一種鋼筋混凝土剪力牆結構抗倒塌優化設計方法與流程

2023-04-23 00:01:46

本發明涉及一種鋼筋混凝土剪力牆結構抗倒塌優化設計方法，屬於結構工程抗振減災領域。
背景技術：
：隨著社會生產的發展和科學技術的進步，建築體系不斷發展，高層建築數量不斷增長，其建築結構形式也日趨多樣化。高層建築結構形式主要有框架結構、剪力牆結構、框架-剪力牆結構、筒體結構、板柱-剪力牆結構等。其中剪力牆結構憑藉其整體性強、側向剛度大、抗側力性能好，能夠有效的抵抗風荷載和地震荷載，施工方便等優點，成為住宅及旅館建築中主要的結構形式。由於建築材料為鋼筋混凝土，因此具有穩定性強、表面強度好、整體性較好的特點。剪力牆在高層建築上的應用替代了傳統的建築物中以梁和柱為主的承重系統，不僅增加了室內的美觀性，還避免了空間上的局限。高層建築集中了更多的人口和財富，但也往往面臨著潛在的偶然事件或極端災害的威脅。一旦結構構件發生損傷，結構魯棒性被削弱，此時結構的抗震性能必然面臨著嚴重的挑戰。剪力牆結構利用其較大的抗側剛度，在地震作用下，容易滿足規範對側向位移限值的要求。但是，當剛度超過一定限值時，建築承擔的地震力會隨著剛度的增加而增加，而且還會造成超高的建設投資額。結構設計人員通常出於結構安全、降低設計難度、縮短設計周期等方面的考慮，只是根據設計規範要求以及自身實踐經驗，參考類似工程，確定結構方案，然後進行強度、剛度、穩定性的計算，驗算剪力牆結構是否滿足要求。且其結構抗倒塌設計很大程度上完全依賴于震害經驗總結和近似計算分析，缺少對機理的深入理解和認識。因此提出一種既從整體上對結構的抗倒塌性能進行判斷，提高整體結構系統抵禦局部破壞的能力，又防止意外荷載或極端情況下造成構件損傷進而引發連續倒塌的綜合優化設計方法，降低造價並對結構防倒塌設計進行指導是十分必要的。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種鋼筋混凝土剪力牆結構抗倒塌優化設計方法，本發明從結構系統整體出發，不僅能從整體上對結構的抗倒塌性能進行判斷，還可以更直接地提高整體結構系統抵禦局部破壞的能力，防止意外荷載或極端情況下造成構件損傷引發連續倒塌。本發明提出的一種鋼筋混凝土剪力牆結構抗倒塌優化設計方法，具體步驟如下：（１）：根據建築設計方案進行結構初始設計，同時得到初始剪力牆結構模型；（２）：根據現行設計規範，由結構初始設計與剪力牆布置情況，確定偶然事件或極端災害下可能的一處或多處結構薄弱位置，如剪力牆角部等，引入構件損傷與破壞；（３）：採用有限單元法對剪力牆結構模型進行重力作用下抗倒塌分析，若不滿足，則返回步驟（１）對初始剪力牆結構模型布置進行調整，並優化結構初始設計；若滿足條件，則進入步驟（４）；（４）：對剪力牆結構模型進行多遇烈度地震作用下彈性變形驗算，並與《建築抗震設計規範》進行對比，若不滿足，則返回步驟（１）對初始剪力牆結構模型布置進行調整，並優化結構初始設計；重複步驟（２）－（３），若滿足條件，則進入步驟（５）；（５）：對剪力牆結構模型進行罕遇烈度地震作用下彈塑性倒塌分析，並得到結構承載力需求；若剪力牆結構模型發生倒塌，則說明剪力牆結構模型的設計抗倒塌能力無法滿足規範要求，不能實現大震不倒的設計目標，返回步驟（１），根據承載力需求不斷調整，並優化結構初始設計；重複步驟（２）－（４）；（６）：重複步驟（２）-（５），對關鍵部位或設計的薄弱部位逐一地進行抗倒塌能力分析與安全性評估；若剪力牆結構模型未倒塌，則進行延性構造措施等結構優化，最終得到該設計為考慮偶然事件或極端情況下防止連續倒塌的最優設計。本發明中，剪力牆結構的結構初步布置應滿足牆體長度合理，布置均勻；同時布置應加強周邊外圍剛度，減少中心剛度且剪力牆邊緣構件應形狀簡單，走向明確。本發明中，進行大震彈塑性變形驗算時，評估標準為預設層間位移角；大震彈塑性分析時，地震波根據《建築抗震設計規範》參數要求和數量進行選擇，地震波峰值選取建築結構場地和烈度要求的罕遇地震峰值。本發明中，所述偶然事件或極端災害包括地震或炸藥、燃氣觸發的爆炸荷載以及運動物體引起的撞擊荷載。本發明中，用有限元軟體ABAQUS進行剪力牆的倒塌全過程分析，採用基於動力學方程的顯式有限單元法的求解格式，具有較好的穩定性。本發明的有益效果在於：本發明從結構系統整體出發，不僅能從整體上對結構的抗倒塌性能進行判斷，還可以更直接的提高整體結構系統抵禦局部破壞的能力，防止意外荷載或極端情況下造成構件損傷引發連續倒塌。本發明設計過程簡單，概念清晰，尤其對重要構件部位破壞引起的連續性倒塌提供了參考方法與解決手段，具有普遍的適用性。附圖說明圖1表示用來證明本發明方法算例的典型剪力牆計算建模示意圖；圖2表示該剪力牆結構引入損傷後重力荷載作用下結構損傷圖；圖3表示該剪力牆結構某地震波7度基本烈度地震作用下的損傷分布；其中：(ａ)為整體，(ｂ)為角部；圖4表示該剪力牆結構某地震波7度罕遇烈度地震作用下的損傷分布；其中：(ａ)為整體，(ｂ)為角部；圖5表示該剪力牆結構的計算模型的倒塌分析過程；其中：其中：(ａ)為初始破壞時刻，(ｂ)為嚴重破壞時刻；(ｃ)為倒塌時刻；圖6表示本發明步驟流程圖。具體實施方式下面結合附圖，以某一構件失效為例詳細說明本發明的具體實施方式。實施例１：本發明進行鋼筋混凝土剪力牆防倒塌設計的優化方法步驟如下：步驟（1）：根據既定條件對鋼筋混凝土剪力牆結構進行常規設計，得到初始模型，如圖1所示。考慮上海地區7度抗震設防，Ⅳ類場地土，設防抗震分組第一組，不考慮風荷載作用。結構為7層鋼筋混凝土剪力牆結構，結構自振頻率見表1。步驟（2）：選擇具體一個關鍵部位做失效處理，本例選用剪力牆角部產生意外損傷。步驟（3）：採用ABAQUS有限元軟體，考慮重力荷載作用下鋼筋混凝土剪力牆的損傷，如圖2所示，角部對應的樓板位置出現部分損傷，在設計中應予以加強。底層相鄰剪力牆構件均未出現明顯的塑性應變，說明該結構設計具有一定的抗連續倒塌能力。步驟（4）：施加不同類型的地震波，進行7度基本烈度地震作用下的驗算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的結構最大層間位移角見表2，樓層加速度見表3，結構損傷分布如圖3所示，剪力牆角部、剪力牆與樓層相交部位以及連梁等部位，產生了顯著的損傷與開裂，此時結構仍未發生倒塌。另一方面，相同地震烈度作用下，不同地震波產生的損傷存在一定差異。不同地震波所引起的結構損傷與開裂的巨大差異，在結構分析與設計中應該給予特別關注。步驟（5）：進行7度罕遇地震作用下的抗倒塌驗算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的結構最大層間位移角見表4，樓層加速度見表5，結構的損傷和開裂如圖4所示。此時結構在剪力牆角部已經產生了非常明顯的分布式損傷和開裂，結構底部損傷已經十分嚴重，之後結構發生了整體倒塌。倒塌過程如圖5所示。破壞主要集中在第1層及第2層，倒塌破壞過程中的構件破壞順序依次為失效處剪力牆→相鄰剪力牆→底層結構→整體結構。此時對易於遭受損傷角柱處重新進行設計，重複步驟（2）-（4），以達到最優化。步驟（6）：重複步驟（２）-（５），對其他關鍵部位或設計的薄弱部位逐一進行抗倒塌能力分析與安全性評估；若剪力牆結構模型未倒塌，則進行延性構造措施等結構優化，最終得到該設計為考慮偶然事件或極端情況下防止連續倒塌的最優設計。表1結構自振頻率振型號自振頻率（Hz）11.5121.5232.2846.5256.5466.7179.20810.78913.481013.71表2ElCentro波雙向基本烈度地震作用下各層最大層間位移角樓層X向層間位移角Y向層間位移角71/4351/85761/4751/109151/5921/109141/7431/92331/7241/92321/5921/91311/6721/1355表3ElCentro波雙向基本烈度地震作用下各層峰值加速度（單位mm/s2）樓層X向峰值加速度Y向峰值加速度742922903621821492524901736437042320336872926236772504128101989表4ElCentro波雙向罕遇地震作用下各層最大層間位移角樓層X向層間位移角Y向層間位移角71/1901/31861/2231/84051/2371/67741/2451/77831/2921/54221/2551/41611/3681/545表5ElCentro波雙向罕遇地震作用下各層峰值加速度（單位mm/s2）樓層X向峰值加速度Y向峰值加速度748624524624792439533422995447654043349933937244654281144033154當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp