摘要：当前，如何提高高层混凝土建筑的抗震效果已经成为城市高层建筑物建设过程中广泛关注的问题，也是一个难以有效解决的问题。想要提高高层混凝土建筑物的抗震效果，不仅仅需要从建筑物所在位置的地质构造入手，还要考虑建筑物所使用的建筑材料以及建筑物的结构特点。因此，为了使得高层混凝土建筑物具有更强的抗震性能，需要对其结构进行科学合理的优化。
关键词：高层建筑；混凝土；墙体；抗震性能
1 高层建筑混凝土墙体有限元模型
1.1 混凝土材料本构模型
为了方便分析高层建筑混凝土墙体结构的动力非线性时程和弹塑性，结合OpenSEES资料库，选择Concrete01作为混凝土墙体的本构模型。通过Mander模型描述高层建筑混凝土墙体构件中存在的应变－应力关系。根据约束状态不同的混凝土划分高层建筑混凝土墙体，将墙体分为弱约束混凝土、无约束混凝土和强约束混凝土3种类型。Mander混凝土本构模型中应变与应力之间的关系曲线如下。
图1 应力与应变的关系曲线
图1中，f'c0代表的是无约束混凝土墙体的峰值应力；f'cc代表的是约束混凝土墙体的峰值应力；εc0代表的是无约束混凝土墙体的峰值应变；εcc、εcu分别代表的是约束混凝土墙体的峰值应变和极限峰值应变；Ec代表的是弹性阶段混凝土的模量；Esec代表的是割线模量。
设fc代表的是应力与应变之间的关系，其计算公式为：
（1）
式中，参数x=εc0/εcc、Esec=f'cc/εcc、r=Ec/（Ec－Esec）。通过Ken-park模型得到无约束混凝土前墙体的峰值应变εc0。
（2）
约束混凝土墙体的峰值应力f'cc与混凝土有效约束面积、体积配箍率和箍筋形状有关，根据侧限有效应力f'l和无约束混凝土墙体的应力f'c0计算得到：
（3）
约束混凝土高层建筑墙体峰值应变εcc的计算公式为：
（4）
极限破坏应变εcu随箍筋和纵筋受分布、形状以及体积配箍率的变化而变化，εcu的计算公式为：
（5）
式中，Ks代表的是极限应变和峰值应变之间存在的比值系数。通常情况下，在无约束混凝土墙体中Ks取值区间为［2，3］，相应的极限应力为0.2f'cc；在箍筋约束混凝土墙体中Ks的取值区间为［5，10］，相应的极限应力为（0.2～0.5）f'cc。
1.2 钢筋与型钢本构模型
通过Steel02钢本构模型对高层建筑混凝土墙体的钢筋纤维和钢纤维进行模拟。在高层建筑混凝土墙体中钢材应力－应变之间的关系式如下：
（6）
（7）
式中，εr代表的是高层建筑混凝土墙体钢材在反向点处的应变；b代表的是硬化刚度和切点模量之间的比值；R代表的是材料参数。
1.3 计算参数设定
将OpenSEES软件中的NonlinearBeamColumn单元作为计算单元。高层建筑混凝土墙体截面纤维网格的高斯积分点总数、稀疏程度和划分方法都会对数值模拟求解的效率和精度进行影响。高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法通过自定义子程序对高层建筑混凝土墙体截面进行划分。通过patchquadr命令依据材料的形状划分型钢和混凝土，将其划分为纤维束，通过straight命令构建高层建筑混凝土墙体钢筋的纤维束。每个高层建筑混凝土墙体界面划分得到的纤维束总数少于60个。在高层建筑混凝土墙体截面中设置五个积分点，单元内部存在3个，单元两端设置2个。构建二维平面，首先施加轴向的荷载，之后变为水平荷载，然后保持不变。轴向的荷载通过分布加载方式完成，设置的加载步数为10。通过位移控制方法对水平方向往复施加荷载，收敛准则为位置准则，设置BandGeneral为自由度总数的控制命令，迭代次数的上限为150次。
2 墙体力学结构抗震性能分析
对墙体力学结构进行循环侧推分析，得到墙体中各个构件的结构弹塑性分布情况、内力、节点转角变化情况、变形情况，获得墙体结构抗震性能和结构薄弱部位的定性规律。采用循环侧推加载模式对墙体有限元模型进行实验，模拟地震的作用过程。设D代表的是墙体结构损伤模型，D的表达式为：
（8）
式中，D代表的是墙体结构的损伤指数；Kfinal、Kinitial代表的是墙体结构顶层位置与基地剪力曲线对应的切线斜率。设Di代表的是墙体中单个构件的刚度损伤模型，其表达式为：
（9）
式中，Di代表的是墙体第i个构件经过地震作用后的损伤指数；Kifinal、Kiinitial是通过循环侧推分析得到的墙体构件i的位移与杆端力之间的切线斜率。
损伤指数在区间［0，1］内取值，当损伤指数在区间［0，0.15］内时，代表墙体在地震作用下出现了轻微损坏；当损伤指数在区间［0.15，0.3］内时，代表地震对墙体造成了中等破坏，但造成的破坏可以修复；当损伤指数在区间［0.3，0.8］内时，代表地震对墙体造成了严重破坏；当损伤指数在区间［0.8，1］内时，此时墙体坍塌。
结构顶层是分析墙体抗震性能的一项重要指标，设θeq代表的是墙体的等效移角，θeq的计算公式为：
（10）
式中，Δt代表的是墙体的顶层位移；H代表的是墙体的高度。
3 实验结果与分析
为了验证高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法的整体有效性，需要对高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法进行测试，本次测试的实验平台为Matlab，操作系统为Windows。将机电百分表安置在高层建筑混凝土墙体中线最上层，对高层建筑混凝土墙体顶部发生的水平侧移进行量测，将应变花设置在高层建筑混凝土墙体的中部和四个角，在墙体应变花附近和构造柱正反两面设置应变测点。高层建筑混凝土墙体抗震性能加载装置如图2所示。
图2 墙体抗震性能加载装置
采用图2的抗震性能加载装置对高层建筑混凝土墙体施加压力，根据机电百分表和传感器等仪器测得的数据计算得到高层建筑混凝土墙体的损伤指数，高层建筑混凝土墙体损伤指数的变化曲线如图3所示。
图3 损伤指数随时间变化的曲线
图3可知，在10min前墙体的损伤指数在区间［0，0.15］内；在10～20min时间段内墙体的损伤指数在区间［0.15－0.3］内。等效移角是一项分析高层建筑混凝土墙体的重要指标，为了进一步验证高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法的整体有效性，分别采用高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法（方法1）、基于Pushover的墙体抗震性能分析方法（方法2）、基于增量动力分析法的墙体抗震性能分析方法（方法3）进行测试，采用3种不同方法对高层建筑混凝土墙体不同时间段内的等效移角进行计算，并将计算结果与实际结果进行对比，测试结果如图4所示。
图4 3种不同方法的测试结果
图4（a）为高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法的测试结果，分析图4（a）可知，采用以上方法计算得到的高层建筑混凝土墙体的等效移角接近实际等效移角，存在较小的误差，在可接受范围内。图4（b）、图4（c）分别为基于Pushover的墙体抗震性能分析方法和基于增量动力分析法的墙体抗震性能分析方法的测试结果，分析图4（b）和图4（c）可知，采用以上2种方法得到的等效移角与实际等效移角之间的误差较大。对比3种不同方法的测试结果可知，高层建筑混凝土墙体力学结构抗震性能分析方法可准确的得到等效移角，分析结果的精准度较高。
结束语：
当前，高层混凝土建筑抗震结构的设计已经成为城市高层混凝土建筑工程中重点关心的问题，也是高层混凝土建筑未来发展的实际需要。通过对于高层混凝土建筑抗震结构的优化，能够提高高层混凝土建筑的抗震性能，从而提升高层混凝土建筑的实用价值。
参考文献：
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［2］段晓芳，滕树勤．高层住宅场景可视化三维真实性建模仿真［J］．计算机仿真，2017，34（9）：218－221．
论文作者:张晶晶
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：墙体论文; 混凝土论文; 的是论文; 高层建筑论文; 应变论文; 结构论文; 代表论文; 《基层建设》2019年第26期论文;