本發(fā)明涉及一種鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗倒塌優(yōu)化設計方法，屬于結(jié)構(gòu)工程抗振減災領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，建筑體系不斷發(fā)展，高層建筑數(shù)量不斷增長，其建筑結(jié)構(gòu)形式也日趨多樣化。高層建筑結(jié)構(gòu)形式主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)等。其中剪力墻結(jié)構(gòu)憑借其整體性強、側(cè)向剛度大、抗側(cè)力性能好，能夠有效的抵抗風荷載和地震荷載，施工方便等優(yōu)點，成為住宅及旅館建筑中主要的結(jié)構(gòu)形式。由于建筑材料為鋼筋混凝土，因此具有穩(wěn)定性強、表面強度好、整體性較好的特點。剪力墻在高層建筑上的應用替代了傳統(tǒng)的建筑物中以梁和柱為主的承重系統(tǒng)，不僅增加了室內(nèi)的美觀性，還避免了空間上的局限。高層建筑集中了更多的人口和財富，但也往往面臨著潛在的偶然事件或極端災害的威脅。一旦結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)魯棒性被削弱，此時結(jié)構(gòu)的抗震性能必然面臨著嚴重的挑戰(zhàn)。剪力墻結(jié)構(gòu)利用其較大的抗側(cè)剛度，在地震作用下，容易滿足規(guī)范對側(cè)向位移限值的要求。但是，當剛度超過一定限值時，建筑承擔的地震力會隨著剛度的增加而增加，而且還會造成超高的建設投資額。結(jié)構(gòu)設計人員通常出于結(jié)構(gòu)安全、降低設計難度、縮短設計周期等方面的考慮，只是根據(jù)設計規(guī)范要求以及自身實踐經(jīng)驗，參考類似工程，確定結(jié)構(gòu)方案，然后進行強度、剛度、穩(wěn)定性的計算，驗算剪力墻結(jié)構(gòu)是否滿足要求。且其結(jié)構(gòu)抗倒塌設計很大程度上完全依賴于震害經(jīng)驗總結(jié)和近似計算分析，缺少對機理的深入理解和認識。因此提出一種既從整體上對結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能進行判斷，提高整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抵御局部破壞的能力，又防止意外荷載或極端情況下造成構(gòu)件損傷進而引發(fā)連續(xù)倒塌的綜合優(yōu)化設計方法，降低造價并對結(jié)構(gòu)防倒塌設計進行指導是十分必要的。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗倒塌優(yōu)化設計方法，本發(fā)明從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體出發(fā)，不僅能從整體上對結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能進行判斷，還可以更直接地提高整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抵御局部破壞的能力，防止意外荷載或極端情況下造成構(gòu)件損傷引發(fā)連續(xù)倒塌。本發(fā)明提出的一種鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗倒塌優(yōu)化設計方法，具體步驟如下：（１）：根據(jù)建筑設計方案進行結(jié)構(gòu)初始設計，同時得到初始剪力墻結(jié)構(gòu)模型；（２）：根據(jù)現(xiàn)行設計規(guī)范，由結(jié)構(gòu)初始設計與剪力墻布置情況，確定偶然事件或極端災害下可能的一處或多處結(jié)構(gòu)薄弱位置，如剪力墻角部等，引入構(gòu)件損傷與破壞；（３）：采用有限單元法對剪力墻結(jié)構(gòu)模型進行重力作用下抗倒塌分析，若不滿足，則返回步驟（１）對初始剪力墻結(jié)構(gòu)模型布置進行調(diào)整，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)初始設計；若滿足條件，則進入步驟（４）；（４）：對剪力墻結(jié)構(gòu)模型進行多遇烈度地震作用下彈性變形驗算，并與《建筑抗震設計規(guī)范》進行對比，若不滿足，則返回步驟（１）對初始剪力墻結(jié)構(gòu)模型布置進行調(diào)整，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)初始設計；重復步驟（２）－（３），若滿足條件，則進入步驟（５）；（５）：對剪力墻結(jié)構(gòu)模型進行罕遇烈度地震作用下彈塑性倒塌分析，并得到結(jié)構(gòu)承載力需求；若剪力墻結(jié)構(gòu)模型發(fā)生倒塌，則說明剪力墻結(jié)構(gòu)模型的設計抗倒塌能力無法滿足規(guī)范要求，不能實現(xiàn)大震不倒的設計目標，返回步驟（１），根據(jù)承載力需求不斷調(diào)整，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)初始設計；重復步驟（２）－（４）；（６）：重復步驟（２）-（５），對關(guān)鍵部位或設計的薄弱部位逐一地進行抗倒塌能力分析與安全性評估；若剪力墻結(jié)構(gòu)模型未倒塌，則進行延性構(gòu)造措施等結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到該設計為考慮偶然事件或極端情況下防止連續(xù)倒塌的最優(yōu)設計。本發(fā)明中，剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)初步布置應滿足墻體長度合理，布置均勻；同時布置應加強周邊外圍剛度，減少中心剛度且剪力墻邊緣構(gòu)件應形狀簡單，走向明確。本發(fā)明中，進行大震彈塑性變形驗算時，評估標準為預設層間位移角；大震彈塑性分析時，地震波根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》參數(shù)要求和數(shù)量進行選擇，地震波峰值選取建筑結(jié)構(gòu)場地和烈度要求的罕遇地震峰值。本發(fā)明中，所述偶然事件或極端災害包括地震或炸藥、燃氣觸發(fā)的爆炸荷載以及運動物體引起的撞擊荷載。本發(fā)明中，用有限元軟件ABAQUS進行剪力墻的倒塌全過程分析，采用基于動力學方程的顯式有限單元法的求解格式，具有較好的穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體出發(fā)，不僅能從整體上對結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能進行判斷，還可以更直接的提高整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抵御局部破壞的能力，防止意外荷載或極端情況下造成構(gòu)件損傷引發(fā)連續(xù)倒塌。本發(fā)明設計過程簡單，概念清晰，尤其對重要構(gòu)件部位破壞引起的連續(xù)性倒塌提供了參考方法與解決手段，具有普遍的適用性。附圖說明圖1表示用來證明本發(fā)明方法算例的典型剪力墻計算建模示意圖；圖2表示該剪力墻結(jié)構(gòu)引入損傷后重力荷載作用下結(jié)構(gòu)損傷圖；圖3表示該剪力墻結(jié)構(gòu)某地震波7度基本烈度地震作用下的損傷分布；其中：(ａ)為整體，(ｂ)為角部；圖4表示該剪力墻結(jié)構(gòu)某地震波7度罕遇烈度地震作用下的損傷分布；其中：(ａ)為整體，(ｂ)為角部；圖5表示該剪力墻結(jié)構(gòu)的計算模型的倒塌分析過程；其中：其中：(ａ)為初始破壞時刻，(ｂ)為嚴重破壞時刻；(ｃ)為倒塌時刻；圖6表示本發(fā)明步驟流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，以某一構(gòu)件失效為例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。實施例１：本發(fā)明進行鋼筋混凝土剪力墻防倒塌設計的優(yōu)化方法步驟如下：步驟（1）：根據(jù)既定條件對鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進行常規(guī)設計，得到初始模型，如圖1所示。考慮上海地區(qū)7度抗震設防，Ⅳ類場地土，設防抗震分組第一組，不考慮風荷載作用。結(jié)構(gòu)為7層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自振頻率見表1。步驟（2）：選擇具體一個關(guān)鍵部位做失效處理，本例選用剪力墻角部產(chǎn)生意外損傷。步驟（3）：采用ABAQUS有限元軟件，考慮重力荷載作用下鋼筋混凝土剪力墻的損傷，如圖2所示，角部對應的樓板位置出現(xiàn)部分損傷，在設計中應予以加強。底層相鄰剪力墻構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯的塑性應變，說明該結(jié)構(gòu)設計具有一定的抗連續(xù)倒塌能力。步驟（4）：施加不同類型的地震波，進行7度基本烈度地震作用下的驗算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)最大層間位移角見表2，樓層加速度見表3，結(jié)構(gòu)損傷分布如圖3所示，剪力墻角部、剪力墻與樓層相交部位以及連梁等部位，產(chǎn)生了顯著的損傷與開裂，此時結(jié)構(gòu)仍未發(fā)生倒塌。另一方面，相同地震烈度作用下，不同地震波產(chǎn)生的損傷存在一定差異。不同地震波所引起的結(jié)構(gòu)損傷與開裂的巨大差異，在結(jié)構(gòu)分析與設計中應該給予特別關(guān)注。步驟（5）：進行7度罕遇地震作用下的抗倒塌驗算。某典型ElCentro地震波基本烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)最大層間位移角見表4，樓層加速度見表5，結(jié)構(gòu)的損傷和開裂如圖4所示。此時結(jié)構(gòu)在剪力墻角部已經(jīng)產(chǎn)生了非常明顯的分布式損傷和開裂，結(jié)構(gòu)底部損傷已經(jīng)十分嚴重，之后結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體倒塌。倒塌過程如圖5所示。破壞主要集中在第1層及第2層，倒塌破壞過程中的構(gòu)件破壞順序依次為失效處剪力墻→相鄰剪力墻→底層結(jié)構(gòu)→整體結(jié)構(gòu)。此時對易于遭受損傷角柱處重新進行設計，重復步驟（2）-（4），以達到最優(yōu)化。步驟（6）：重復步驟（２）-（５），對其他關(guān)鍵部位或設計的薄弱部位逐一進行抗倒塌能力分析與安全性評估；若剪力墻結(jié)構(gòu)模型未倒塌，則進行延性構(gòu)造措施等結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到該設計為考慮偶然事件或極端情況下防止連續(xù)倒塌的最優(yōu)設計。表1結(jié)構(gòu)自振頻率振型號自振頻率（Hz）11.5121.5232.2846.5256.5466.7179.20810.78913.481013.71表2ElCentro波雙向基本烈度地震作用下各層最大層間位移角樓層X向?qū)娱g位移角Y向?qū)娱g位移角71/4351/85761/4751/109151/5921/109141/7431/92331/7241/92321/5921/91311/6721/1355表3ElCentro波雙向基本烈度地震作用下各層峰值加速度（單位mm/s2）樓層X向峰值加速度Y向峰值加速度742922903621821492524901736437042320336872926236772504128101989表4ElCentro波雙向罕遇地震作用下各層最大層間位移角樓層X向?qū)娱g位移角Y向?qū)娱g位移角71/1901/31861/2231/84051/2371/67741/2451/77831/2921/54221/2551/41611/3681/545表5ElCentro波雙向罕遇地震作用下各層峰值加速度（單位mm/s2）樓層X向峰值加速度Y向峰值加速度748624524624792439533422995447654043349933937244654281144033154當前第1頁1 2 3