装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析.pdf
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1、 学校代号 10532 学 号 P130100042 分 类 号 TU391 密 级 公开 工程硕士学位论文 装配式斜支撑加强节点型 钢框架结构抗震分析 学位申请人姓名 周湘江 培养单位 土木工程学院 导师姓名及职称 舒兴平教授 周一平高级工程师 学科专业 建筑与土木工程 研究方向 钢结构基本理论及应用 论 文 提 交 日 期 2018 年 6 月 3 日 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 II 摘 要 随着我国经济社会的高速发展,建筑业已经成为了国民经济的支柱产业。改革开放 40 年后,人口、资源、环境、技术等要素都发生了深刻的变化,建筑业的转型升级越来越迫切,住宅产业化正是建筑业转
2、型的重要方向,装配式建筑迎来了巨大的发展机遇。装配式钢结构建筑是一类重要的的产业化建筑,相对其他装配式建筑更加符合可持续发展的要求。经过多年的发展,装配式斜支撑加强节点型钢框架结构(也称为 BSB 结构)已经进行了大量的试验研究,获得了大量的研究成果,有了显著的进步,但在斜支撑的最优布置、基于性能对该结构的控制荷载的研究及该结构拓展应用范围等方面还需进一步深化。本文从以下几个方面对装配式斜支撑加强节点型钢框架结构的性能进行了研究分析:(1)简要介绍装配式斜支撑加强节点型钢框架(BSB 框架)结构。(2)对比研究 BSB 框架、支撑框架与刚接框架的受力与变形特点,得出 BSB框架节点的受力与变形
3、特点及 BSB 框架的受力与变形特点。研究斜支撑的不同布置方式,得出斜支撑的最佳布置数量与最优布置位置。(3)拟定 30 层 BSB 结构建筑模型进行各种工况受力与变形分析,得出其主要控制荷载。(4)选取合适的水平地震加速度时程,研究 30 层模型在地震加速度时程作用下的变形、受力与时间的关系,取得时程的最大值。与 30 层模拟地震振动台试验结果进行比较,验证分析与试验的相符性。(5)应用 BSB 框架解决实际问题,介绍实际案例,拓宽 BSB 结构的应用范围。关键词:钢框架;地震反应谱;斜支撑;节点;时程分析;装配式;控制荷载 工程硕士学位论文 III Abstract With the ra
4、pid development of Chinas economy and society,the construction industry has become a pillar industry of the national economy.After 40 years of reform and opening up,the factors such as population,resources,environment and technology have experienced great changes.The transformation and upgrading of
5、the construction industry is becoming more and more urgent.The industrialization of housing is an important direction of the transformation of the construction industry,and the assembly architecture has a great opportunity for development.Fabricated steel structure is a kind of important industrial
6、building.Compared with other fabricated buildings,it is more consistent with the requirements of sustainable development.After years of development,a large number of experimental studies have been carried out on the assembled slanted braced steel frame structure(also known as BSB structure).A large
7、number of research results have been obtained,and significant progress has been made.However,the optimal layout of the Diagonal Bracing,the study of the control load on the structure based on the performance and the application of the structure are extended.The scope and other aspects need to be fur
8、ther expanded.In this paper,the performance of fabricated steel Frame Structure with diagonal bracing joints is studied and analyzed from the following aspects.(1)a brief introduction is given to the fabricated steel frame structure with diagonal bracing joints(BSB frame structure).(2)comparing the
9、stress and deformation characteristics of the BSB frame,the supporting frame and the rigid frame,the characteristics of force and deformation on nodes and those on eliments of BSB frame are obtained.The different arrangement modes of the inclined braces are studied,and the optimum arrangement quanti
10、ty and optimal placement position of the inclined support are obtained.(3)30-storey BSB structure building model is developed to analyze the stress and deformation of various working conditions,and the main control load is obtained.(4)select the appropriate horizontal seismic acceleration time histo
11、ry,study the relationship between deformation and time,force and time of 30-storey model under the acceleration time history of the earthquake to obtain the maximum of time history.Compared with the results of earthquake wave simulation test cating on 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 IV 30-storey model by shaki
12、ng table,the consistency between the analysis and the test is verified.(5)apply BSB framework to solve practical problems,introduce actual cases,and widen the application scope of BSB structure.Key Words:Prefabricated;Diagonal bracing joints;Steel frame;Time history analysis;Earthquake response spec
13、trum;Control load 工程硕士学位论文 V 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 I 摘要 II Abstract III 第 1 章 绪论 1 1.1 主要发达国家住宅产业化简介 1 1.1.1 西欧住宅产业化简介 1 1.1.2 北欧住宅产业化简介 2 1.1.3 北美住宅产业化简介 2 1.1.4 日本住宅产业化简介 3 1.1.5 国内装配式建筑情况简介 3 1.2 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构的研究历程 4 1.3 研究思路 5 第 2 章 斜支撑加强节点型钢框架的结构特点 7 2.1 结构体系介绍 7 2.1.1 斜支撑节点加强型钢框架结构体系与建筑
14、体系的关系 7 2.1.2 斜支撑加强节点钢框架结构体系构成 9 2.2 斜支撑加强节点钢框架结构的性能特点 10 2.2.1 斜支撑加强型节点的刚性特点 10 2.2.2 加强型节点平面框架的受力及变形特点 10 2.3 斜支撑布置改变的分析 11 2.3.1 单个斜支撑在节点不同位置的变形分析 11 2.3.2 多个斜支撑不同布置的变形分析 12 2.3.3 斜支撑在框架不同布置的变形分析 14 2.4 小结 15 第 3 章 静力与反应谱分析 16 3.1 反应谱法原理 16 3.2 有限元模型的建立 18 3.2.1 主要结构数据 22 3.2.2 主要荷载数据 22 3.2.3 有限
15、元模型的建立 22 3.3 模态分析 22 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 VI 3.4 整体计算分析结果 27 3.4.1 抗震 8 度设防反应谱分析结果 27 3.4.2 风荷载计算结果 27 3.4.3 构件最大组合应力 27 3.5 小结 32 第 4 章 动力时程分析 33 4.1 抗震设计动力分析理论 33 4.1.1 动力平衡方程的建立 33 4.1.2 阻尼参数的选取与阻尼矩阵的建立 35 4.1.3 结构的基本动力特性计算 36 4.1.4 逐步法求解结构的动力反应 37 4.1.5 材料非线性 38 4.2 加速度时程曲线的选择 40 4.2.1 加速度时程曲线的
16、持续时间 40 4.2.2 加速度时程曲线的频谱特性 42 4.3 弹性时程分析结果 44 4.3.1 基底总剪力计算结果 44 4.3.2 位移计算结果 46 4.3.3 应力计算结果 50 4.4 振动台试验与有限元计算结果的比较 51 4.4.1 周期与总质量 51 4.4.2 模型破坏情况 52 4.4.3 模型的位移反应 54 4.5 小结 55 第 5 章 典型案例 56 5.1 塔式酒店简介 56 5.2 长沙国际会展中心配套酒店简介 59 5.2.1 项目背景及场地 59 5.2.2 建筑特征 59 5.2.3 典型建筑平面 60 5.2.4 设计荷载 60 5.2.5 主要设
17、计条件 60 5.2.6 抗侧力体系 61 5.2.7 经济型酒店结构弹性分析数据 62 5.2.8 四星级酒店结构弹性分析数据 62 工程硕士学位论文 VII 5.3 小结 63 结论 64 参考文献 66 致谢 69 附录 A(攻读学位期间所发表的学术论文)70 工程硕士学位论文 1第 1 章 绪 论 我们的祖先用原始的木料,石料等切割后拼装成住宅。公元前 3500 年埃及人先精确预制石块,再装配而成金字塔。我国古代木制榫卯结构是一种精确的装配结构。随着人类社会工业化的发展,深刻的影响了我们的建造方式。从铆钉连接的艾菲耳铁塔到各种桥梁、高楼、站场,预制的构件越来越大,现场装配能力越来越强,
18、如高强度螺丝连接的桥梁、大型机场、车站的装配式屋盖。新型建筑工业化本质是采用信息技术控制的智能化制作,转变为大产量的定制方式,定购采用菜单模式1。装配式钢结构是首先预制部品及部件,运到工地后,再进行装配而成的建筑。是建造方式的重大变革。有利确保质量安全水平,有利于节约资源、同时会很大程度的减少污染、并且会提高劳动生产率。创新装配式建筑设计,推行结构、设备、部品部件、装配装修建筑一体化设计。促进专业化、标准化的部件、部品生产。研发装配式的施工设备和施工技术。推进装配式建筑与装饰、结构、协同施工装配式的建筑2。装配式钢结构是一种重要的产业化建筑,产业化建筑率先在工业发达国家产生,兴起,随着部分发展
19、中国家经济腾飞,产业化的建筑也在这些国家发展起来。1.1 主要发达国家住宅产业化简介 1.1.1 西欧住宅产业化简介 以英国、法国、德国、意大利等为代表,出现了多种形式的建筑工业化产品。法国,二战后为解决居民的房荒问题,用工业化的方法在市郊兴建了大量功能单一的住宅区。50 年代、60 年代,第一代建筑工业化期间,发展了装配式大板建筑和工具模板现浇方式的建筑。70 年代,第二代建筑工业化期间,探索尺寸协调规则,建立“构造体系”,发展了具有互换性的定型构件,并编制了构件目录,形成了积木式体系,以混凝土建筑体系为主,包括钢结构和木结构共计 25 种工业化建筑体系。80 年代,推行构件与施工分离的方式
20、,编制了“构件逻辑系统”,形成了一批通用的商品建筑构件和零件。总建筑面 3.85 万平方米的鲁昂 Grand Marie居住区,由 25 栋 5 层住宅组成,是典型的工业化钢结构建筑,属于钢框架结构体系,抗侧力体系由与层高一致的大型预件形成3。德国建筑工业化建造技术分别是预制混凝土建造体系、预制钢结构建造体系和预制木结构建造体系。预制钢结构体系有预制高层钢结构建造体系和预制多层装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 2钢结构建造体系4。新意大利钢铁公司和热那亚大学联合研发的 BSAIS 建筑体系是一种模数化、定型化的钢框架支撑结构体系,适用建筑高度 8 层。BSAIS 构件均在工厂制作完
21、成,统一标准的螺栓连接节点,现场无任何焊接作业,楼板现浇3。英国轻钢结构住宅结构体系主要主要有 3 种,竖向承重墙立柱在楼板处连续的 Balloon 式框架,墙立柱在楼板处断开的 Platform 式框架及由冷弯薄壁 C 型钢组成的盒子(Cassette)结构,前 2 种结构体系主要由墙内的立柱承重,Cassette结构主要由盒子承重。根据拼装结构单元的大小分为 Stick 结构、Panel 结构及完全模块化的 Modular 结构5。1.1.2 北欧住宅产业化简介 2O世纪 4O年代,瑞典就开始研究建筑模数协调的问题;5O年代开始大力推动建筑工业化,开发了预制大型板的建筑体系;6O年代瑞典工
22、业标准(SIS)纳入了规格化部件,形成通用体系,统一规则,实现了部件的互换性。其中独户住宅占总量的 80%,90%以上采用工业化方法建造,目前 8O以上新住宅用通用部件。丹麦率先将模数法制化,建立设计的通用体系和产品目录6。芬兰主要以单体别墅和联排别墅及城市公寓为主,芬兰近年建造的别墅有木结构和轻钢结构 2 种形式,多采用轻钢龙骨框架体系,该体系所采用的 Termo 龙骨中间开了槽孔,减少冷桥作用,Termo 龙骨为主要结构部件,厚度通常为 12mm,C 型用于竖向构件,U 型用于地梁和顶部水平框架,双 C 形成的工字截面用于门、窗洞的过梁。构预制件部分采用铆钉连接,现场连接以 Termo 龙
23、骨节点及自攻螺钉为主5。配套的钢结构构件也越来越多7。北欧装配式建筑通常不高,由于发展初期就注重模数协同的工作,建筑构件系列很完善,工厂化程度很高。1.1.3 北美住宅产业化简介 集装箱建筑体系。集装箱是一种标准化的装载运输货物的容器。有多种规格和型式,标准集装柜(1A)为 40 英尺。加高柜(1AAA)高度可达 28968。集装箱通常有 8 个角件,箱体角上连接上下角件的为集装箱立柱,水平方向的角件用横梁连接在一起,共同形成集装箱的框架,框架内部满焊波型板。整体具有很好的稳定性、很高的强度和非常好的刚度,承载能力强,1A 箱可达 30.4t。角件的使用便于连接与紧固,集装箱可形成很好的装配式
24、结构。模数化集装箱建筑体系由John M.DiMartino 最先提出,1991 年海湾战争期间大规模用于军用临时建筑,随后欧、美、大洋洲等国家和地区开始较大范围的应用9。美国装配式混凝土建筑。二战后美国装配式混凝土建筑在发达国家(美国、欧洲、日本)兴起,不断发展。美国将预制构件与预应力混凝土技术结合,开发出单 T 板,双 T 板,广泛应用。形成了多种装配式结构体系。编制了系统的技术工程硕士学位论文 3手册,促进了装配式混凝土技术的发展,保证了建筑质量安全10。北美轻钢住宅体系。北美轻钢住宅体系通常由楼面,墙体及屋顶等组成,主要用于低层独栋或联排别墅。用于中层住宅时,一般为 6 层或 6 层以
25、下,竖向承重结构的底层轻钢龙骨厚度达 2.6mm,上部递减。抗侧力体系采用龙骨架上用 X轻钢拉条作为斜向支撑。轻钢龙骨结构也用于高层住宅的内外填充墙,隔墙、幕墙等各种墙体及屋架1113。1.1.4 日本住宅产业化简介 日本近代以前主要是木结构房屋,50 年代开始大规模试验性生产木结构房屋,未达到合理价格,被混凝土住宅替代。预制混凝土以 PC 框架-墙板体系和 PC框架体系为主14。木结构住宅向二乘四结构体系转变,比例不大。日本 50 年代开始发展混凝土预制结构,6O年代大力发展混凝土装配式框架结构,70 年代达到高峰,主要应用与公寓。虽然日本混凝土装配式建筑的标准体系完善,工艺先进,综合技术水
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