基于转动变形的砌体墙力学性能研究

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砌体结构由于取材方便、造价低廉,在我国广泛分布。但是地震中砌体结构破坏严重,现有砌体结构抗震设计理论长时间内发展较慢且存在部分不足,砌体结构的抗震设计理论还需进一步完善。研究表明,在承受水平荷载时墙体的变形除弯曲变形和剪切变形外,还存在转动变形。砌体墙的转动变形发生在墙体开裂产生水平裂缝进入弹塑性受力的阶段,墙体开裂后的力学性能与弹性阶段力学性能相差较大。砌体结构在地震作用下容易开裂并进入到弹塑性阶段,而我国现有砌体结构抗侧刚度和水平承载力仍是基于弹性理论而得,忽视了墙体转动对力学性能的影响。为完善砌体结构的理论设计,本文对砌体结构转动变形理论进行研究,主要研究内容归为以下几个方面:(1)通过ABAQUS有限元软件建立砌体墙整体式模型并进行数值分析,将数值分析结果与试验结果进行对比,验证整体式模型的可行性。运用ABAQUS有限元软件分析窗间墙体高宽比、墙肢节点(砌体窗下墙承重部分)高宽比、竖向应力大小和窗下墙有无侧边约束等参数对墙体转动以及力学性能的影响。通过有限元分析发现窗间墙高宽比和竖向压应力大小对墙体转动和力学性能影响较大。(2)通过理论分析,提出了不同破坏模式下砌体墙转动水平承载力的计算方法。砌体墙破坏模式除典型的剪切破坏模式外,还存在转动参与的剪切破坏、沿墙肢节点斜裂缝转动破坏和沿墙底水平裂缝转动破坏等多种破坏模式。对于有转动参与的剪切破坏,为计入转动的影响引入高宽比影响系数,通过研究发现墙体转动对水平承载力影响较小,故可按现行抗震规范计算其水平承载力。对于沿墙肢节点斜裂缝转动破坏,由于墙体沿墙肢节点的开裂荷载与极限荷载接近,通过推导墙体沿墙肢节点的开裂荷载并使其与极限荷载相等,从而得到此种破坏模式的水平承载力。对于沿墙底水平裂缝转动破坏,基于力矩平衡原理得到此种破坏模式墙体的水平承载力。(3)基于转动墙体抗侧刚度在弹塑性阶段的衰减规律,建立转动墙体归一化刚度衰减模型。由于刚度的衰减主要是由转动变形引起的,用转动部分墙体的高宽比对墙体弹性阶段的刚度进行折减,通过将折减后的刚度代入归一化衰减刚度方程得到砌体弹塑性阶段的抗侧刚度,并与其他学者试验中出现转动墙体试验结果进行对比,验证本文提出刚度模型的可行性。
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