1、硕 士 学 位 论 文基于构件变形的框支剪力墙抗震性能研究作 者 姓 名学 科 专 业 结 构 工 程指 导 教 师 教 授所 在 学 院 土 木 与 交 通 学 院论 文 提 交 日 期 年 5 月华南理工大学硕士学位论文基于构件变形的框支剪力墙抗震性能研究作者姓名： 指导教师姓名、职称： 教授申请学位级别：工学硕士 学科专业名称：结构工程研究方向：高层建筑结构论文提交日期：年 4 月 20 日 论文答辩日期： 年 月 日学位授予单位：华南理工大学 学位授予日期： 年 月 日答辩委员会成员：主席： 委员： I摘 要我国现行的抗震设计方法主要是通过小震弹性计算和相应的抗震构造措施来满足结构的安
2、全要求，实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标，但这种设计方法无法定量地评估结构在大震作用下的破坏情况及性能状态。本文提出基于构件变形指标的抗震性能评估方法能很好的弥补现行设计方法的不足；采用该评估方法，能更准确地了解结构在罕遇地震作用下真实的破坏情况，有助于结构实际抗震能力的评估，为基于性能的抗震设计提供了切实可行的思路和方法。本文根据基于构件变形指标的抗震性能评估方法，采用 Perform-3D 程序对框支剪力墙结构进行弹塑性时程分析，对该结构类型的抗震性能进行研究，具体的研究内容如下：（1）结合基于性能抗震设计的思想，确定各混凝土构件的性能指标限值，划分构件的性能状态，确定构件性
3、能的评估流程，进而提出基于构件变形指标的抗震性能评估方法。（2）根据现行规范的要求，设计出不同层数、不同设防烈度、不同场地特征周期以及不同转换层位置的 28 栋框支剪力墙结构；为每个结构模型选择 20 条符合规范要求的地震波，进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，并对弹塑性分析模型及计算结果的有效性进行验证。（3）将 28 个模型分成 A、B 两组，分组对弹塑性时程的结果进行分析。对于以层数、设防烈度、场地特征周期为变量的 A 组 24 个模型，主要分析了层间位移角和梁、柱、剪力墙性能状态的分布规律；对于以转换层位置为变量的 B 组 4 个模型，主要分析了转换层位置对周期、振型、层间位移角、各构
4、件性能状态的影响。最后分析按中国规范设计的框支剪力墙结构在罕遇地震作用下的性能状态和抗震安全性。（4）针对弹塑性时程分析地震波选取方法的不足，本文提出了反映地震波对应反应谱与规范反应谱吻合程度的长周期反应谱拟合系数，利用该系数总结出在弹塑性时程分析中地震波的选取方法。关键词：框支剪力墙；抗震性能；弹塑性时程分析；地震波选取；基于构件变形IIAbstractThe current seismic design method in our country is that,the elastic calculation under small earthquake as well as the re
5、lated details of seismic design is used to meet the security requirements of structure and the target of no damage under frequent earthquake,repairable damages under basic earthquake and no collapse under rare earthquake. But it cant assess the damage and performance of the structure quantitatively
6、under strong earthquakes by this kind of design method. This paper put forward the assessment method of seismic performance based on the component deformation, which can make up for the deficiency of the current design method. By using the assessment method , it helps to make more accurate understan
7、ding of the real structure damage under rare earthquake and the actual seismic capacity evaluation of structrue, to provide the feasible ideas and method for seismic design based on performance. According to the seismic performance evaluation method based on component deformation index, this paper s
8、tudies the seismic performance of frame-supported shear wall structure through the elastic-plastic time-history analysis by means of PERFORM-3D.The main research content is as follows:(1)Integrating the thought of the performance-based seismic design, define the performance index value of concrete c
9、omponents, divide the performance state, determine the evaluation process and put forward the seismic performance evaluation method based on component deformation index.(2)According to the requirements of the current code, design twenty eight frame-supported shear wall structures, which has number o
10、f floors, seismic fortification intensity, characteristic site period and the location of transfer floor as variables. Select twenty seismic waves for each structure model and carry on the elasto-plastic analysis under severe earthquake. Then verify the validity of the elasto-plastic analysis model
11、and the calculation results.(3)Divide twenty eight models into A, B two groups and analyze the calculation results IIIof the elastic-plastic time-history analysis by group. For group A with twenty four models in three variables including storey height, seismic fortification intensity, characteristic
12、 site period, mainly analyze the distribution law of inter-story displacement angle and the performance state of beam, column as well as shear wall. For group B including four models of different location of transfer floor, mainly analyze the influence of the transfer floor location on period, vibra
13、tion mode, inter-story displacement angle and the performance state of different component. Finally, analyze the performance state and seismic safety of frame-supported shear wall designed in Chinese code under severe earthquake.(4)For the deficiency of the method of selecting seismic waves in elast
14、ic-plastic time-history analysis, this paper puts forward Long-Period Spectrum Fitting Confficient , which can reflect the fitting degree of spectrum between seismic wave and code. By using the cofficient, the selection method of seismic wave in elastic-plastic time-history analysis is summarized.Ke
15、y words: Frame-supported shear wall; Seismic performance; Elastic-plastic time-history analysis; Selection of seismic wave; Component deformation index IV目录第一章 绪论.11.1 高层建筑结构的发展.11.1.1 高层建筑的发展概况 .11.1.2 高层建筑结构的发展趋势 .11.2 转换层结构在高层建筑中的研究现状.31.2.1 转换层结构的主要结构形式及其特点 .31.2.2 转换层的研究现状 .41.3 基于性能抗震设计方法的研究现状
16、.51.3.1 国外的基于抗震性能研究现状 .51.3.2 国内的抗震性能研究现状 .61.3.3 基于性能抗震设计方法的简介 .61.4 本文主要的研究工作.7第二章 基于构件变形的抗震性能评估方法.92.1 RC 构件性能状态的划分标准 .92.2 RC 构件的变形性能指标限值 .102.2.1 RC 梁的变形性能指标限值 .102.2.2 RC 柱的变形性能指标限值 .122.2.3 RC 墙的变形性能指标限值 .142.3 构件性能状态的划分.162.4 构件性能的评估流程.172.5 本章小结.19第三章 Perform-3D 的弹塑性分析方法 .203.1 Perform-3D 简
17、介 .203.2 材料本构参数的确定.203.2.1 Perform-3D 的本构形式 .203.2.2 混凝土本构确定 .213.2.3 钢筋本构确定 .25V3.3 单元构件的模拟.273.3.1 框架单元构件的模拟 .273.3.2 剪力墙的模拟 .283.4 Perform-3D 的前后处理程序 .313.4.1 PPP 前处理程序 .313.4.2 PPP 后处理程序 .323.5 基于 Perform-3D 的结构抗震性能评估流程 .343.6 本章小结.35第四章 框支剪力墙弹塑性分析模型的建立.364.1 框支剪力墙的结构设计.364.1.1 结构概况 .364.1.2 弹性计
18、算的分析参数及计算结果 .384.2 地震波的选取.404.2.1 地震时程的选取原则 .404.2.2 地震时程的选取过程及结果 .414.3 Perform-3D 弹塑性分析模型的正确性验证 .454.3.1 Perform-3D 的参数设置 .464.3.2 模态分析 .474.3.3 能量误差分析 .504.3.4 罕遇与多遇地震下结构的基底剪力对比 .534.4 本章小结.55第五章 罕遇地震作用下的抗震性能分析.565.1 模型 A 组的抗震性能分析 .565.1.1 层间位移角 .565.1.2 底部框支剪力墙的内力分配 .585.1.3 连梁的结果分析及性能评估 .605.1.
19、4 转换梁和框支柱 .645.1.5 剪力墙 .65VI5.2 模型 B 组的抗震性能分析 .675.2.1 转换层位置对周期、振型的影响 .675.2.2 转换位置对层间位移角的影响 .695.2.3 转换层位置对内力分配的影响 .705.2.4 转换层位置对构件性能的影响 .705.3 结构的安全性评估.735.3.1 安全极限状态的确定 .735.3.2 安全保证率的确定 .735.3.3 安全性判定的原则 .745.3.4 安全性判定结果 .745.3.5 薄弱层非落地剪力墙的加强 .755.4 本章小结.77第六章 长周期结构弹塑性分析地震波的选取.796.1 引言.796.2 长周
20、期反应谱拟合系数.806.3 地震波特性统计.816.4 地震波库的确定.826.5 本章小结.84结论.85研究成果.85展望.86参考文献.88附录.92攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果 .94致 谢.95第一章 绪论1第一章 绪论1.1高层建筑结构的发展1.1.1 高层建筑的发展概况社会发展、科技创新以及人们多样化的生活需求，使高层建筑应运而生；随着城镇化脚步的加快，工商业的不断发展，城市的土地资源越来越少，促进了高层建筑进一步迅猛地发展。高层建筑是经济、社会、科技等的发展结晶，体现了一个国家经济、社会、科技的发展水平。近年来，大量的高层建筑如雨后春笋遍布全国，尤其是北京，上海，深圳
21、，广州等国际大都市，高层建筑的发展速度惊人，楼层数不断增加，建筑高度不断突破，结构形式呈现多样化 1。例如 57 层的北京京广中心在 1990 年建成，总高度为 208 米，是我国内陆首次超过 200 米的一栋高层建筑。深圳地王大厦在 1996 年建成，共 80 层，高 322 米，是我国首栋高度超过 300 米的高层建筑，至今仍然是深圳的标志性建筑。88 层的上海金茂大厦，在 1998 年建成，总高度为 421 米。随后出现 460 米高的上海环球金融中心、509 米高的台北 101 大厦以及 600 米高的广州电视塔等，这一系列建筑的建成不断刷新着高度，结构体系也不断更新。国外的高层建筑发
22、展比较早，最具有代表性的就是美国。不管是在数量、质量还是高度上都处于领先的地位。美国高层建筑的发展已上百年历史，它创造了全新的结构体系，所以世界各国都可以向其借鉴经验。上个世纪末开始，美国就陆续建成了高层建筑：例如 1911 年建成的纽约渥尔华斯大厦高 241 米，1931 年建成的帝国大厦高381 米，1973 年建成的世界贸易中心双子楼高 411.5 米，2013 年落成的新世界贸易中心总高度为 541 米，不断创造新的高度记录。不仅仅是美国，其他国家的高层建筑也不断发展，例如 1998 年建成的吉隆坡石油双塔高 452 米；2007 年建成的迪拜塔高 828米，是目前的世界第一高楼。1.
23、1.2 高层建筑结构的发展趋势（1）建筑功能和用途向多样化发展随着时间的推移，我国的高层建筑从一般的住宅、办公楼、旅馆等发展为多功能华南理工大学硕士学位论文2的综合大楼，一般上部为住宅、宾馆，中部为写字楼，下部为商场、酒店等，而地下为停车场或地铁站。这样的建筑综合性比较强，能同时满足不同用户的需求。由于在一栋建筑中有不同功能的楼层，因此需要进行不同的空间划分，这样就导致上下部的结构布置发生改变，所以要在结构布置发生改变的地方设置转换层，以实现建筑的功能。（2）建筑材料种类多样近年来高层建筑由特大城市逐渐向中小城市发展，钢筋混凝土结构仍是主流，而混合结构与钢结构也得到了巨大的发展。由于混凝土材料
24、取材方便，钢筋用量较少，而且防火性能比钢结构好，造价低廉，钢筋混凝土结构在世界高层建筑中居于主导的地位。由于砖混砌体结构本身的局限性，例如抗拉强度低，因此不宜用在高层建筑中，但是它造价低，在没有抗震设防要求的地区可以使用。钢结构相对上述两种结构而言抗拉、抗压和抗弯抗剪性能比较好，而且钢结构本身自重比较轻，延性好，施工速度快，可用于超高层和一些大跨结构中。但是钢结构造价高，防火性能差，而且设计、施工技术要求高，因此并没有得到广泛的应用。随着科研的进步和技术的创新，在未来的高层建筑中，钢结构将会像钢筋混凝土结构一样逐渐得到广泛的应用。混合结构和钢混组合结构则能集钢筋混凝土和钢结构的优点于一身，同样
25、将是高层建筑发展的趋势。（3）建筑结构体系日益增加高层建筑的结构形式多样，其中比较常见的是筒体、剪力墙、框剪和框架等结构类型。最早使用的是框架结构，其结构构件主要包括梁和柱，而墙只有围护分隔作用，不承担荷载；然而高层建筑的框架结构变形比较大，抗震不利。剪力墙结构主要由纵横向的剪力墙承受水平和竖向荷载，由于刚度大、抗震性能好，所以广泛应用在高层建筑中。而框架剪力墙结构指的是在框架结构里布置剪力墙，这样空间布置比较灵活，侧向刚度很大，可以抵抗风荷载和水平地震的作用。筒体结构主要依靠密柱深梁或剪力墙形成的内外筒体抵抗水平荷载，具有空间大，抗震性能好等优点。现代高层建筑已经从框架逐渐向框筒、剪力墙，框剪等结构类型发展，有利于抗震性能的提高。（4）建筑体型复杂为了建筑视觉的美观和设计需要，高层建筑的平面和立面不会是规规矩矩、方方
