剪力墙的内力分析.docx

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剪力墙的内力分析

第十五部分——专题

剪力墙的内力分析

一、概述

剪力墙在钢筋混凝土高层建筑结构中有着广泛的应用，目前剪力墙常用的分析方法和结构计算模型,主要有以下几种：

剪力墙的分析方法可以归纳为三大类：

数值计算方法；解析方法;半数值半解析方法。

剪力墙计算模型：

1、解析法等效连续化法或微分方程法。

将结构各层的受力构件沿高度方向进行连续化,然后用微分方程来求解结构的内力和变形。

解析法中应用最多的是等效夹层梁法,最早是应用于分析框架结构,剪力墙出现后被推广应用于联肢剪力墙。

这种方法局限性很大,只能用于形状和开洞规则的剪力墙,且此方法对低层和多层建筑误差较大。

2、数值解法此法又称等效离散化法。

把一个整体结构连续体离散化为大小和类型不同的单元体,通过节点连接成整体来代替原有结构,使之满足整体的平衡条件和变形协调条件,从而可以通过位移法、力法和混合法等方法进行数值求解。

由于这种方法通用性强,易于编制计算程序,又有较高的计算精度,在工程界广为应用。

根据所采用的单元类型的不同,可分成微观模型和宏观模型两大类。

（1）微观模型随着计算机技术的发展和钢筋混凝土本构关系的深入研究,诞生于20世纪60年代的钢筋混凝土有限元方法被运用到分析剪力墙结构上，有限元方法还处于不断发展和完善之中，许多理论问题尚待深入研究,同时,庞大的自由度引起的数值分析上的困难和需要繁重的计算工作量,使得这一方法目前主要用于分析结构部件或局部结构以及试验的计算机模拟,而在分析和设计实际结构中应用较少。

目前,用于剪力墙结构的微观模型主要有平面应力膜单元和壳单元。

（2）宏观模型这种模型相对比较简单,宏观模型是目前最主要的研究和使用的模型,已在工程设计中广泛应用。

ａ）等效梁模型用等效梁单元对剪力墙沿墙轴线进行离散。

该单元的全部非

性变形集中到两端的塑性铰上,可用两端的非线性弹簧表示,中间部分为弹性的,如图1所示。

这种模型最大缺陷是没有考虑到剪力墙横截面中性轴的移动,假设其转动始终围绕墙横截面的形心轴。

事实上,随着墙体非线性反应的产生,其中和轴向受压区移动,形心轴和中性轴不再重合。

ｂ）墙板单元模型该模型将墙用墙柱代替,上下端设刚域,并与框架梁柱节点铰接,如图2所示。

此模型采用了受力前后剪力墙横截面保持平面和刚周边的假设,该模型在进行

线性分析时,存在着与等效梁模型一样的缺点,且对墙体刚度用一个刚度降低系数作折减,显得过于粗糙。

ｃ）、等效支撑模型此模型将墙用具有等效抗剪刚度的支撑替换,同时,对支撑两侧柱截面面积按等效抗弯刚度进行修正,与框架梁柱节点铰接,如图3所示,主要用于框架—剪力墙结构。

此模型不能体现轴向刚度,在刚度替换过程中导致剪力墙力学性能的变化,不全符合结构实际受力情况,计算结果存在一定误差,因此,这一模型应用很少。

ｄ）、壳元墙元模型是在墙单元模型的板壳单元基础上,根据静力凝聚原理开发的一种四节点矩形单元。

该单元既有墙所在平面内的刚度,又具有平面外的弯曲刚度。

SATWE就是采用的这种模型原理，目前用于剪力墙结构分析的主要是壳元模型。

e）、空间薄壁杆件模型在高层结构分析程序TBSA和TAT系列中应用了此计算模型。

这种模型考虑了杆件的弯曲、剪切和轴向变形和截面翘曲的影响,在目前高层结构分析中广为应用。

工程应用经验表明,对于高度较大、结构布置比较规则的结构,薄壁杆件模型是比较理想的,精度足以满足工程设计要求,但对于高度较低或布置比较复杂的结构,此模型不够理想。

３、半解析半数值法有限元法的优点是众所周知的,但对于许多具有规则几何形状的平面和简单边界条件的结构来说,完全的有限元分析常常是既浪费又不必要。

以力学问题经典的数学分析方法（解析法）与纯数值方法结合产生的半解析半数值法,吸收了两者的优点,精度高而未知量不多,。

根据上述对各种剪力墙结构计算模型的分析,不难发现各种模型的优缺点和应用上的局限性。

总的说来,解析法和半解析半数值法只适用于形状和开洞都比较规则的剪力墙,且主要用于剪力墙结构的弹性分析,应用上有很大的局限性;数值解法中的有限元模型由于需要庞大的计算量,且在进行非线性分析时许多理论尚未成熟,在分析实际结构,尤其在进行非线性分析时有一定困难;数值解法中的宏观模型由于计算量小,模型直观、形象,目前在实际工程中应用最广,但其中的许多模型只局限于作弹性分析或虽可进行非线性分析但精度不够。

二、专题结果的比较

本专题主要从本次毕业设计的实际应用出发,并顾及一定的计算精度,应用ANSYS软件进行剪力墙的有限元法,用数值试验分析剪力墙的开洞大小对剪力墙计算模型和计算方法的影响，本专题没有考虑连梁截面高度对刚度的影响，只研究了洞口宽度的变化。

所采用的分析模型主要有如下几种：

模型一：

小开口墙，洞口尺寸为1m×1m，墙体尺寸为9m×10m，洞口左下角坐标（3，5）

分别在有洞口位置和无洞口位置建立两个不同的路径，路径一和路径二，得到各自的应力图和应变图。

路径一为无洞口处的墙，路径二为有洞口处的墙。

变形和应力范围图

无洞口处整片墙Y方向应力图

无洞口处整片墙Y方向应变图

有洞口处整片墙Y方向应力图

有洞口处整片墙Y方向应变图

ANSYS分析的应力、应变图可得：

在墙体开有小洞口时（模型一墙体的开洞率为1.0%），在无洞口位置时，应力、应变在整片墙上还是基本上沿直线变化的，即符合平截面假定，有洞口的位置应力、应变稍有偏移，但还可以认为是在一条直线上。

所以的结论一：

开洞率为1.0%时，应力、应变变化可看作在一条直线上。

即可得以下应力变化图：

墙肢的σ分布图

模型二：

洞口的尺寸为：

2m×1m，墙体尺寸为9m×15m，

ANSYS所得，应力、应变图

应力范围变化图

无洞口处整片墙Y方向应力图

无洞口处整片墙Y方向应变图

有洞口处整片墙Y方向应力图

有洞口处整片墙Y方向应变图

ANSYS分析的应力、应变图可得：

在墙体开有小洞口时（墙体的开洞率为7.4%），在无洞口位置时，应力、应变除在上洞口的位置应力、应变稍有偏移，大上还可以认为是在一条直线上。

可所以得结论二：

开洞率为7.4%时，应力、应变变化仍然可看作在一条直线上。

即可得以下应力变化图：

墙肢的σ分布图

模型三：

洞口的尺寸为：

2m×2m，墙体尺寸为10m×15m，

应力范围变化图

无洞口处整片墙Y方向应力图

无洞口处整片墙Y方向应变图

有洞口处整片墙Y方向应力图

有洞口处整片墙Y方向应变图

ANSYS分析的应力、应变图可得：

在墙体开有洞口（墙体的开洞率为13.3%）时，此时剪力墙的不管在有洞口位置还是无洞口位置，应力、应变都已经明显不在一条直线上，即此时应力、应变已经不符合平截面假定。

可能产生了以下的应力变化图：

墙肢的σ分布图

模型四：

洞口的尺寸为：

2m×3m，墙体尺寸为11m×15m，

墙体的开洞率为18.18%

应力变化范围，

无洞口处整片墙Y方向应力图

无洞口处整片墙Y方向应变图

有洞口处整片墙Y方向应力图

有洞口处整片墙Y方向应变图

由ANSYS盈利应变图可知当洞口为三米时：

应力的颜色变化已经有很大的范围，在此范围内各墙肢的应力有正负，即在各自的应力变化时出现了反弯点，说明此时应力在墙肢截面上已经不符合平截面假定，洞口的已经破坏了墙肢截面的整体性，横截面上的正应力的分布远远不是沿一根直线分布。

三米时墙肢的σ分布图

结果分析：

在墙肢开洞时，墙肢截面除了产生整体弯矩外，每个墙肢还出现了局部弯矩，所以实际的正应力分布，相当于在整个截面直线分布的应力上叠加局部弯曲应力，但当洞口的尺寸还不是很小（开洞率<15%），局部弯矩还不能影响整体水平荷载的总弯矩的直线分布时，墙肢的应力分布是可以认为是符合平截面假定，当局部弯矩超过水平荷载的总弯矩的15%时，截面就不能再按平截面来计算了！

综上所述可得剪力墙的有无开洞和开洞的大小，形状和位置对剪力墙的截面应力分布是不同的，因此计算类型也是不同的，各种情况下的受力特点，计算简图，计算方法也是不同。

根据洞口的分布分为：

整体墙，小开口墙，双肢墙，连肢墙等。

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