清华大学硕士学位论文

题目：超高层建筑非线性剪力墙平板壳元开发与集成应用

姓名：王丽莎
指导教师：岑松、陆新征
2015年

摘要：近年来，我国超高层建筑发展迅速，其抗震性能成为学术界和工程界关注的热点。超高层建筑空间体系复杂、构件尺寸巨大，在地震载荷作用下受力十分复杂，需要针对不同的构件建立合理的计算模型，以便准确模拟超高层建筑的地震动力特性。开源有限元软件OpenSees可扩展性较强，包含丰富的材料库、单元库和有限元求解方法，在地震工程研究中受到广泛应用。但是目前OpenSees中模拟剪力墙和筒体结构的分层壳模型尚存在一些缺陷，比如存在单元闭锁问题、缺乏大变形模拟能力等，制约了基于OpenSees的超高层建筑结构地震动力灾变研究。
基于上述背景，本文提出了一种可用于几何非线性分析的四边形4结点平板壳单元NLDKGQ，将其集成到开源有限元软件OpenSees中并通过了测试，结合分层壳截面模型建立了NLDKGQ分层壳单元，从而实现了剪力墙和筒体结构构件的模拟，以及超高层建筑结构的地震动力时程分析中。本文的主要工作如下：
（1）提出了一种高性能四边形4结点平板壳单元DKGQ，并发展了其几何非线性列式NLDKGQ。
（2）在开源有限元软件OpenSees中集成了壳单元DKGQ及可用于大变形模拟的壳单元NLDKGQ。通过壳单元经典算例测试表明壳单元DKGQ具有计算精度高、收敛性好、抗闭锁能力强等特性，并验证了壳单元NLDKGQ能够用于几何非线性分析。
（3）基于大变形壳单元NLDKGQ建立了用于模拟剪力墙和筒体结构等构件的NLDKGQ分层壳模型，通过剪力墙、筒体和倒塌试验的模拟验证了该模型的准确性、通用性和稳定性，及其在钢筋混凝土倒塌构件模拟方面的优势。
（4）在整体结构层次验证了NLDKGQ分层壳模型的可靠性，并将该计算模型应用于超高层建筑结构、特大跨斜拉桥及核电站安全壳等重大工程项目的地震动力时程分析，为这类重大工程结构的抗震性能研究提供了参考。

关键词：平板壳单元；OpenSees；剪力墙；分层壳；超高层建筑