基于建筑结构中剪力墙有限元分析模型的研究

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1、中国建筑科学研究院硕士学位论文建筑结构中剪力墙有限元分析模型的研究姓名：李百春申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李云贵20070501摘要现代建筑正朝着体系更复杂、结构更多样化的方向发展，计算量越来越大，传统的手工计算方法已经不能满足现代工程设计的要求，需要借助于计算机辅助设计这一手段来完成。有限单元法是在当今工程分析中获得广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，在建筑结构设计领域受到了高度的重视．伴随着计算机科学技术的快速发展，有限元技术已经成为建筑结构计算机辅助设计的重要组成部分。将有限元技术应用到建筑结构领域，第一个遇到的问题就是对柱、梁、支撑、剪力墙

2、和楼板等建筑结构基本受力构件的模型化研究。柱、梁及支撑的受力与变形规律相对简单．因此对这类构件的有限元模型化研究已比较成熟；而剪力墙构件在建筑结构中的所表现出的受力与变形规律要复杂得多，对其进行有限元模型化也相对困难。如何建立正确、有效、符合剪力墙构件真实应力应变规律的有限元模型已成为结构有限元技术应用的一个焦点问题。到目前为止，学者们已经构造出各种各样的剪力墙单元并成功地应用到建筑结构分析软件中，然而．剪力墙的有限元模型化研究仍然存在着一些难题，比如在畸变网格下单元精度剧降的问题、厚板的剪切闭锁问题等等，这些问题曾经是有限元研究的热点，但后来学者们通过一些非原理性的解决办

3、法来使得这些问题得到缓和。本文从有限单元法的基本思想出发，探讨剪力墙的有限元模型化问题。通过对剪力墙单元的研究，较好地解决了剪力墙单元的几个问题。本文工作主要包括以下内容：1)比较研究了目前国内外已有的几种具有一定影响力的剪力墙单元模型，研究其模型假定以及依据模型假定而表现出来的内力与变形规律，分析模型假定与剪力墙构件的真实状态的关系，并分析各种单元在解决实际工程中表现出来的特征．2)研究了开洞剪力墙的面外弯曲与自由扭转问题。通常剪力墙单元是用膜单元来模拟其平面内刚度，用板单元来模拟其平面外刚度．剪力墙构件在结构体系中主要发挥其平面内刚度的作用，因此研究人员主要关注其平面内

4、的力学规律，各有限元软件对墙单元平面内刚度的模拟已日臻完善。剪力墙平面外的刚度相对来说易忽视，但事实上，作为一个空间构件，剪力墙与其它结构构件发生着联系，因而，对其面外刚度的准确有效的模拟同样是结构有限元分析的重要任务．本文研究了板单元的构造理论，分析薄板厚板各自的假定以及理论基础．并重点研究了细长板的自由扭转问题。分析了SATWE程序中所采用的1嘲单元厚薄通用的特性．11帕单元兼具薄板单元和厚板单元的优点，能够自动适应板厚的变化，应用于薄板和厚板时都具有较高的精度。厚薄通用的1加单元在板厚与板单元边长比值增加时，剪切应变的影响将增加，在一定厚跨比范围内，其计算精度与三维实

5、体单元一致，远优于SAP'2000中Wilson教授构造的板弯曲单元DKE、DSE。研究结果表明。厚薄通用的TMQ单元很好地解决了困扰Wilson教授的“用其所构造的板弯曲单元DKE、DSE去模拟著名的MacNeal梁的扭转时，即使在加密的情况下，仍然无法收敛到正确的位移解答。”的难题。3)在高层建筑结构中，在开洞剪力墙的洞口周围，常常会出现细长的墙肢或墙梁。在结构有限元程序中，通常采用板壳单元来模拟剪力墙构件，常规的剪力墙单元在出现网格畸变的情况下，往往精度会急剧下降，尽管研究人员在开发结构有限元程序时尽可能地优化网格的划分，但在实际工程中仍然无可避免地会出现一些畸变网格

6、，例如在处理短肢剪力墙时，会出现又细又长的墙肢，这时使用常规剪力墙单元分析所得到的结果不够精确，给工程带来安全隐患。本文试图从源头上解决细长剪力墙分析的难题．即通过构造一种真实反映细长剪力堵力学规律的单元，在本文中将构造出来的单元命名为SHELL_BAR单元。该细长单元刚度矩阵以梁单元的刚度矩阵为基础，通过自由度扩展的方法推导得到。采用了解释试函数的方法，通过增加解析试函数的次数，使之能包含符合细长剪力墙变形规律的位移。测试例题与实际工程分析结果表明，本文提出的SHELL_BAR单元．在网格划分又细又长的情况下时仍然表现出良好的性能，较好地解决了细长墙肢或墙梁有限元分析精度

7、与效率之间的矛盾。关键词：剪力墙单元畸变网格剪切闭锁细长单元广义协调元AbotractThemodelllbuildingisdevelopingq．ieldytowardsthistrend：itssystembec,olnc8rnoltandinolrl。complicated；itsSlI"UCtUmb咖esmole龃dmolevarious，Asaresult，it8computationb∞锄alnol∞andmoteheavy,thetraditionalmanualwayⅢnotsatisfyp叫ec