄、吕西林、王亚勇：建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨，工程
抗震，1998(2)
[40] 郭子雄、吕西林、王亚勇：建筑结构在罕遇地震下弹塑性变形验算的讨论，工程抗震，1999(1)
[41] 叶燎原、潘文，结构静力弹塑性分析(push-over)的原理和计算实例，建筑结构学报，2000年2月
[42] 杨溥、李英民、王亚勇、赖明，结构静力弹塑性分析(push-over)方法的改进，建筑结构学报，2000年2月
[43] T.Vidic, P. Fajfar and M.Fischinger: Consistent inelastic design spectra:strength and displacement, Earthquake Engineering and Structural Dynamics,Vol. 23, 1994
[44] Hiroshi KURAMOTO:Predicting the earthquake response of buildings using equivalent single degree of freedom system, 12WCEE,2000
[45] Golubka S NECEVSKA-CVETANOVSKA and Roberta P PETRUSEVSKA:Methodology for Seismic design of R/C building structures, 12WCEE, 2000
[46] 童岳生，钢筋混凝土建筑结构，陕西科学出版社
[47] 刘大海等，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，1991
[48] 王社良等 大型火电厂主厂房纵向框架-剪里力墙结构抗震性能研究报告 2000．9