第一章 緒論

1.1  選題背景及意義
近些年來，我國的建筑結(jié)構(gòu)形式得到了迅速發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)形式如雨后春筍般脫穎而出。同時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)不同形式的出現(xiàn)，也相繼出現(xiàn)各種新型結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，而在這些新型結(jié)構(gòu)得以廣泛應(yīng)用之前，還需要相關(guān)的試驗(yàn)來驗(yàn)證它們的可靠性，以滿足經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的需求。試驗(yàn)室中常用的加載裝置主要有反力墻、反力臺(tái)座、門式剛架、反力架和相應(yīng)各種組合類型。其中，由于反力墻結(jié)構(gòu)可以做到一般結(jié)構(gòu)的大比例尺寸甚至是足尺模型的偽靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)，所以其重要性不言而喻；而國內(nèi)相關(guān)研究較少，，許多試驗(yàn)室反力墻的建設(shè)都是參考其他試驗(yàn)室進(jìn)行的，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。并且隨著現(xiàn)在結(jié)構(gòu)尺寸的增大，相應(yīng)試驗(yàn)噸位的增加，對于反力墻結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)需求也越來越高。而蘇州科技學(xué)院結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原有的一堵一字形反力墻僅能夠支持單向加載，而現(xiàn)在對于地震作用的研究早已上升至雙向甚至是三向加載，所以其早已不能滿足現(xiàn)在的各種實(shí)驗(yàn)需求。因此，本課題以蘇州科技學(xué)院擬建地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室反力墻結(jié)構(gòu)為研究背景，通過對各大高校反力墻具體結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造進(jìn)行深入調(diào)研，對反力墻進(jìn)行初步選型，然后進(jìn)行方案的確定，進(jìn)而進(jìn)行初步計(jì)算以及模型的調(diào)整，到最后的項(xiàng)目完成。在此基礎(chǔ)上，提出最終反力墻截面形式的合適選用原則及其具體設(shè)計(jì)方法與建議。 上圖1.1-1為課題調(diào)研的同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)地震工程館的T形反力墻結(jié)構(gòu)及其箱型地下室。該反力墻采用空腹形式，墻身高 15m，總長 30m，地下室采用箱式臺(tái)座，并設(shè)置了相應(yīng)的設(shè)備室；墻身上面為均勻間隔的圓孔，圓孔直徑為 70mm，且間距為 600mm，該孔是用來固定加載裝置的，例如單向作用千斤頂、伺服液壓加載千斤頂、電液伺服控制加載系統(tǒng)等。該墻墻厚 850mm，整個(gè)墻側(cè)立面厚 4m，其中每一層都有開洞，開洞寬度為 1m，高度為 1.8m，并有鋼梯與每個(gè)洞口連接，便于操作人員的出入，墻內(nèi)部為空腹式，并有走道，便于試驗(yàn)人員在墻內(nèi)外固定裝置。地下室包括頂板、底板、肋墻及設(shè)備室，頂板、底板厚與反力墻墻身厚度相同，均為 850mm，頂板開孔直徑與間距與反力墻相同，肋墻寬 500mm，并不貫通布置，而是留出約 1m 左右的走道，兩側(cè)也有通道，便于管道的走線，地下室底板鋪設(shè)了許多管道，是為了便于地下室另一側(cè)液壓儀器的管道鋪設(shè)。可以看到頂板有固定試驗(yàn)裝置的螺栓。 
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1.2  反力墻結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對試驗(yàn)室反力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些研究：有工程應(yīng)用，也有理論分析，并對反力墻結(jié)構(gòu)施工工藝進(jìn)行了探索，現(xiàn)總結(jié)如下：現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)對于反力墻及其臺(tái)座的設(shè)計(jì)方法均沒有整體的詳細(xì)介紹，而是給出了其具體使用途徑。首先，文獻(xiàn)[3]對反力墻自身的自振頻率進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，結(jié)合多種方法，目的旨在更好地掌握了解其動(dòng)力特性，以在之后試驗(yàn)中避免各種不利影響。文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[5]講述了在康奈爾大學(xué)進(jìn)行的地震作用下各管道生命線的大尺度甚至為足尺模型的研究，文中提到了反力墻的具體參數(shù)，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)施提供了具有借鑒意義的參考。 國內(nèi)外對于反力墻的建設(shè)情況也有介紹：文獻(xiàn)[6][7][8]分別介紹了日本建筑研究院建成的反力墻裝置、阿爾及利亞國家抗震工程中心實(shí)驗(yàn)室反力墻的建設(shè)情況，還有成都理工大學(xué)對反力墻建設(shè)的構(gòu)想與建議。 對于反力墻所作試驗(yàn)的情況，以下八篇文獻(xiàn)均有詳細(xì)介紹，其中：范力等人于文獻(xiàn)[9]探討了擬動(dòng)力試驗(yàn)中的幾個(gè)問題，提出了相關(guān)結(jié)論；福州大學(xué)林東欣、宗周紅、房貞政在文獻(xiàn)[10]中對兩層鋼管混凝土組合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)研究，并運(yùn)用反力墻與電液伺服作動(dòng)器施加水平荷載，并結(jié)合了反力墻與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的方式，取得了良好的效果；文獻(xiàn)[11][12]對底部框架抗震墻磚房進(jìn)行了擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)，評價(jià)了這種結(jié)構(gòu)的抗震性能；文獻(xiàn)[13][14]對預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了二維擬靜力試驗(yàn)研究，提出梁的剛度影響節(jié)點(diǎn)破壞形式，預(yù)應(yīng)力的施加對空間框架的節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗剪有較大提高；張潔等人于文獻(xiàn)[15]對洛塘河雙層高架橋進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，提出合適的橫梁高度可以適當(dāng)提高梁的抗彎能力；文獻(xiàn)[16]運(yùn)用反力墻對自復(fù)位抵抗彎矩的框架進(jìn)行了模擬地震作用下的試驗(yàn)與擬靜力推覆分析，取得了良好的效果。 
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第二章 鋼筋混凝土反力墻與預(yù)應(yīng)力混凝土反力墻計(jì)算

對于反力墻這種受力狀況特殊的大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，目前并無成熟的設(shè)計(jì)方法，且相關(guān)的參考文獻(xiàn)也比較少。一位碩士的論文中對其學(xué)校結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大型有限元分析，文中提到了反力墻的簡化計(jì)算方法，即采用上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)分開，單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算的方法，不考慮二者的共同作用。其中，對于上部結(jié)構(gòu)，簡化為工字型截面懸臂梁，反力墻墻身即為梁的上下翼緣，腹板即為反力墻的隔墻，即中間開洞，目的是供試驗(yàn)人員安裝螺栓之用。其設(shè)計(jì)人員按彈性方法采用軟件對反力墻進(jìn)行配筋計(jì)算及裂縫寬度和撓度的驗(yàn)算。本文按照此思路，對反力墻提出簡化模型的計(jì)算，即按照懸臂梁的方法，手算該反力墻的內(nèi)力及配筋，并與其軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，校核該方法的準(zhǔn)確性。

2.1  反力墻選型及設(shè)計(jì)指標(biāo) 
對于反力墻墻身的結(jié)構(gòu)形式，如前述可知，有以下幾種： （1）實(shí)心普通鋼筋混凝土 美國明尼蘇達(dá)大學(xué) MAST 實(shí)驗(yàn)室采用的是這種類型的截面，其優(yōu)點(diǎn)在于整體性好，便于混凝土澆筑；而缺點(diǎn)在于不能提供較大的反力； （2）空腹式鋼筋混凝土 隨著實(shí)驗(yàn)要求的逐漸提升，試驗(yàn)噸位的不斷加大，對于反力墻結(jié)構(gòu)形式有了進(jìn)一步的探索，越來越多的實(shí)驗(yàn)室開始采用箱形空腹式截面。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供更大的剛度，缺點(diǎn)在于構(gòu)造復(fù)雜，施工難度較實(shí)心混凝土更大。 （3）預(yù)應(yīng)力混凝土      在普通鋼筋混凝土發(fā)展日趨完善之后，對于預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用也到達(dá)了一定的高度，由于預(yù)應(yīng)力混凝土可以充分發(fā)揮鋼筋的強(qiáng)度，和有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，所以現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)、對結(jié)構(gòu)剛度要求較大等等地方。其優(yōu)點(diǎn)在于較普通鋼筋混凝土性能更優(yōu)，缺點(diǎn)在于施工時(shí)對于預(yù)加力的把握難度大。 鑒于以上原因，綜合各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選用箱形空腹式作為反力墻墻身的結(jié)構(gòu)形式，并分別采用普通鋼筋混凝土方案與預(yù)應(yīng)力混凝土方案進(jìn)行計(jì)算與分析。 
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2.2  第一種方案：不考慮翼緣時(shí)對反力墻兩方向計(jì)算
如下圖所示，為不考慮翼緣時(shí)反力墻第一個(gè)方向上的截面形式，可以明顯看出，此截面形式接近于箱形梁，于是采用簡化的工字型截面模型來計(jì)算，并將它視為工字型懸臂梁，對反力墻底部與箱型基礎(chǔ)連接處視為固結(jié)。截面高度保持原有不變，即實(shí)際截面尺寸，工字型截面腹板厚度為各墻肢厚度之和。工況數(shù)量比較多，且現(xiàn)在是進(jìn)行手算，則任取一種工況進(jìn)行試算。首先選擇（b）工況進(jìn)行試算，此時(shí)，反力墻底部最大彎矩為 87600KN·M，底部最大剪力為 10000KN，最大撓度要求為 L0/1800[35]=14.6/1800=8.1mm。該撓度限值的選取，實(shí)際上，一方面是考慮結(jié)構(gòu)撓度不能過大，否則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度；另一方面，由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，構(gòu)件的底部彎矩與其撓度有一定的關(guān)系。在使用過程中，反力墻千斤頂作動(dòng)器的所能施加最大的力即為其量程范圍的最大值；根據(jù)反力墻與作動(dòng)器實(shí)際條件，提出反力墻在使用條件下的荷載值：即頂部施加兩個(gè) 100 噸的千斤頂作動(dòng)器，沿其對應(yīng)豎向向下的每層結(jié)構(gòu)層高處分別施加兩個(gè) 100 噸的千斤頂作動(dòng)器.
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第三章 大型 L 形反力墻結(jié)構(gòu)的有限元模擬 ...... 47    
3.1 有限元分析軟件總體介紹 ........ 47    
3.2 SAP2000 軟件概述 ..... 48    
3.3 混凝土材料及鋼筋有限元模型 ....... 48    
3.4 有限元建模過程 .......... 52      
3.4.1 基本假定 ........ 52      
3.4.2 建模步驟 ........ 52      
3.4.3 加載工況與計(jì)算 .......... 53    
3.5 初步分析結(jié)果 ....... 55    
3.6 手算電算比較 ....... 56      
3.6.1 L 形反力墻結(jié)構(gòu)各工況計(jì)算結(jié)果分析 .......... 59      
3.6.2 L 形反力墻結(jié)構(gòu)最不利工況組合 ........... 62    
3.7 模型 1 與模型 2 比較 ......... 63    
3.8 反力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對比研究 ....... 67    
3.9 本章小結(jié) ........ 69 
第四章 結(jié)論與展望 ..... 70   
4.1 結(jié)論與建議 ........... 70    
4.2 待解決的問題與展望 ......... 71 

第三章 大型 L 形反力墻結(jié)構(gòu)的有限元模擬

3.1 有限元分析軟件總體介紹

有限元分析，就是用有限單元法，以彈性理論為基礎(chǔ)，用矩陣這個(gè)數(shù)學(xué)工具推算，用計(jì)算機(jī)程序作出其數(shù)值解，是一種常用的計(jì)算方法，應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算。基本過程包括網(wǎng)格劃分、單元分析、整體分析、等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算、引入約束條件求解結(jié)點(diǎn)位移和求單元桿端力。由于該反力墻為一個(gè)整體L形結(jié)構(gòu)，是不可能準(zhǔn)確地用手算簡化計(jì)算的，所以必須使用大型有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析；在荷載和其他因素作用下，對其反應(yīng)和設(shè)計(jì)分析過程進(jìn)行探索，以達(dá)到了解結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力狀態(tài)是否滿足強(qiáng)度、剛度要求的目的。 現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析軟件，主流的有HKS公司的ABAQUS、MSC公司的NASTRAN、ANSYS、LSTC公司的LS-DYNA、ADINA、SAP2000和EDS公司的I-DEAS。這些軟件各有特點(diǎn)，業(yè)內(nèi)將它們分為線性分析軟件、非線性分析軟件。在線性分析中，NASTRAN和ANSYS具有優(yōu)勢，而在非線性分析中，ABAQUS、MARC、ADINA各具特點(diǎn)。

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結(jié)論

對于反力墻這種受力狀況特殊的大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，目前并無成熟的設(shè)計(jì)方法，且相關(guān)的參考文獻(xiàn)也比較少。本文首先依照有關(guān)文獻(xiàn)，探索手算的公式與步驟。首先將現(xiàn)有的一堵“一字形”反力墻簡化為一個(gè)“工字型”截面懸臂梁計(jì)算，然后與計(jì)算書結(jié)果對比，得出誤差僅在 2.4%，于是驗(yàn)證了自己手算中各公式應(yīng)用的準(zhǔn)確性，然后利用此公式，接著對擬建的 L 形反力墻進(jìn)行受力分析與配筋計(jì)算。而由于 L 形反力墻帶有翼緣，所以對其有效翼緣寬度也進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)撓度未能有效降低，最后利用大型有限元分析軟件對比分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并探索與計(jì)算了兩種不同方案，同時(shí)也對比了它們的計(jì)算結(jié)果，得出一些結(jié)論。 通過手算計(jì)算與有限元計(jì)算分析，得出結(jié)論與建議如下：
 （1）本文采用的手算計(jì)算公式是具備準(zhǔn)確性的，對于反力墻這種箱型截面，簡化為“工字型”計(jì)算內(nèi)力與撓度是可靠的，但對于其局部受力，即某一塊面板上面受到千斤頂作用時(shí)，其具體的內(nèi)力分布，仍需要簡化模型進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)算。 
（2）對于拐角處不相連方案下 L 形反力墻的撓度計(jì)算，本文手算計(jì)算的“工字型”截面梁與有限元模擬計(jì)算，計(jì)算撓度結(jié)果與軟件計(jì)算差別為 23.27%，說明翼緣的有效計(jì)算寬度仍需進(jìn)一步研究。需要進(jìn)一步對其邊界條件進(jìn)行探索。
 （3）在手算計(jì)算過程中，發(fā)現(xiàn)荷載工況對于結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響也是非常大的，在開裂彎矩內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)撓度，往往計(jì)算值會(huì)很小，一旦荷載工況下彎矩大于開裂彎矩，那么結(jié)構(gòu)撓度會(huì)迅速增大，所以在計(jì)算此類特種結(jié)構(gòu)的撓度中，對于荷載工況的取值，需要考慮結(jié)構(gòu)的開裂荷載，以有效控制結(jié)構(gòu)撓度及裂縫寬度。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：45529