摘要
随着国家―十二五‖规划的实施与推进，社会城镇化进程的步伐进一步加快，城镇规模不断扩大，用地紧张、基础设施滞后、环境污染等城镇化问题集中涌现。为解决上述问题，城镇土地的利用必须朝着综合化、集约化的方向发展，这就对原有生态复合墙结构体系提出新的要求。基于上述研究现状及前期研究成果，将传统生态复合墙结构与混凝土竖向约束构件有机结合提出中高层生态复合墙混合结构体系。本文立足于课题组主攻研究方向—中高层生态复合墙混合结构体系，采取试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，重点对中高层生态复合墙体抗震性能与理论分析、结构协同工作与构件配比优化、结构的简化计算模型等方面的研究；在此基础上，总结该混合结构抗震设计理论及构造措施，为中高层生态复合墙混合结构的设计和施工提供依据，奠定该结构的应用和发展基础。本文主要研究内容与成果如下：
（1）结合课题组前期3榀中高层生态复合墙体的试验研究，对比不同类型中高层生态复合墙体的承载力、滞回特性、延性、强度退化、刚度退化等抗震性能。结果表明：肋梁、肋柱、竖向约束构件所形成的框格有效约束砌块受力及裂缝发展，按照―砌块—肋格—竖向约束构件‖模式各分灾元件依次发生破坏，形成多道抗震防线，充分利用不同构件的耗能能力；墙体从屈服到破坏，骨架曲线变化平缓，无突变现象，均未出现倒塌现象，抗倒塌能力较强。采用ABAQUS建立的中高层生态复合墙体数值模型，并对其进行静力弹塑性分析，计算结果与试验结果在荷载-位移曲线、出铰机制等方面吻合较好；在此基础上，开展关键参数变化的中高层生态复合墙体数值扩展分析，获得竖向约束构件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、轴压比、高宽比等关键因素对墙体弹性刚度、承载力和位移延性的影响规律，为建立合理的中高层生态复合墙体的计算理论和设计方法奠定基础。
（2）基于数值及墙体试验研究成果，结合墙体独特构造和复合材料力学，建立适用于复合墙体的弹性阶段模型—双向纤维单层复合材料模型，推导出墙体弹性模量及剪切模量实用计算公式，并利用弹性力学对各向异性等效弹性板的抗侧刚度进行推导，同时考虑各种影响因素，对正交各向异性等效弹性板的抗侧刚度进行修正，结果表明：复合材料力学简化模型用于复合墙体抗侧刚度的计算，具有一定的理论依据和实用价值，能够满足实际工程计算需要；结合墙体受力特性及破坏过程，给出中高层生态复合墙体极限状态时的抗剪抵抗机构，基于抗剪抵抗机构、力的平衡条件，推导出中高层生态复合墙体的斜截面抗剪极限承载力计算公式，结果表明：该分析模型能够较好的反映中高层生态复合墙体的极限承载力特性，可应用于不同受力状态下复合墙体的极限承载力验算；基于平截面假定，推导出中高层生态复合墙体的正截面抗弯极限承载力计算公式，同时给出界限受压区高度，用于指导竖向约束构件的配筋。
（3）结合中高层生态复合墙体试验及数值模拟，根据其受力特性及构造特点，提出中高层生态复合墙混合结构在水平荷载作用下的夹层复合结构力学模型，并根据变形协调原理，建立结构平衡微分方程，量化复合墙板和竖向约束构件承担荷载的比例关系，解析解与数值解对比表明：该模型为计算实际结构内力及位移提供了一种较为简化、实用的解析方法；基于中高层生态复合墙混合结构空间协同工作的原理，推导出满足层间侧移角限值的竖向约束构件的计算公式，量化不同控制因素作用下（抗震等级、场地类别、设计分组）纵向、横向竖向约束构件与复合墙板配比，指导中高层生态复合墙混合结构的结构方案设计。
（4）针对生态复合墙板非均匀周期性分布特点，选取合适的单胞，建立单胞模型能量表达式，利用能量极值原理、周期性条件、均匀性条件及数学变换，得到复合材料的宏观性能的力学表达式，并结合细观力学有限元模型，建立不同尺度的代表性体积单元、边界条件，模拟代表性体积单元在荷载工况下的强度试验，得出代表性体积单元的等效材料特性及本构关系，与试验结果对比验证其合理性，研究表明：匀质化数值模型计算结果与试验结果吻合较好，该方法确定的材料属性能够反映墙板的宏观性能；利用等效材料属性及本构关系，提出中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型，与振动台试验结果进行了对比分析，结果表明：竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型能较好地模拟中高层生态复合墙混合结构弹塑性阶段的真实破坏过程及动力特性，模型具有一定的实用性，可适用于该混合结构非线性动、静力计算分析。
（5）根据前期中高层生态复合墙体试验、数值模拟，并结合工程设计实例，重点对中高层生态复合墙混合结构房屋的平面布置、结构选型、抗震等级等概念设计原则、竖向约束构件设计与构造、生态复合墙板竖向连接进行研究与探讨，以期为中高层生态复合墙混合结构后续工程应用提供参考。
本文的主要创新之处在于：
（1）开展关键参数变化的中高层生态复合墙抗震性能对比研究，探讨关键因素对墙体力学行为的影响规律
结合3榀中高层生态复合墙体的试验研究，对比不同类型中高层生态复合墙体抗震性能；利用已验证数值模型，采用有限元软件ABAQUS开展基于关键参数（竖向约束构件肢厚比、截面形式、配筋率、肋格形式、轴压比、高宽比）变化的数值扩展分析，探讨关键因素对墙体力学行为的影响规律，为建立合理的中高层生态复合墙体的计算理论和设计方法奠定基础。
（2）推导出中高层生态复合墙体的抗侧刚度与极限承载力计算公式，完善和补充墙体的理论分析
基于双向纤维单层复合材料模型，推导各向异性等效弹性板的抗侧刚度计算公式，该公式可用于复合墙体抗侧刚度的计算，具有一定的理论依据和实用价值；基于抗剪抵抗机构，推导出中高层生态复合墙体的斜截面抗剪极限承载力计算公式，可应用于不同受力状态下复合墙体的极限承载力验算；基于平截面假定，推导出中高层生态复合墙体的正截面抗弯极限承载力计算公式，用于指导竖向约束构件的配筋。
（3）建立中高层生态复合墙混合结构协同工作模型，提出不同控制因素作用下竖向约束构件与复合墙板配比计算方法
结合中高层生态复合墙体试验及数值模拟，提出中高层生态复合墙混合结构在水平荷载作用下的夹层复合结构力学模型，量化复合墙板和竖向约束构件承担荷载的比例关系；基于协同工作原理，提出不同控制因素作用下竖向约束构件与复合墙板配比计算方法，用于指导中高层生态复合墙混合结构的结构方案设计。
（4）建立基于代表性体积单元的中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型
运用周期介质均质化理论及细观有限元方法，建立不同尺度的代表性体积单元、边界条件，模拟代表性体积单元在荷载工况下的强度试验，得出代表性体积单元的等效材料特性及本构关系；利用等效材料属性及本构关系，建立中高层生态复合墙混合结构的全过程简化数值模型—竖向约束构件-复合板弹塑性力学模型，可用于该混合结构非线性动、静力全过程分析。
With the implementation and promotion of the twelfth five-year plan，the step of societyurbanization is speeding up further. Because of expanding scale of urbanization，suchproblems as shortage of land，construction of infrastructure falling behind and environmentalpollution have concentrated emergence. In order to solve the above problems，the city landutilization must be developed towards the direction of the integration and intensive，whichputs forward new demands in the ecological composite wall structure. Based on the abovepresent research situation and the previous research results，the middle-high ecologicalcomposite wall hybrid structure which is made up the ecological composite wall structureand vertical restrained components is put forward.This paper stands on the highlights of theteam for the middle-high ecological composite wall hybrid structure and the primary study isfocused on the seismic performance and theoretical analysis，collaborating work of structureand proportion optimization of component，simple calculation model by combination ofexperiment research，the theory analysis and numerical simulation. Based on this，the seismicdesign theory and construction measures of the hybrid structure are summarized. So it makesfull preparations for structure applications and gives neeessaly foundation for itsdevelopmeni and applications.The main research contents and the results are as follows:
（1）Accordingtothetest researchonthemid-highrise ecological compositewall，thecoMParative analysis on the seismic performance of the bearing capacity，hystereticcharacteristics，tensility，strength degradation，stiffness degeneration on different types ofmiddle-high ecological composite wall. The results show that the sash of rib beam，columnand the vertical component constraints block stress and fracture development effectively. Thefailure of each element of block-sash-vertical constraint component model takes place inturn，and the multichannel seismic line is formed，which can make full use of differentcomponent of the energy dissipation ability. The skeleton curve of the wall is smooth and there is no mutation and no collapse occurred phenomenon from yield to destruction. Thewall has the strong ability to resist collapse. ABAQUS is used to build the middle-highecological composite wall numerical model，and the static elastoplastic analysis is carried on.The calculation results and test results of the load-displacement curve and the hingemechanism are all in good agreement. On this basis，the key parameters of the numericalextension analysis on the middle-high ecological composite wall is carried out and the keyfactors of vertical constraint limb thickness ratio，section forms，reinforcement ratio，sashform，axial compression ratio, the ratio of the influence rules of elastic stiffness，bearingcapacity，displacement ductility on the wall are obtained to establish reasonable foundation inthe mid-high rise ecological composite wall calculation theory and design method.
（2）Based on the experimental study and numerical research，in view of the wallunique construction，elastic stage model-two-way fiber single composite material model isestablished suitable for mid-high ecological composite wall combined with compoundmaterial mechanics theory to deduce the wall elastic modulus and shear modulus practicalcalculation formula. Using elastic mechanics and considering all kinds of factors，anisotropicequivalent elastic plate resist lateral stiffness is derived. The orthogonal anisotropicequivalent elastic plate resist lateral stiffness is amended to revise. Results show that it has acertain theoretical basis and practical value to make the simplified model compound materialmechanics be used for the calculation of the ecological composite wall lateral stiffness, andthe results can satisfy the actual engineering calculation needs. In view of the wallmechanical characteristics and failure process，it gives the mid-high rise ecologicalcomposite wall limit state of shear resistance mechanism.The mid-high ecological compositewall inclined section of shear limit bearing capacity calculation formula is deduced. Based onthe shear resistance mechanism and the force equilibrium condition，the analysis results showthat the model can better reflect the ultimate bearing capacity of the middle-high ecologicalcomposite wall features and it can be applied to the ultimate bearing capacity of thecomposite wall calculation under different stress state. Based on the flat section assumption，the mid-high rise ecological composite wall of normal section of the bending ultimatebearing capacity calculation formula is deduced. At the same time limit compressive zoneheight is given to calculate the vertical constraint component reinforcement.
（3）Combined with the mid-high rise ecological composite wall test and numericalsimulation results, according to its mechanical characteristics and structure characteristics，the paper puts forward the mid-high rise ecological composite wall composite structure underhorizontal loads of sandwich composite structure mechanics model. According to thedeformation coordination principle，the structure equilibrium differential equation and quantitative composite wall proportional relation of panel and vertical constraint memberbear load is establish. Analytical solution and numerical solution are coMPared to showthat the model provides a relatively simplified, practical analysis method for calculating theactual structural internal force and displacement. Based on the space collaborating workprinciple of the middle-high ecological composite wall hybrid structure,the calculationformula to meet the interlayer of the upper limit value of lateral angle of vertical constraintcomponents is deduced to quantify the vertical, horizontal vertical constraint component ratioand composite wallboard under the action of the different control factors (seismic grade, sitetype, the design group) to guide the middle-high ecological composite wall hybrid structuredesign.
（4）In view of characteristics of the ecological composite wall panel inhomogeneousperiodic distribution, the appropriate unit cell is selected and the expression of unit cell modelis built.Using extreme energy value principle, the cyclical conditions, uniformity ofconditions and mathematical transform, and the macroscopic properties of the compositematerial mechanics expressions is got. Combining the microscopic mechanics finite elementmodel, the different scales of representative volume unit, boundary conditions, simulation ofrepresentative volume unit of strength test under load condition is established, therelationship of a representative volume unit equivalent material properties and theconstitutive is obtained, which verify the rationality by coMParing with the test results. Theresearch shows that the numerical model calculation and qualitative results are in goodagreement with the test results, using the method to determine the material properties canreflect wallboard macro performance. Using equivalent material properties and theconstitutive relation, the simplified numerical model for the whole process of themiddle-high ecological composite wall hybrid structure—the vertical restraint component-clad plate elastic-plastic mechanics model, and coMParing with the shaking table test resultsanalysis. The results show that the vertical constraint component clad plate elastic-plasticmechanics model can well simulate the elastic-plastic stage, the real dynamic characteristicsand failure process of the middle-high ecological composite wall hybrid structure. The modelis practical and can be applied to the nonlinear dynamic and static calculation analysis ofmiddle-high ecological composite wall hybrid structure.
（5）Based on the early experiment and numerical simulation of the middle-highecological composite wall, and combining with engineering examples, the research anddiscussion is focused on layout of the middle-high ecological composite wall hybrid structure,structure type, concepts design principles(seismic level), design and construction of verticalconstraint component, the panel vertical connections and heat integration technology of ecological composite wall, in order to provide the reference for engineering applicationsfollow-up of middle-high ecological composite wall hybrid structure.
The main innovations of this paper are as follows：
（1）The seismic performance research of the middle-high ecological composite wallbased on the key parameters is carried out, the influence law of mechanical behavior of wallby the key factors is discussed.
According to the test research on the mid-high rise ecological composite wall，thecoMParative analysis on the seismic performance of different types of middle-highecological composite wall.Using the validated the middle-high numerical model of theecological composite wall structure, finite ABAQUS based on key parameters (verticalconstraint limb-thickness ratio, section forms, reinforcement ratio, the sash form, axialcompression ratio, depth-width ratio) changing numerical extension analysis is put forward,the key factors on the wall stiffness, the influence law of bearing capacity and displacementductility is summed up, which lay the foundation of the reasonable establishment ofcalculation theory and design method of the middle-high ecological composite wall.
（2）The lateral stiffness calculation formula and ultimate bearing capacity calculationformula of the middle-high ecological composite wall are established, which improves andsupplement theory analysis of the ecological composite wall.
Based on the elastic stage model-two-way fiber single composite material model,anisotropic equivalent elastic plate resist lateral stiffness is derived. This fomula is used forthe calculation of the ecological composite wall lateral stiffness, and the results can satisfythe actual engineering calculation needs. Based on the shear resistance mechanism and theforce equilibrium condition，the mid-high ecological composite wall inclined section of shearlimit bearing capacity calculation formula is deduced.The analysis results show that it can beapplied to the ultimate bearing capacity of the composite wall calculation under differentstress state.Based on the flat section assumption，the mid-high rise ecological composite wallof normal section of the bending ultimate bearing capacity calculation formula isdeduced,which can be used to calculate the vertical constraint component reinforcement.
（3）The work model of the middle-high ecological composite wall hybrid structure isestablished, and the ratio of vertical restraint components and composite wallboard isquantified under the action of different control factors.
The laminated composite structure mechanics model of the middle-high ecologicalcomposite wall hybrid structure under horizontal load is put forward and the proportionalrelationship of bearing the load between composite wallboard and vertical restraint membersis quantified. The ratio of vertical constraint component and composite wallboard on the basis of the principle of working together under the action of different control factors isquantified (seismic grade, site type, the design group), which gives guidance to structuredesign of the middle-high ecological composite wall hybrid structure.
（4）The vertical constraint component-clad plate elastic-plastic simplified numericalmodel for the whole process of the middle-high ecological composite wall hybrid structure,is established.
By using the cycle medium homogenization theory and micromechanical finite elementmethod, different scale of representative volume unit, boundary conditions are set up,simulation of representative volume unit of strength test under load condition is proceed, thenthe equivalent material properties and the constitutive relation of a representative volume unitare obtained.Using equivalent material properties and the constitutive relation, the simplifiednumerical model of the whole process of the middle-high ecological composite wall hybridstructure——vertical constraint component-clad plate elastic-plastic mechanics model isestablished, which can be used in the nonlinear dynamic and static analysis of the hybridstructure.
引文
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