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内摇摆柱—多层钢框架结构体系受力性能研究

刘少文  
【摘要】:当前,随着我国经济、社会和城市化的快速发展,人口向城市快速集中,城市面临住宅短缺,需要建设大量住宅,以满足人们对住房的量和质的要求。但是目前建筑本身和其原材料的生产又都面临着保护地球环境的严峻形势,这使得我国的城市化和住宅产业化需要高效节能的建筑结构体系,钢结构住宅体系的诸多优点能够满足这一需求,然而,由于目前我国钢结构的直接建设成本仍高于传统建筑结构,使之难以得到大面积的推广和应用。本文旨在寻求一种成本较低廉,既能满足使用者的使用和安全需求,又能适应时代发展要求的新型钢结构体系。 钢框架结构具有优良的性能较适宜住宅建设的需求,传统的纯钢框架结构梁柱连接一般为刚性节点,构造复杂,施工难度较大。本文认为只要框架侧向刚度满足抗侧力的要求,并无必要把所有梁柱连接都设计成刚性连接,以部分的铰接节点代替刚接节点可简化节点构造,节约节点用钢量,降低施工难度,从而节约建设成本。 本文首次提出六种部分梁柱铰接节点的钢框架结构新型体系,分别是(1)内摇摆柱-铰接梁钢框架式,(2)内框式,(3)外框架式,(4)内摇摆柱-端部刚接、铰接梁式,(5)跃层部分铰接节点式和(6)多层外摇摆柱-框架结构体系等。本文首次对其中的(1)即内摇摆柱-铰接梁多层钢框架结构体系进行了详细的研究。 为了解新型结构体系的性能特点,本文首先用一阶线弹性方法对比分析了内摇摆柱-钢框架结构和传统纯钢框架结构的受力性能,通过对比得出了内摇摆柱-钢框架结构体系完全可以在不增加总体用钢量的前提下达到与钢框架结构同样的抗侧移刚度的结论;并且揭示了内摇摆柱-钢框架结构体系的受力变形特点,框架各部分空间协同工作的规律;通过对柱脚刚接和铰接计算模型对整体性能的影响的分析,提出摇摆柱柱脚可以铰接而其所在平面的边柱柱脚必须刚接的观点;分析了简化的平面协同工作设计原理,提出钢框架-悬臂柱平面结构分析代替空间结构计算的模型。 其次,本文使用二阶非线性弹性分析方法研究了几何非线性对内摇摆柱-钢框架新型结构体系内力和变形计算结果的影响,研究了结构层数、摇摆柱柱脚做法、稳定系数、中国规范的以概念水平荷载考虑的等效初始缺陷、1/200初始侧移角等效缺陷、1/500初始侧移角等效缺陷和摇摆柱截面大小等因素对新结构体系二阶效应的影响,给出了内力二阶效应增大系数的简化计算公式,可利用此公式对内摇摆柱-钢框架新型结构体系的内力进行计算,并按计算长度系数为1对各受压构件进行稳定性设计验算。 为了分析内摇摆柱-钢框架结构体系的抗震性能,本文采用静力弹塑性分析方法对结构进行单向推覆,以了解结构体系的承载能力、延性特征和受荷历程中梁柱塑性铰的发展和分布,并使用能力谱-需求谱方法对结构对应于多遇地震和罕遇地震时的结构响应进行了分析,得出内摇摆柱-钢框架体系完全可以满足抗震设计要求的结论。 最后本文进一步研究了内摇摆柱-钢框架结构新体系的动力特性,揭示了内摇摆柱-钢框架结构与纯钢框架相比其平动振型周期相近而扭转振型周期差别较大,内摇摆柱-钢框架新型结构体系由于材料多集中于结构的周边使其抗扭刚度大,扭转周期小。用弹塑性直接动力分析方法研究了结构在地震中的表现,发现本文提出的内摇摆柱-钢框架新型结构体系具有良好的抗震性能,且相比对照的纯钢框架一定程度上表现出了减震的效果。 内摇摆柱-钢框架新型结构体系是本文首次提出并研究的新型结构体系,它具有简化梁柱节点构造、降低施工难度和工程量,节约建设成本等一系列的优点。本文对其静力和抗震性能进行了较为完整的研究,得出了一些有意义的成果,为该结构体系进一步的研究、设计、应用和推广奠定了基础。


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