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钢框架风荷载作用下适用性研究及可靠度分析

邹浩  
【摘要】:在结构设计中,考虑风荷载作用时,必须同时兼顾结构的安全性和适用性。结构的安全性主要包括结构的承载力和稳定性,适用性主要指结构的水平侧移及舒适度。结构适用性问题虽然不会直接影响结构安全,但是,如果结构侧移过大或产生过度振动,会严重影响建筑物的使用,给使用者带来不舒适的感觉。近年来,随着钢框架结构在我国得到了越来越广泛的应用,钢框架的适用性问题越来越突出,迫切需要开展进一步的研究。 对钢框架房屋进行适用性研究主要存在以下两个关键问题有待解决: 1、钢框架风荷载作用下适用性研究不多,规范条文也比较简略,使得设计人员在进行钢框架设计时,容易忽略适用性不足所带来的一系列问题,并且随着我国国民生活质量水平的日益提高,建筑的使用者们也对其建筑的居住和工作环境提出了更高的要求,设计者对适用性考虑的不足会严重影响建筑物的使用。同时,国内外对钢框架在正常使用极限状态下的可靠度研究开展得较少,成果也不成熟。为了保证结构在设计基准期内正常使用时能具有良好的工作性能,对钢框架进行正常使用极限状态下可靠度的研究十分必要,以利于在统一的结构可靠性设计标准下对其进行设计 2、现行GB50017-2003《钢结构设计规范》中对结构的水平侧移限值方面给出了统一的规定,对设计方法方面,允许设计人员同时采用一阶分析方法或二阶分析方法来对结构进行分析。由于一阶分析与二阶分析所用的方法不同,这样,对于同一个结构,在相同的荷载条件下,如果采用了一阶分析的方法,计算出的结构侧移满足现行钢结构设计规范侧移限值的要求,当采用二阶分析的方法后,因二阶侧移会比一阶侧移增大很多,因此会出现二阶侧移不满足现行钢结构设计规范的情况,从而导致设计人员无据可依。 基于上述背景,本文主要做了以下几方面的工作: (1)研究了风荷载计算方法、风荷载重现期、非结构构件的侧移损坏限值、结构分析方法及计算模型对钢框架在风荷载作用下侧移计算的影响,对目前钢框架侧移限值研究中存在的一些问题进行了分析与研究。同时给出了符合我国国情的钢框架风荷载作用下侧移调查问卷,可用于对我国结构工程师钢框架侧移设计现状进行调查研究。 (2)着重针对结构分析方法对钢框架在风荷载作用下侧移计算的影响开展了深入研究,分别采用传统一阶侧移计算方法、二阶简化侧移计算方法、二阶精确侧移计算方法对一榀2跨15层钢框架在正常使用极限状态时的侧移变形进行了计算,获得了钢框架在三种计算方法下的顶点侧移及层间侧移,并将获得的侧移计算结果进行了对比,研究了钢框架考虑二阶效应后对结构侧移变形的影响。 (3)在上述基础上,针对钢框架结构考虑二阶效应后层间侧移和顶点侧移限值的取值进行了研究,通过结合规范中的二阶分析方法及可靠度理论,提出了钢框架结构考虑二阶效应影响后的层间侧移限值及顶点侧移限值,并通过算例对该侧移限值的使用进行了验证。 (4)对钢框架在风荷载作用下的舒适度限值开展了研究,总结了影响人体舒适度的因素,结合香港规范、加拿大规范以及美国规范中有关舒适度要求的规定,提出了我国钢框架在风荷载作用下建议采用的顶点加速度限值。 (5)基于我国JGJ99—89《高层民用建筑钢结构技术规程》和GB50017-2003《钢结构设计规范》中钢框架侧移及舒适度验算的计算模型,给出了结构在风荷载作用下侧移、舒适度的极限状态方程及统计参数,参考本文提出的二阶侧移限值及人体舒适度限值标准,提出了对钢框架建筑进行适用性可靠度分析的模型。采用国际结构安全度联合会(JCSS)推荐使用的JC法对钢框架正常使用极限状态适用性可靠度进行了计算,并通过算例进行了验证。


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