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简单模型弯剪型抗侧力体系相互作用机制与性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代建筑结构领域，随着城市化进程的加速和建筑技术的不断发展，高层建筑如雨后春笋般涌现。这些高层建筑不仅满足了人们对居住和工作空间的需求，还成为了城市发展的重要标志。然而，高层建筑在面临地震、风荷载等水平力作用时，其结构的安全性和稳定性面临着严峻的考验。弯剪型抗侧力体系作为高层建筑结构中广泛应用的一种体系，在抵抗水平力方面发挥着关键作用。它能够有效地将水平力传递到基础，从而保证建筑结构在水平荷载作用下的稳定。

框架-混凝土剪力墙体系、框架-支撑体系、框架-混凝土筒体等双重抗侧力体系在实际工程中应用非常广泛。以框架-混凝土剪力墙体系为例，在水平力作用下，框架结构主要产生剪切型变形，而剪力墙结构则以弯曲型变形为主。但由于楼板的刚性隔板作用，使得两者产生相同的侧移，从而导致两者之间存在很强的相互作用。这种相互作用不仅影响着结构的变形模式，还对结构的内力分布产生重要影响。在地震作用下，框架和剪力墙之间的协同工作能够有效地提高结构的抗震性能，减少结构的破坏程度。

传统方法在分析这类体系时，通常采用一些简化假定，如将剪力墙简化为仅产生弯曲变形的受弯悬臂构件，将框架简化为仅产生剪切变形的连续受剪悬臂构件。这种简化方法虽然在一定程度上便于计算和分析，但却忽略了剪力墙的剪切变形和框架的弯曲变形。在实际工程中，许多双重抗侧力体系中的结构并非是纯粹的剪切型或弯曲型，而是介于两者之间的弯剪型结构。如筒中筒体系，外框筒由于平面尺寸较大，剪力滞后效应较强，整体剪切变形在框筒侧移中所占比例较大，属于弯剪型抗侧力构件；而内框筒平面尺寸较小，剪力滞后效应较弱，更接近于弯曲型抗侧力构件。这种结构特性使得传统的简化分析方法难以准确反映结构的真实受力状态和变形特征。

研究弯剪型抗侧力体系的相互作用具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，深入了解弯剪型抗侧力体系的相互作用机理，有助于完善建筑结构力学理论。通过对其相互作用的研究，可以更加准确地建立结构分析模型，为结构设计提供更加科学的理论依据。这不仅能够丰富结构力学的研究内容，还能推动结构力学理论在实际工程中的应用和发展。从实际工程应用角度出发，准确掌握弯剪型抗侧力体系的相互作用规律，对于提高建筑结构的安全性和稳定性至关重要。在建筑结构设计过程中，合理考虑弯剪型抗侧力体系的相互作用，可以优化结构设计，提高结构的抗侧力性能，降低结构在地震、风荷载等水平力作用下的破坏风险。这对于保障人民生命财产安全、减少地震灾害损失具有重要意义。同时，考虑弯剪型抗侧力体系的相互作用还能提高建筑结构的经济性。通过优化设计，在保证结构安全的前提下，可以减少建筑材料的使用量，降低工程造价，提高建筑结构的性价比。

1.2国内外研究现状

在国外，早期对于弯剪型抗侧力体系的研究主要集中在对结构简化模型的建立和分析方法的探索上。Cardan早在1961年就针对混凝土剪力墙-钢框架结构展开研究，在多种水平荷载作用下，对结构的变形及子结构的剪力和弯矩进行了分析，为后续研究奠定了一定的基础。随着研究的深入，学者们逐渐认识到传统简化模型的局限性。例如，在对框架结构的研究中发现，尤其是超高层建筑中高宽比较大的框架子结构，其整体弯曲变形在框架总的水平侧移中所占比重较高，不能简单地将框架结构视为纯剪切型结构；对于混凝土剪力墙或核心筒结构，由于剪力墙开洞形成联肢剪力墙，其剪切变形不可忽视，也不能简单地看作纯弯曲型结构。

在国内，众多学者也对弯剪型抗侧力体系进行了广泛而深入的研究。童根树等系统地研究了多种类型的等高双重抗侧力体系在竖向作用下的稳定性，涵盖了等高的支撑框架结构（剪切型-剪切型）、等高的框架-剪力墙或核心筒结构（剪切型-弯曲型）以及等高的弯剪型-弯剪型结构等。他们通过理论分析和数值计算，揭示了这些体系在竖向荷载作用下的受力特性和失稳机理。翁赟和童根树率先研究了子结构高度不相等的双重抗侧力体系的稳定性，基于Basu和Nagpal的研究成果，将框架子结构近似认为沿竖向为纯剪切型结构，将剪力墙、核心筒子结构近似认为纯弯曲型结构。然而，后续研究表明这种近似存在一定的局限性，实际工程中的框架和剪力墙结构本质上多为弯剪型结构。

目前的研究虽然在弯剪型抗侧力体系的力学性能、稳定性分析等方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。一方面，对于复杂荷载作用下弯剪型抗侧力体系的相互作用机理研究还不够深入，尤其是在地震等动态荷载作用下，结构的非线性行为以及各构件之间的协同工作机制尚未完全明确。例如，在强震作用下，弯剪型结构的材料非线性、几何非线性以及构件之间的连接非线性等因素相互耦合，使得结构的响应变得极为复杂，现有研究难以准确描述。另一方面