基于分层壳单元的RC核心筒结构 有限元分析和工程应用 [1] 林旭川1 陆新征1 缪志伟1 叶列平1 郁银泉2 申林2 1 清华大学土木工程系，清华大学结构工程与工程振动教育部重点实验室，北京，100084 2 中国建筑标准设计院,北京, 100044 土木工程学报/China Civil Engineering Journal, 2009, 42(3): 51-56. 下载全文/Download PDF version 推荐相关阅读：《建筑抗震弹塑性分析》, 中国建筑工业出版社, 2009 摘要：钢筋混凝土（RC）核心筒是高层建筑中常见的抗侧力结构，其空间受力行为明显，截面形状多样，故准确模拟其非线性受力全过程是结构抗震分析的一个重要课题。分层壳单元根据复合材料原理将壳分成多层，可考虑面内弯曲－面内剪切－面外弯曲之间的耦合作用，较全面的反映了壳体结构的空间力学性能。基于分层壳单元，对一钢筋混凝土核心筒拟静力实验进行了全过程模拟。通过对墙体、连梁等关键部位合理建模，较好的反映了核心筒的空间受力行为，以及筒体开裂、筒体钢筋屈服、连梁屈服和剪切破坏等复杂非线性行为，计算结果和实验结果吻合良好。运用该核心筒模型，对某实际高层框架-核心筒结构进行了弹塑性分析，表明了模型的实用性。基于分层壳的核心筒模型可以较好的模拟核心筒的各项力学性能，在筒体结构大震弹塑性分析方面具有一定参考意义。 关键词：核心筒，有限元，分层壳，弹塑性计算，抗震分析 中图分类号:TU375                     文献标识码:A 文章编号：711960 Finite Element Analysis and Engineering Application of RC Core-Tube Structures Based on the Multi-layer Shell Elements Lin Xu-Chuan1, Lu Xin-Zheng1, Miao Zhi-Wei1,Ye Lie-Ping1 Yu Yin-Quan2, Shen Lin2  ( 1 Department of Civil Engineering, Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing, 100084;) (2 Institute of Chinese architectural design standards, Beijing, 100044) Abstract：As one of the most widely used lateral resistant structures, reinforced concrete (RC) core tube consists of diverse members and appears spatial mechanical behaviors. Therefore, how to accurately simulate the RC tubes for the whole process of nonlinear behaviors is an important problem in seismic analysis of structures. Based on the multi-layer shell element, the whole process simulation of a pseudo-static testing on RC core tubes is presented in the paper. By correct modeling of the key parts (such as walls, coupling beams, reinforcement), the numerical model is able to simulate the spatial behavior of the tube as well as the complicated nonlinear behaviors such as the yielding and shear failure of coupling beams, cracking of the tube and so on. Results from the simulation match well with those from the tests. Using the proposed core-tube model, an elastoplastic analysis for a practical framed core-tube structure is conducted, to illustrate the implementation of proposed model in real structures. The tube model based on multi-layer shell is helpful in the elasto-plastic analysis of high-rise building under severe earthquakes. Keywords：Core tube, Finite element, Multi-layer shell, Elastoplastic calculation, Seismic Analysis Email: linxc03@mails.tsinghua.edu.cn

1 分层壳单元简介

 图1  分层壳单元 Figure 1:  Multi-layer shell element 图2 分层壳模型中钢筋层设置示意图 Figure 2:  Settings of the rebar layers 图3 采用“Inserts”方法保证钢筋与壳体变形协调 Figure.3 “Inserts” is used to ensure the deformation compatibility of rebar and a shell 图4 钢筋单元空间分布 Figure4:  Spatial distribution of rebar elements 图5 混凝土单元划分 Figure5:  Concrete element mesh

2 材料本构与剪力墙算例

8所示为本文建议模型计算结果和清华大学所做的混凝土高墙试验[8]实验结果对比。试件高1900mm，宽1000mm，厚100mm，剪跨比为1.9，其它参数详见文献[8]。有限元计算结果表明，本文建议的采用文献[6]钢筋模型滞回计算曲线和实验曲线吻合良好。

 图6 文献[6]普通钢筋单调受拉 加载曲线 Figure 6: Monotonic loading curves for common rebar in Wang’s model 图7文献[6]普通钢筋往复加载曲线 Figure 7: Cyclic loading curves for common rebar in Wang’s model 图8 力—位移计算结果 Figure 8: Load-displacement curve from analysis results(Wang’s model)

3 钢筋混凝土核心筒数值模型和算例

9、图10所示为本文模型计算与实验的底部剪力-顶点位移骨架线对比，可见二者吻合较好。图11为核心筒在水平力作用下墙肢底部的开裂状况，图12为试验实际观察到的底部墙肢开裂情况，二者同样吻合较好。另外，通过本文模型的分析，可以观察到各处钢筋的应力应变情况、墙体平面外变形情况以及剪力滞后现象等，图13展示了为有限元计算结果中墙体平面外变形的状况，图14反映了连梁各钢筋的应力分布状况，可以看出受拉的交叉钢筋与部分箍筋已屈服（屈服应力360N/mm2），这些分析结果均与实验结果吻合较好。

 图9 底部剪力-顶点位移骨架线对比 (实际轴压比=0.15) Figure 9:  Comparison of shear force-displacement curves  (actual axial compression ratio=0.15) 图10 底部剪力-顶点位移骨架线对比 (实际轴压比=0.36) Figure10:  Comparison of shear force-displacement curves (actual axial compression ratio=0.36) 图11墙肢底部开裂应变分布（有限元） Figure 11:  Cracking strain at the bottom of tube (FEA) 图12 墙肢开裂状况(试验照片) Figure 12:  Cracking of wall bottom (test picure) 图13 墙体空间变形图(放大15倍) Figure 13:  Spatial deformation of walls (enlarged by 15 times)
 图14 连梁钢筋拉应力分布（单位:MPa） Figure14:  Maximum rebar stress of a coupling beam
 图15 结构三维有限元模型 Figure15:  Three-dimension finite element model for the structure 图16 内核心筒三维有限元模型 Figure 16:  Core tube of three-dimension finite element model

4 工程算例

 图17 Pushover的结构基地剪力-顶点位移曲线 Figure17:  Shear force-displacement curve of pushover analysis 图18 地面运动加速度（El Centro EW） Figure 18:  Accelerations of ground motion（El Centro EW） 图19 结构顶点位移时程曲线 Figure 19:  Displacement-time curve at the top
 图20 顶层位移最大时刻剪力墙开裂应变分布 Figure20:  Cracking strain of shear walls at maximum displacement point
 图21 顶层位移最大时刻核心筒竖向应变分布 Figure 21:  Vertical strain at maximum displacement point
 图22 顶层位移最大时刻墙体钢筋应力分布 Figure 22:  Rebar stress at maximum displacement point

5 结论

 [1]  魏勇. 外钢框架—混凝土核心筒抗震性能及设计方法研究[D]. 北京：清华大学,2006:1-3.（Wei Yong. Research on Seismic Behavior and Design Method for Reinforced Concrete Core Wall－Steel Frame Hybrid Structures[D]. Beijing: Tsinghua University,2006:1-3. (in Chinese)） [4]  缪志伟, 陆新征, 叶列平.分层壳单元在剪力墙结构有限元计算中的应用[J].建筑结构学报, 2006, 27(S2):932-935. (Miao Zhiwei, Lu Xinzheng, Ye Lieping. Applications of the multi-layer shell element in the finite element analysis of shear wall structures[J]. Journal of Building Structures, 2006,27(S2): 932-935. (in Chinese). [6]  汪训流. 配置高强钢绞线无粘结筋混凝土柱复位性能的研究[D]. 北京：清华大学, 2007:81-85.(Wang Xunliu. Research on re-centering behavior of reinforced concrete columns with unbonded high-strength strands[D]. Beijing: Tsinghua University, 2007:81-85.(in Chinese)) [8]  陈勤. 钢筋混凝土双肢剪力墙静力弹塑性分析[D]. 北京：清华大学，2003.(Chen Qin.Static inelastic analysis of reinforced concrete coupled shear wall[D]. Beijing: Tsinghua University, 2003.(in Chinese)) [10] 杜修力，贾鹏，赵均. 钢筋混凝土核心筒不同轴压比作用下抗震性能试验研究 [J].哈尔滨工业大学学报，2007，39(S2)：567-572.（Du Xiuli, Jia Peng, Zhao Jun. Experimental study on seismic behavior of reinforced concrete core wall under different axial load ratio[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(S2):567-572.(in Chinese)） [11] 中华人民共和国建设部.GB50011-2001. 建筑抗震设计规范.北京[S].北京：中国建筑工业出版社, 2001.(Ministry of Construction of the People’s Republic of China. GB50011-2001. Code for seismic design of buildings. Beijing: China Building Industry Press,2001.(in Chinese)) 作者信息： 林旭川，（1984-），男，浙江温州，硕士研究生，linxc03@gmail.com，研究方向：结构数值仿真、结构安全性评价。 陆新征，（1978-），男，安徽芜湖，副教授，博士，luxinzheng@263.net，研究方向：结构非线性分析，防灾减灾。 缪志伟，（1981-），男，江苏如东，博士研究生，miaozhiwei00@mails.thu.edu.cn，研究方向：高层混凝土结构的抗震设计。 叶列平，（1960-），男，浙江温州，教授，博士，ylp@tsinghua.edu.cn，主要研究方向：混凝土结构、结构抗震与减震、FRP及其工程应用。 郁银泉，（1962-），男，江苏吴县，总工，教授级高工。主要研究方向：钢结构、高层建筑。 申林，（1973-），男，博士。主要研究方向：钢结构、高层建筑。 联系方式： 联系电话：010-62794692 电子邮箱：linxc03@mails.tsinghua.edu.cn 联系地址：北京清华大学土木工程系基地101，100084。 [1] 基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：50808106）、清华大学校基础研究基金（JC2007003）和 国家科研院所技术开发研究专项 作者简介：林旭川，硕士研究生。 收稿日期：2007-11-29
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