钢筋混凝土墙静力弹塑性分析.pdf

2 0 0 7 年 1 2 月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 4 D E C 2 0 0 7 钢筋混凝土墙静力弹塑性分析 何涛 ( 哈尔滨工业大学建筑设计研究院深圳分院) 【 摘要】以天津市审图中心对 “ 天津滨海新区公交总站业务用房”提 出验算屋顶钢筋混凝土装饰墙整体 稳定的审查意见为背景，利用大家熟悉的软件 S A T W E 与 目前正迅速推广的 S A P 2 0 0 0 相结合 ，对钢筋混凝 土装饰墙进行基于受力I 生 能的静力弹塑性 ( P U S H - O V E R) 分析。本次分析不仅考虑 了材料和大变形引起 的非线性，同时也简单地考虑 了由施 r - i 差引起的几何非线性。 【 关键词】钢筋混凝土装饰墙整体稳定分析 分层壳单元 第一类稳定分析 第二类稳定分析 1 引言 随着结构理论 以及计算软件 的日益完善 ，对于 曾经困扰设计人员的非线性分析 问题现在 已经能够 比 较容易地解决了。非线性分析包括三类 问题：材料 非线性，接触非线性，几何非线性。整体稳定分 析包括了材料和几何这两类非线性。本文先用 S A T W E 对钢筋混凝土装饰墙进行弹性分析， 然后再用新版的 S A P 2 0 0 0进行弹塑性分析 ，并 比较得 出结论。本文的 目的不在于对稳定理论进行广泛而深入的探究， 而是 想通过广大设计人员能掌握的软件作出准确和快速的 判 断，从 而把握 设计 的方 向。 2 分析要 求 根据天津市审图中心就“ 天津滨海新区公交总 站业务用房工程 ”提出的审图意见要求， 对屋顶标高 2 2 5 米处，4 米高，0 2米宽的钢筋混凝土装饰墙进 行地震和风荷作用下 的稳定验算 。由于该墙顶端没有 不动支座支撑， 因而不符合 高层建筑混凝 土结构 技术规程附录 D 关于墙体稳定计算的前提条件，本 Z 次计算将考虑施工误差 、材料非线性 、几何非线性 的影响，对构件进 行静 力弹 塑性 全过程推覆分析 。 3 分析软件及软件用途 1 P K P M系列 的 S A T W E： 钢筋混凝土装饰墙在 S A T W E整体模型中创建，求得地震和风作用下墙底最 大 的剪 力 ，用 于 比较 。 2 C S I 系列的 S A P 2 0 0 0 V l 1 ：进行第一类和第 二类稳定分析 ，求得构件静力弹塑性全过程推覆情 况 下 的性能 ，进 行安 全评 估 。 4 分析原理及过程 a )S A T W E的分析原理及过程略 b ) S A P 2 0 0 0的分析原理及过程 ： ( 1 )构件单元模型和材料本构关系： 构件采用分层壳单元 ，分别 由内外钢筋层和中 间的混凝土层组成 ( 见 图 1) ，钢筋面积和 规格 以 及混凝土强度等级均按实际输入 ，钢筋和混凝土材 料分别 具有各 自的非线性本构关系 ( 见图 2) 。混 凝土的本构关系是根据 混凝土结构设计规范 附 何涛， 男， 哈尔滨 工业大学建筑设计研究 院深圳分 院 地址： 深圳市福田区下梅林 碧云天碧 4栋 3 0 5 邮编： 5 1 8 0 4 9 9 4 图 1分层壳单元 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 1 2月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 4 D E C 2 0 0 7 录 C确 定 。 ( 2 ) 分 析步 骤 ： 根据施工图该位置实际尺寸建立全三维几何模 型 墙顶沿弱轴方 向 ( 整体坐标 Y向)作用单位 水平力，进行第一类稳定分析 ，求 出屈 曲水平力放 大系数 ，放大系数与单位水平 力的乘积为墙失稳 时 的屈曲临界力。由于第一类 稳定计算采用的是特征 值法 ，考虑的是理想状态下的线性摄动 ，因此不能 做为评判标准 ，但通过第一类稳定分析可以判 断结 构最不利的振型，将其对应 下的几何形状 做为初始 几何刚度 ( 见 图 3) ，用于模拟施工误 差 ，取最大 处误差为墙高的 1 2 0 0 ，屈 曲临界力可做为失稳时的 上 限值 ，具有 参 考意 义 。 通过第一类稳定分析 ，得到了用于考虑施工 的新几何关系， 接下来进行静力非线性第二类稳定分 析， 采用 的是与第一类稳定时相同位置和方 向的单位 力，并在考虑 P 一效应的影响下使之不断加大直至 S t ra i n ( _ ) l 一 ， 卜 p l 一- + 一一一一 l 1 1 3 tl t l -2 7 2 x l 0 ： I 一 M o u =e P o ln 气 h a 混凝土本构 关系 S t r a l n ( - - l_ ) l l ； I i l 一一 一 一 一一I ! ! ： l 一 l 一 一 ， l 一 去 = 二 L i l l I 。 册： l l 瞄 如 一 嚣 一 舞 b钢 筋本构 关系 图2材料非线性本构关系 推倒 ，求得墙底 Y向总剪力与单元节 点位移的 曲线 图，根据 曲线图中极限点对应的极限墙底 Y向总剪力 与临界屈 曲墙底 Y向总剪力比较 ，从而可以判断第二 类稳定分析是否正确 ，极限墙底 Y向总剪力与 S A T W E 的墙底 Y向总剪力 Y向总弯矩比较 ，从而 可以判断该 墙 体 是否安全 。 考虑施工误差后用于进行第二类分析的模型透视图及单位 力作用位置和方向 ( 宽度为 y向，长度 为 x向) 图 3 考虑施工误差 的几何模型 5 分析结果 ( 1 ) S A T W E分析结果如下 ： 通过查询该处墙柱信息可知平面外的墙底最不利 的水平剪力是由该方 向的水平地震产生，根据 建 筑抗震设计规范5 4 1 条结构构件地震作用效应和 其他荷载 效应 的基本组合 ，计算公式可得 ： S = Y G S G 8 + Y E h SF h k + Y E S F k + w Y wSw k = 1 2 ( 1 3 + 0 5 0 1 ) + 1 3( 1 5 8 2 + 0 8 5 1 4 2 ) 2 = 28 K N 该方向总的地震水平力：2 X 2 8 = 5 6 K N ( 2 ) S A P 2 0 0 0 第一类稳定计算取六个振型，第一个 振型对应的屈曲力放大系数最小为7 8 5 K N( 见 图4 ) ， 墙 顶每个节点都设有一个该水平力 ，共 4 个，因此 Y向 总墙底剪力为 7 8 5 X 4 = 3 1 4 0 K N 。 ( 3 ) S A P 2 0 0 0 第二类稳定讨 算，加载控制选择的是 位移控制，作用在墙顶的水平力 由 1 逐渐加载到监测 点位移满足指定方向的位移值为止， 监测点 J o i n t 1 4 8 为 A A的顶点 ( 见图3 ) ，绘 出 A A位置处节点沿 Y向位移和 Y向墙底总剪力 的函数图 ( 见 图 5) 。 95 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/