[摘要] 1 绪 论1 1 概述从 18 世纪末欧洲和美国的工业革命开
1 绪 论
1.1 概述
从 18 世纪末欧洲和美国的工业革命开始，全球的生产力得到了飞速发展，世界经济也是空前的繁荣。于此同时，世界人口也直线上升，城市化进程越来越快，因此带来了人口和资源的一系列的问题。城市的用地越来越紧张，人们不禁抬起头仰望天空，以寻求在较小的土地上建造出更多居住面积。另一方面，电梯在此时也应运而生，于是大量的高层建筑如雨后春笋般遍布整个地球。 近些年来，随着生活质量的提高，单一功能的建筑已不再满足人们的需求。这就促使了建筑的多功能化，也使得结构的形式越来越复杂化。现在很多建筑在功能上使在上部楼层布置住宅、宾馆，中部楼层布置成办公用房，下部楼层作商场、餐厅、文化娱乐场所、车库等。从建筑要求上看，上部需要较多的墙体来满足住宅和宾馆的要求，且不需要大的开间；中部的办公用房需要较小或中等面积的空间，可以通过墙体和柱子并存来实现；而下部的公用部分就需要有较大的自由空间，柱距要尽可能的大，墙体要尽可能的少。于是转换结构就这样的背景下出现了。转换结构构件的跨度一般比上部结构大数倍，因此除了转换构件的强度外，我们还需要严格控制构件的竖向扰度，这样就导致了转换构件的截面尺寸很大。 而且由于结构中设置了转换层，整个建筑结构就会出现竖向刚度不均匀。所以我们需要对转换结构进行详细地受力分析。
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1.2 本文研究方法简介
当前对结构领域的研究方法大致可以归纳为三类，包括理论研究、实验研究和数值模拟分析。其中理论研究是后面二者的基础，一切实验和数值模拟分析均建立在理论研究的基础上；而实验研究是最能够直观的反应因素和现象之间的因果关系的，所获得的数据也是最为客观可信的。所以，实验研究是结构领域不可或缺的重要组成部分。但是实验研究也有不足之处，如①偶然非实验因素可能会对实验结果产生影响。②结构实验的尺寸大都是缩尺的、局部的，不能有效的反应真实的、整体的构件的受力状态。③结构实验中构件的个数是有限的，不太容易找到规律性的结论。④结构实验往往要花费大量的人力、财力，成本过高。因此，在必要的结构实验之后的有限元数值模拟恰好可以来弥补结构实验的不足。 在计算机技术迅猛发展的今天，数值模拟方法日益完善，使得在结构工程领域利用计算机进行弹塑性分析变成一个非常有精确性的分析手段。利用计算机模拟分析一方面可以通过大量的模型分析来得到规律性的结论；另外一方面，通过利用计算机数值模拟技术，可以节约很多时间、人力、物力、财力等。 CAE 即英文中计算机辅助工程 Computer Aided Engineering 的简写，指用计算机辅助计算分析庞杂工程和构件的结构力学性能，以及优化结构的性能等。CAE软件可用作结构的静态分析和动态分析；研究材料线性、非线性等问题；分析结构（固态）、流体、电磁等。 当前比较流行的有限元软件包括 ANSYS、SAP、MIDAS、ABAQUS、ADINA等，而 ABAQUS 在处理非线性接触和耦合上有着很好的优越性。而且 ABAQUS建模比较快捷方便，因此本文对短肢剪力墙斜柱转换配筋的研究采用 ABAQUS 对构件在低周反复力的作用下进行模拟分析。ABAQUS 拥有非常充裕的单元库，包括梁单元、实体单元、壳单元、薄膜单元、杆单元、无限元、连接元、刚体元八大类，共 562 种单元种类。
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2 ABAQUS 钢筋混凝土有限元理论研究
2.1 计算模块的选择
本篇文章所涉及的钢筋混凝土弹塑性有限元分析均利用有限元软件 ABAQUS来实现，所以本章将对钢筋混凝土的基本弹塑性理论和具体的用 ABAQUS 软件怎样来执行弹塑性有限元分析的方式作一个较为详细的介绍。在前文已阐述了ABAQUS 软件是一个应用面非常广的软件，可用于多个行业。在 ABAQUS 中，ABAQUS/Explicit与ABAQUS/Standard两种计算模块都可以用来非线性模拟分析，Standard 模块一般应用于非线性和线性等方面，如结构的静力分析、动力线性分析、耦合分析以及热和电问题的响应等，而 Explicit 模块是一个特殊的分析模块，主要应用于模拟时间短暂的动态事件，如爆炸、冲击这样的情况，以及改变接触条件等高度非线性问题等[39] [40]。两者的主要区别详见下表：因为本篇文章研究的问题对时间效应的要求不是很高，没有高度的不连续情况，综合以上两种模块的对比，本文采用 ABAQUS/Standard 计算模块。
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2.2 ABAQUS 软件中混凝土塑型损伤模型
在软件 ABAQUS 里，可以通过一维应变杆单元来模拟混凝土结构中的钢筋。有限元模拟时，将钢筋单元嵌入到混凝土单元的网格上。由于钢筋单元的力学性能和混凝土是独立的，因此钢筋和混凝土采用“embeded”的联接方式。混凝土开裂后的荷载传递作用[49]可以通过引入拉伸硬化（tension stiffing）的钢筋和混凝土之间的粘结效应来模拟。 本文的拉伸硬化是通过后继破坏应力应变关系来考虑，后继破坏性状通常是指后继破坏应力与开裂应变的关系。规范建议的混凝土的受拉、受压峰值应力可采用试块单轴抗拉（压）强度的平均值、标准值或设计值。混凝土的轴心抗拉（压）强度比其他的混凝土强度代表值与试件中的实际受力情况更接近。所以，本文中混凝土受拉、受压的峰值应力采用混凝土轴心抗拉和抗压强度的标准值。 在 ABAQUS 软件分析中，极限应变的确定对模型的收敛速度和后期受力特性有一定的影响，本文通过混凝土“拉伸硬化”近似考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移效果。基于 ABAQUS 帮助文件，受拉极限应变可以取峰值应变的 10 倍，压缩极限应变按照《混凝土结构设计规范》（GB500010—2010）所规定的混凝土单向应力—应变曲线 0.5 倍峰值应力所对应的应变。
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3 构件设计及内力计算 .......... 21
3.1 构件的设计 .... 21
3.2 内力计算 ........ 22
4 0.1 轴压比下不同配筋率的斜柱转换子结构拟静力分析 ............. 27
4.1 引言 ...... 27
4.2 有限元分析模型的建立 .... 27
4.2.1 分析模型简介 ............. 27
4.2.2 混凝土力学性能 ......... 28
4.2.3 钢筋力学性能 ............. 30
4.2.4 有限元模型参数选择 ........... 30
4.3 不同暗柱纵筋配筋率数值模拟分析 .... 34
4.4 不同框支柱纵筋配筋率数值模拟分析 .......... 43
4.5 不同转换梁纵筋配筋率数值模拟分析 .......... 49
5 0.3 轴压比下不同配筋率的斜柱转换子结构拟静力分析 ............. 59
5.1 不同暗柱纵筋配筋率数值模拟分析 ..... 59
5.2 不同框支柱纵筋配筋率数值模拟分析 ........... 66
5.3 不同转换梁纵筋配筋率数值模拟分析 ........... 73
6 0.5 轴压比下不同配筋率下斜柱转换子结构的拟静力分析
前章对子结构在 0.1 和 0.3 轴压比情况下的受力特点和抗震性能的分析，本章将延续上一章的研究方法，主要对子结构在 0.5 轴压比下各个构件配筋率对整个子结构受力特点和抗震性能的影响。
6.1 不同暗柱纵筋配筋率数值模拟分析
此组分析的各个构件配筋率与在 0.3 轴压比下的 W13-2-0～W13-2-4 相同，仅在初始状态下的剪力墙上截面所受的轴压比不同。因此此组构件以 W13-3-0 为标准模型，逐级增加配筋率至 5%，共 5 个构件模型，编号和配筋等基本情况如下表所示：通过观察分析图 6.1 中各个构件的滞回曲线，我们可以看到，在增大剪力墙暗柱竖向配筋时，滞回曲线的形状没有大的改变，在整个循环过程中，各个构件峰值荷载的提前或者延迟的现象不是很明显。每个构件的滞回曲线基本上都是在达到峰值荷载后的第 3 个循环时，承载力就下降到了 85%以下，这说明了 ABAQUS本构关系中 tension stiffening 来近似分析混凝土与钢筋之间的粘结滑移是不够太理想的，未能很好的反应出滞回曲线的捏拢现象。配筋率在 1%～5%变化的时候，正向和反向的荷载值变化均不是太大，其中配筋率为 2%的 W13-3-1 构件在正向加载第四个循环的最大荷载为五个构件最高，且在随后的循环中亦表现出了良好的后期承载力，该构件在反向加载循环后期的峰值荷载值也是最突出的。 
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结论
在钟树生老师带领的团队对短肢剪力墙斜柱转换结构尺寸研究成果的基础上，本文采用弹塑性有限元数值模拟的方法通过改变短肢剪力墙斜柱转换结构中各个构件的配筋来研究整个结构的受力特点和抗震性能。主要完成的研究内容有：①在以往研究成果的基础上，通过有限元软件的数值模拟对以往实验和分析得到的构件优化尺寸进行验证，总结以往实验和有限元分析的合理性和正确性。②通过ABAQUS 非线性有限元分析墙肢、转换梁、框支柱在不同配筋率的情况下，用滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化曲线以及破坏模式等指标去衡量框支短肢剪力墙斜柱式转换结构在地震作用下的抗震性能，以及在以上各构件不同配筋率下受力机制和抗震性能的变化规律。③对以上构件优化后的配筋率进行总结，为斜柱转换式框支短肢剪力墙在实际工程中应用提供可靠的理论依据。 对框支短肢剪力墙斜柱转换结构的设计有如下建议： ①短肢剪力墙墙身暗柱的纵筋配筋率对整个结构的受力特点和抗震性能的影响不明显，建议当短肢剪力墙轴压比在 0.3 以下即轴压比较小的情况下，暗柱纵筋配筋率为 1%～3%时，结构有较好的抗震性能；在短肢剪力墙轴压比在 0.3～0.5的情况下，暗柱纵筋配筋率为 2%～3%时，结构的抗震性能较理想。 ②框支柱的纵筋配筋率对整个结构破坏机制和承载能力有一定的影响。建议当短肢剪力墙轴压比在 0.3 以下即轴压比较小的情况下，框支柱纵筋配筋率为2%～3%时，结构有较好的抗震性能；在短肢剪力墙轴压比在 0.3～0.5 的情况下，框支柱纵筋配筋率为 3%～4%时，结构的抗震性能较理想。 ③转换梁的纵筋配筋率对整个结构破坏机制和承载能力有一定的影响。建议当短肢剪力墙轴压比在 0.1～0.3 之间即轴压比较小的情况下，转换梁负筋配筋率为 0.8%～1.2%，正筋配筋率为 0.4%～0.6%，结构有较好的抗震性能；在短肢剪力墙轴压比在 0.3～0.5 之间的情况下，转换梁负筋配筋率为 1.0%～1.4%，正筋配筋率为 0.5%～0.7%时，结构的抗震性能较理想。
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参考文献(略)
