一种钢筋混凝土剪力墙结构抗倒塌优化设计方法与流程

本发明涉及一种钢筋混凝土剪力墙结构抗倒塌优化设计方法，属于结构工程抗振减灾领域。
背景技术：
：随着社会生产的发展和科学技术的进步，建筑体系不断发展，高层建筑数量不断增长，其建筑结构形式也日趋多样化。高层建筑结构形式主要有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、板柱-剪力墙结构等。其中剪力墙结构凭借其整体性强、侧向刚度大、抗侧力性能好，能够有效的抵抗风荷载和地震荷载，施工方便等优点，成为住宅及旅馆建筑中主要的结构形式。由于建筑材料为钢筋混凝土，因此具有稳定性强、表面强度好、整体性较好的特点。剪力墙在高层建筑上的应用替代了传统的建筑物中以梁和柱为主的承重系统，不仅增加了室内的美观性，还避免了空间上的局限。高层建筑集中了更多的人口和财富，但也往往面临着潜在的偶然事件或极端灾害的威胁。一旦结构构件发生损伤，结构鲁棒性被削弱，此时结构的抗震性能必然面临着严重的挑战。剪力墙结构利用其较大的抗侧刚度，在地震作用下，容易满足规范对侧向位移限值的要求。但是，当刚度超过一定限值时，建筑承担的地震力会随着刚度的增加而增加，而且还会造成超高的建设投资额。结构设计人员通常出于结构安全、降低设计难度、缩短设计周期等方面的考虑，只是根据设计规范要求以及自身实践经验，参考类似工程，确定结构方案，然后进行强度、刚度、稳定性的计算，验算剪力墙结构是否满足要求。且其结构抗倒塌设计很大程度上完全依赖于震害经验总结和近似计算分析，缺少对机理的深入理解和认识。因此提出一种既从整体上对结构的抗倒塌性能进行判断，提高整体结构系统抵御局部破坏的能力，又防止意外荷载或极端情况下造成构件损伤进而引发连续倒塌的综合优化设计方法，降低造价并对结构防倒塌设计进行指导是十分必要的。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土剪力墙结构抗倒塌优化设计方法，本发明从结构系统整体出发，不仅能从整体上对结构的抗倒塌性能进行判断，还可以更直接地提高整体结构系统抵御局部破坏的能力，防止意外荷载或极端情况下造成构件损伤引发连续倒塌。本发明提出的一种钢筋混凝土剪力墙结构抗倒塌优化设计方法，具体步骤如下：（１）：根据建筑设计方案进行结构初始设计，同时得到初始剪力墙结构模型；（２）：根据现行设计规范，由结构初始设计与剪力墙布置情况，确定偶然事件或极端灾害下可能的一处或多处结构薄弱位置，如剪力墙角部等，引入构件损伤与破坏；（３）：采用有限单元法对剪力墙结构模型进行重力作用下抗倒塌分析，若不满足，则返回步骤（１）对初始剪力墙结构模型布置进行调整，并优化结构初始设计；若满足条件，则进入步骤（４）；（４）：对剪力墙结构模型进行多遇烈度地震作用下弹性变形验算，并与《建筑抗震设计规范》进行对比，若不满足，则返回步骤（１）对初始剪力墙结构模型布置进行调整，并优化结构初始设计；重复步骤（２）－（３），若满足条件，则进入步骤（５）；（５）：对剪力墙结构模型进行罕遇烈度地震作用下弹塑性倒塌分析，并得到结构承载力需求；若剪力墙结构模型发生倒塌，则说明剪力墙结构模型的设计抗倒塌能力无法满足规范要求，不能实现大震不倒的设计目标，返回步骤（１），根据承载力需求不断调整，并优化结构初始设计；重复步骤（２）－（４）；（６）：重复步骤（２）-（５），对关键部位或设计的薄弱部位逐一地进行抗倒塌能力分析与安全性评估；若剪力墙结构模型未倒塌，则进行延性构造措施等结构优化，最终得到该设计为考虑偶然事件或极端情况下防止连续倒塌的最优设计。本发明中，剪力墙结构的结构初步布置应满足墙体长度合理，布置均匀；同时布置应加强周边外围刚度，减少中心刚度且剪力墙边缘构件应形状简单，走向明确。本发明中，进行大震弹塑性变形验算时，评估标准为预设层间位移角；大震弹塑性分析时，地震波根据《建筑抗震设计规范》参数要求和数量进行选择，地震波峰值选取建筑结构场地和烈度要求的罕遇地震峰值。本发明中，所述偶然事件或极端灾害包括地震或炸药、燃气触发的爆炸荷载以及运动物体引起的撞击荷载。本发明中，用有限元软件ABAQUS进行剪力墙的倒塌全过程分析，采用基于动力学方程的显式有限单元法的求解格式，具有较好的稳定性。本发明的有益效果在于：本发明从结构系统整体出发，不仅能从整体上对结构的抗倒塌性能进行判断，还可以更直接的提高整体结构系统抵御局部破坏的能力，防止意外荷载或极端情况下造成构件损伤引发连续倒塌。本发明设计过程简单，概念清晰，尤其对重要构件部位破坏引起的连续性倒塌提供了参考方法与解决手段，具有普遍的适用性。附图说明图1表示用来证明本发明方法算例的典型剪力墙计算建模示意图；图2表示该剪力墙结构引入损伤后重力荷载作用下结构损伤图；图3表示该剪力墙结构某地震波7度基本烈度地震作用下的损伤分布；其中：(ａ)为整体，(ｂ)为角部；图4表示该剪力墙结构某地震波7度罕遇烈度地震作用下的损伤分布；其中：(ａ)为整体，(ｂ)为角部；图5表示该剪力墙结构的计算模型的倒塌分析过程；其中：其中：(ａ)为初始破坏时刻，(ｂ)为严重破坏时刻；(ｃ)为倒塌时刻；图6表示本发明步骤流程图。具体实施方式下面结合附图，以某一构件失效为例详细说明本发明的具体实施方式。实施例１：本发明进行钢筋混凝土剪力墙防倒塌设计的优化方法步骤如下：步骤（1）：根据既定条件对钢筋混凝土剪力墙结构进行常规设计，得到初始模型，如图1所示。考虑上海地区7度抗震设防，Ⅳ类场地土，设防抗震分组第一组，不考虑风荷载作用。结构为7层钢筋混凝土剪力墙结构，结构自振频率见表1。步骤（2）：选择具体一个关键部位做失效处理，本例选用剪力墙角部产生意外损伤。步骤（3）：采用ABAQUS有限元软件，考虑重力荷载作用下钢筋混凝土剪力墙的损伤，如图2所示，角部对应的楼板位置出现部分损伤，在设计中应予以加强。底层相邻剪力墙构件均未出现明显的塑性应变，说明该结构设计具有一定的抗连续倒塌能力。步骤（4）：施加不同类型的地震波，进行7度基本烈度地震作用下的验算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的结构最大层间位移角见表2，楼层加速度见表3，结构损伤分布如图3所示，剪力墙角部、剪力墙与楼层相交部位以及连梁等部位，产生了显著的损伤与开裂，此时结构仍未发生倒塌。另一方面，相同地震烈度作用下，不同地震波产生的损伤存在一定差异。不同地震波所引起的结构损伤与开裂的巨大差异，在结构分析与设计中应该给予特别关注。步骤（5）：进行7度罕遇地震作用下的抗倒塌验算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的结构最大层间位移角见表4，楼层加速度见表5，结构的损伤和开裂如图4所示。此时结构在剪力墙角部已经产生了非常明显的分布式损伤和开裂，结构底部损伤已经十分严重，之后结构发生了整体倒塌。倒塌过程如图5所示。破坏主要集中在第1层及第2层，倒塌破坏过程中的构件破坏顺序依次为失效处剪力墙→相邻剪力墙→底层结构→整体结构。此时对易于遭受损伤角柱处重新进行设计，重复步骤（2）-（4），以达到最优化。步骤（6）：重复步骤（２）-（５），对其他关键部位或设计的薄弱部位逐一进行抗倒塌能力分析与安全性评估；若剪力墙结构模型未倒塌，则进行延性构造措施等结构优化，最终得到该设计为考虑偶然事件或极端情况下防止连续倒塌的最优设计。表1结构自振频率振型号自振频率（Hz）11.5121.5232.2846.5256.5466.7179.20810.78913.481013.71表2ElCentro波双向基本烈度地震作用下各层最大层间位移角楼层X向层间位移角Y向层间位移角71/4351/85761/4751/109151/5921/109141/7431/92331/7241/92321/5921/91311/6721/1355表3ElCentro波双向基本烈度地震作用下各层峰值加速度（单位mm/s2）楼层X向峰值加速度Y向峰值加速度742922903621821492524901736437042320336872926236772504128101989表4ElCentro波双向罕遇地震作用下各层最大层间位移角楼层X向层间位移角Y向层间位移角71/1901/31861/2231/84051/2371/67741/2451/77831/2921/54221/2551/41611/3681/545表5ElCentro波双向罕遇地震作用下各层峰值加速度（单位mm/s2）楼层X向峰值加速度Y向峰值加速度748624524624792439533422995447654043349933937244654281144033154当前第1页1 2 3