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基于灵敏度分析的钢框架支撑结构体系抗侧性能研究

蔡雁蕊  
【摘要】:钢结构建筑作为一种可回收再利用的绿色建筑,其优点有:轻质高强,塑性好,结构性能好,施工快,工业程度高等。随着我国钢铁产量的增加,钢结构建筑也得到了快速的发展,它已被广泛应用于工业与民用建筑。钢框架结构是目前常见的钢结构建筑类型,虽然具备以上优点,但也存在一些缺点。在罕遇地震作用下,钢框架结构会产生较大的侧移,所引起的P-△效应较为显著,对结构的承载能力和稳定性有不利的影响,而在框架基础上布置支撑形成的框架支撑结构体系能够较好地控制框架的侧移。在地震作用下,钢框架支撑结构体系通过楼板的变形协调与框架体系共同工作,形成框架与支撑的双重抗侧力结构,其中支撑作为第一道防线提供较强的抗侧刚度,这样结构侧移得到显著地控制。在水平力作用下,顶层侧向位移大小是框架支撑结构体系设计的一个非常重要参数。在实际工程中,钢框架支撑结构需要一个较为精确的顶层侧向位移计算公式去指导结构设计,而恰恰这方面的研究目前很少。本课题首先探究各因素对钢框架支撑结构体系侧向位移影响程度,例如梁柱截面,支撑截面,框架跨度,框架层高等等,然后采用基于有限元的灵敏度分析和概率设计方法,通过APDL参数化建模,得出以上因素与结构顶层侧移的灵敏度关系,最后依据灵敏度分析的结果,进一步考察这些因素与结构顶层侧移的相关性以及建立数学模型,得到顶层侧移拟合公式。本课题针对钢框架支撑结构体系模型,设计一系列具有可持续性的框架结构试验,通过结构试验和有限元数值模拟,探究各种因素对整体框架抗侧性能的影响。同时选择几种典型的框架支撑体系类型,研究影响结构抗侧性能的主要因素,分析这些因素的灵敏度,比较有限元模型与真实模型的差异,最后拟合顶层侧移公式。对比传统通过回归拟合方法得到的经验公式,灵敏度分析方法能准确地分析各因素对结构的顶层侧移的影响方式和影响程度,同时使得拟合公式中参数系数有明显的物理意义。研究结果表明:在钢框架支撑结构体系中,支撑截面面积以及梁柱截面高度对抗侧刚度贡献较明显;在特定支撑布置形式的钢框架结构中,顶层侧移拟合公式能够充分考虑梁柱节点的半刚接性;拟合公式为指数函数,其指数具有较为明显的物理意义,使得公式具有良好的的适用性,同时方便理解以及工程设计应用。


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