基于精细化数值仿真的剪力墙抗震性能及破坏控制研究

研究剪力墙非线性全过程数值仿真分析方法，并在此基础上研究剪力墙性能状态与其主要抗震设计参数之间的量化关系和破坏控制。主要包括基于材料层次并考虑配筋细节的剪力墙精细化非线性数值仿真技术及相关计算假定和模型的研究；基于ABAQUS平台利用集成脚本语言Python进行非线性分析程序的二次开发；以精细化数值仿真分析为依据，建立剪力墙在基本完好、轻微破坏、严重破坏、不倒塌状态时，其位移角与其主要设计参数如高宽比、轴压比、边缘配筋情况之间的量化关系；在已有研究的基础上提出改进的剪力墙损伤指标模型，建立设计参数－关键性能状态控制点位移角－损伤指数之间的量化关系。本课题的研究将解决剪力墙结构基于性能抗震设计的关键问题，对高层及超高层结构的灾害控制具有重大意义。

剪力墙是一种既能承担水平荷载，又能承担竖向荷载，具有良好的抗震性能的结构构件。本课题基于原定研究目标，基于本课题已完成的变轴压比、高宽比、边缘配筋情况的钢筋混凝土剪力墙的低周反复试验，主要完成了：①基于材料层次的剪力墙钢筋及混凝土的本构关系、约束混凝土本构关系以及新老混凝土界面的粘结关系，剪力墙平截面计算假定、弯曲剪切计算假定，钢筋与混凝土材料的接触非线性的建模方法，新老混凝土界面建模方法；②考虑剪力墙的轴压比、高宽比、边缘配筋细节，基于向量式有限元程序VFIFE开展了复合受力下的剪力墙二维板单元二次开发及数值模拟验证，验证结果表明该程序对处理剪力墙大变形问题具有良好的适应性；③根据基于性能抗震设计的设计水准划分方法，将剪力墙的性能状态划分为基本完好、轻微破坏、严重破坏、不倒塌四种性能状态，根据已有试验的结果分别与剪力墙力－位移曲线上的关键点对应，研究了不同性能状态位移角与其主要设计参数如高宽比、轴压比、边缘配筋情况之间的规律；④进行剪力墙构件多维非线性行为模拟，研究剪力墙的破坏模式和损伤机制，研究不同设计参数的剪力墙的裂缝开展、混凝土压溃、钢筋屈曲以及塑性区在低周反复或水平推覆荷载作用下的发展过程以及以上破坏情况与其位移角之间的关系以及其数值模拟技术。基于本课题已发表SCI收录文章3篇，正在外审的SCI论文3篇，已发表核心期刊论文3篇，已录用核心期刊论文3篇，培养毕业研究生1人，正在读博士研究生1人，在读硕士研究生5人。研究主要进展及创新点在于：在试验基础上结合基于性能抗震设计方法将位移角对剪力墙性能状态联系起来，利用位移角界定剪力墙性能状态；对不同截面参数设置条件下剪力墙的破坏模式及规律进行试验和数值仿真研究，得到轴压比、高宽比、边缘约束情况对剪力墙抗震性能的影响规律；提供了剪力墙平截面应变和高度方向边缘应变在剪力墙破坏全过程的发展规律；开发了基于向量式有限元的剪力墙二维板单元模型。