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南京工程学院毕业设计

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Proceedingsofthe6thAsia-PacificStructuralEngineeringandConstructionConference（APSEC2006）,5–6September2006,KualaLumpur,Malaysia

钢筋混凝土筒中筒结构高层建筑物的非线性有限元分析

AbdulKadirMarsono①I.eeSiongWee②

①马来西亚工艺大学结构与材料结构与材料系副教授

②马来西亚工艺大学2004年土木工程学院研究生

摘要非线性有限元分析作为一种简洁可靠的分析手段被经常用于土木结构的计算机分析技术。

在钢筋混凝土筒中筒高层建筑结构模型建立失败后，通过计算机应用程序提出了COSMOS/M。

采用三维模型方法进行研究是基于非线性材料，通过修改一个季度模型从而使得整体筒中筒高层建筑的双曲率精度大大提高。

钢筋混凝土结构的极限承载力决定了筒中筒高层建筑的混凝土开裂、压碎。

关键词非线性有限元；高层建筑；筒中筒结构

1引言

筒中筒的概念在高层建筑中主要为了改善结构所能承受的横向阻力。

其基本形式包括一个中央核心筒，周边采用并列柱的框架结构，每层水平梁形成一个筒状结构。

通常这些对称的建筑物，其主要结构的变形发生在四个正交帧形成的周边筒和中央核心筒处（阿维格多鲁滕贝格和艾森伯格，1983）。

在水平荷载下的作用下，框架筒和中央核心筒像一个悬臂箱梁和二筒内的外筒。

为了得到更准确的分析结果，中央核心设计不但承担竖向重力负荷，还要抵御侧向荷载。

除楼板结构和内部筒一起作为一个单一的单位用于互动模式设计。

在本研究中被认为没有扭转效应，因此楼板是有效的连接于水平力垂直结构的建筑构件。

组合剪力墙和框架结构已被证明是一种能够加强高层建筑横向稳定的结构。

作为剪力墙剪力和弯矩的偏转，引起梁与板的轴向力偏转，周边框架和中央墙作为一个复合结构。

如图1。

横向力主要作用于框架结构的上层部位和核心筒结构的下层部位。

轴向力作用于框架基础和框架剪力墙顶部。

本研究的主要目的是预测钢筋混凝土筒中筒高层建筑最终失败的原因。

因此，非线性分析这项研究能更好地了解结构破坏发生的因素。

非线性分析是对一个结构状态变化的终极分析，线性分析是一种传统的分析方法，不会对结构进行假设性分析（阿尔多cauvia，1990）。

一个sysmetrical筒中筒钢筋混凝土高层建筑如图2所示，三个三维季度模型采用有限元分析方法并考虑材料非线性。

图1（a）变形形状的框架；（b）剪切变形形状墙：

（c）变形形状结合框架·剪力墙

2分析方法

2.1描述模型

该nlfea模型是一个16层钢筋混凝土筒中筒结构的高层建筑。

楼层高度3.50m除底层高度。

全筒模型对称，筒内7.50mX7.50m的核心筒被外围22.50mX22.50m的框筒包围。

所有外围并列被设置水平中心线距离为4.5米的框架柱一到十层框架柱的尺寸为0.90m×0.90m，十层以上的柱尺寸为0.75*0.75m。

拱肩梁尺寸宽250mm和高750mm，并与周边柱形成外围筒结构。

板的厚度175mm和规格是通过水平隔板传递侧向荷载以及垂直荷载的大小来确定的。

内筒是由方形穿孔剪力墙350mm的厚度和耦合束保持类似的剪力墙厚度与深度1000mm。

COSMOS/M（64K版）使用有限元软件生成模型并进行后续的非线性静态分析。

模型的理想化和域离散化，最后模型如图2（a）作为一个在本研究中最终的结果。

图2（a）计划简中筒式高层建筑（b）三维修改模型

2.2材料特性

所有的元素都是由一个元素组即8节点等参六面体同态元件与材料性质如表1。

参数混凝土的抗压强度，屈服应力加固，混凝土的密度，弹性模量弹性和泊松比符合学士学位bs8110:

1部分：

1995、bs8110:

2：

1985。

混凝土和reinforcementare分配作为一个复合材料anmodified弹性模最的假设1%个加固的结构因素。

表1材料

2.3边界条件和加载

基础设计的边界条件为所有自由度（所有6自由度）,而不连续的边缘板的边界条件的速度分配翻译x风荷载作用于建筑物的水平表面是44.44m/s和负载分布均匀的表面从底部到顶部建筑（CP3:

第五章:

第2部分:

1972）。

活荷载3千牛／平方米（b6399：

1：

1984）和永久荷载5.40千牛／平方米板坯均匀分布的垂直荷载。

2.4混凝土在压缩和拉伸性能

X=线性拉仲硬化曲线

fmax=故障点的压缩

ftu=故障点紧张（0.lfcu）

￡cr=0.lfcu/弹性模量，欧共体

et=紧张僵硬

非线性应力应变关系采用的材料模型根据BC8110:

部分2：

1985如图3所示。

峰值心力的0.8fcu代表最大应力混凝士单轴应力状态。

采用压缩应变最大应力为0.0022，极限应变为0.0035。

破碎的条件定义是当ecu达到指定值的极限应变和假设材料失去其强度和刚度特性。

混凝土拉伸应力下,可以认为是线性直到开裂发生在0.1fcu的抗拉强度（Marsono,2000）。

模拟钢筋和混凝土之间的相互作用通过引入张力加劲模拟荷载传递到混凝土模型，再通过钢筋（M.R.裂缝Chowdhury和J.C.雷,1995）。

压力值是线性下降至零后开裂。

张力加劲作用具有显著影响钢筋混凝土结构的非线性行为。

因此使用试着和聚合方法,张力加劲参数非线性分析研究的一部分。

参照这个材料模型在图3中,张力加劲曲线参数可以搜索在0.0002以上（即大于0.00018）。

2.5解决nlfea

弧长法与迭代修正牛顿（民革）是用于控制求解非线性分析。

分析是为了解决参数实现融合达到令人满意的结构。

在本研究中参数的非直线解如表2。

在进行负载分析中，可以通过控制最大负荷参数或最大位移值。

本研究最大数量的弧步在表2被设置为50，因为实际弧步完成最终不知道最初的分析。

初始负荷参数只适用在第一步的分析中，然后下一个负载参数将自动通过修正牛顿算法增加。

分析所采用的收敛公差必须被指定，因为这将影响到解决方案。

3结果

3.1nlfea产出和结果的解释

基本上在nlfea钢筋混凝土高层建筑结构，产出的主应力是导致目前失败的具体原因。

混凝土破碎时达到最小主应力值，P3超过抗压强度（即0.8fcu）而定义的数值时的最大主应力，小到抗拉强度（即0.lfcu）。

张力裂缝方向被认为是垂直于主应力的方向,P1而破碎的方向被认为是垂直于主应力的方向,P3

3.2横向位移

载荷一位移响应的是在图4。

最大横向位移103毫米在2268节点，其中位于顶部的水平模型如图7（乙）。

最大负荷59.17千牛在记录点A。

负载与横向位移图

负荷系数=6.607．千牛

图4负载与横向位移图节点2268

3.3主应力在剪力墙

轮廓的主应力小代表的最大张力（+我最大）和小三代表最高压缩（一我最大）。

抗压强度采用这个模型是0.8fcu=0.8×35=28牛顿／平方毫米。

图5

（一）清楚地表明，剪切墙壁开始挤压转角处的剪力墙基础（2286节点）的压缩应力28.45牛顿／平方毫米（即大于28牛顿／平方毫米）。

图5最小主应力等值线图的部分剪力墙基础混凝土破碎步骤21

3.4主应力耦合梁

应力分布和变形形状耦光束在水平1如图6所示。

混凝土裂缝发生在角落的张力，节点3475元1489步15。

主应力小的记录在4.106牛顿／平方毫米其中超过0.lfcu=3.5牛顿／平方毫米。

它是一个明显的迹象，张力的轮廓在对角的耦合梁跨中。

另一种看法是压应力在两个角耦合梁中增加了增量分析，步骤终止在32步，这最大压缩应力达到19.38牛顿／平方毫米这是较破碎应力，28牛顿／平方毫米。

混凝土开裂的节点3475元素1489P1=4.106N/mm2

步骤15：

对角张力明显在跨中的耦合梁。

开裂失效了。

（P>3.5牛顿／平方毫米）

步骤31：

最大压缩耦合光束角。

（节点2419和节点3443）破碎的失败并没有出现在耦合梁。

（p<28牛顿／平方毫米）

4讨论

4.1整体建筑行为

四分之一模型提高了变形形状整体性，筒中筒高建筑如图7所示。

变形形状产生双曲率挠度，这类似于一个变形组合框架和剪力墙。

图7（a）变形模型（b）变形修正模型

提出的失效模式筒中筒高层建筑已经证明，整体模型的行为是绝对控制的压缩破坏而不是张力。

提供依据的主应力的临界压缩区表明粉碎发生在剪力墙基础，因此整体机制的结构已成功地实现其极限承载力（在3l步）。

利用最小应力等值线主应力整体改模型在步骤31，如图8所示。

压缩区设在剪力墙和周边

图8最小主应力的整体轮廓模型

4.2耦合梁与剪力墙

结果表明，剪切斜裂失效模式发生在所有连梁的整个高度。

虽然是一个小弯曲裂缝角耦合梁。

粉碎的混凝土剪力墙基本完成最后的失败。

这是表明，总束强度大于壁强度。

这可能是由于特大型耦合光束的相对大小的剪力墙，减少光束厚度导致混凝土压碎破坏。

实际上，首选机制失败的多孔剪力墙，耦梁破坏前先取得剪力墙。

建议梁的第一次失败之后，使墙负荷或振动，可观察到的梁损坏部分。

5结论

该nlfea最终阶段使用的宇宙是有限元软件对三维模型地进行了成功修改。

该系统能够捕获所有的非线性行为的负载进展。

然而，一个完善的模型可以进行有限元参数，从而验证结果与实验室试验结果尽可能相同。

本研究结果可总结如下：

（一）本季度模型是非线性行为分析的极限状态下的模型。

（二）修改边界条件，通过分配约束在x方向的所有板的边缘，适当的约束在墙底端被认为是可以的，再创造一个筒中筒模型的双曲率剖面。

（三）nlfea在筒中筒建筑中表现良好，使用非线性混凝土应力一应变曲线多达32步的非线性分析，并最终形成高层建筑模型。

（四）修改后的四分之一模型，包括全配置的剪力墙，发现在高层建筑作为一个季度管段管建模是合适的。

因此，连梁的模型是成功了。

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