正交正放钢-混凝土组合空间网格盒式结构研究与应用

摘要

土地资源是国民经济可持续发展的核心和基础，合理地开发和利用土地资源是关系国计民生的大事。我国是一个人多地少的国家，土地资源的匮乏与工业化、城镇化对土地资源的需求之间的矛盾日益显著。发展多层大跨度公共与工业建筑，提高土地资源利用效率，研发新型结构体系是关键举措。
　　本文提出了一种适用于多层大跨度公共与工业建筑的新型结构体系，即多层大跨度正交正放钢网格盒式结构，此种新型结构体系受力性能良好，应用空间广阔，尤其在公共与工业建筑中，在节约材料、提供较大利用空间的同时还可解决当前用地紧张的问题，并且已经应用于十多项实际工程中。大量工程实践表明此种新型结构体系的结构拼装单元均在工厂加工，运送至现场采用高强螺栓等强连接，提高了施工进度和施工文明程度，降低了施工造价，工厂的高精度加工水平也为工程质量提供了可靠地保证。
　　本文采用试验研究与理论分析相结合的方法，对多层大跨度正交正放钢网格盒式结构进行了静力分析、抗震分析、模态和舒适度分析以及连续倒塌分析，主要完成了以下研究工作:
　　(1)详细介绍了钢-混凝土组合空腹夹层板的主要构造特点，采用拟夹层板法对空腹夹层板的理论计算公式进行推导，通过与有限元分析结果的对比表明本文的理论公式具有较高精度。同时本文提出一种计算空腹夹层板的简化方法，通过实例验证了该方法具有较好的精度以及更加广泛的适用范围。
　　(2)详细介绍了钢网格框架墙的主要构造特点，基于框架作用机理，说明了钢网格框架墙抗侧刚度明显优于常规框架结构。采用反弯点法和能量变分法推导出钢网格框架墙侧移计算公式，通过有限元对比分析验证了推导过程具有较高的精度。
　　(3)通过对实际工程中一榀框架墙进行1∶1仿真模型滞回试验得出钢网格框架墙的破坏形态表现为墙架顶部T形梁出现面外屈曲而引起的局部破坏。墙架的滞回曲线、骨架曲线及延性系数等试验结果表明钢网格框架墙承载能力较强，耗能及变形恢复较好，作为盒式结构的主要抗侧构件具有良好的抗震能力。通过参数化有限元分析，表明墙顶两道T型梁截面刚度的增大以及框架墙密柱截面刚度的增大对提高墙架的极限承载力及延性具有很好的效果，其中框架墙密柱截面刚度影响更加明显。层间两道H型层间梁的截面刚度对墙架的承载能力和延性贡献不大。
　　(4)对南京多功能办公厅盒式结构和常规框架结构两种结构体系进行抗震性能的对比分析。振型分解反应谱法、弹性时程分析法以及弹塑性时程分析法的分析结果均表明盒式结构在用钢量减小15.07％的前提下较常规框架结构具有更好的抗震性能。
　　(5)通过贵州省博物馆新馆5D影厅现场模态测试试验，表明正交正放钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖基频较低，自振频率比较密集，属于模态密集型结构。通过参数化分析，表明跨高比以及空腹率对楼盖基频有明显的影响，并对楼盖进行基频回归分析推导出楼盖基频与跨高比和空腹率的关系式，为钢-混凝土组合空腹楼盖在实际工程中的运用提供极大便利。
　　(6)对贵州省博物馆新馆5D影厅进行了现场舒适度测试试验，通过汇总大量的单人与多人行走激励工况测试结果得到最不利工况，并为实际工程应用提出一系列的防患和加强措施。有限元分析结果与试验测得的数据吻合较好，各工况下楼盖的加速度峰值均满足国际标准化组织ISO标准及我国《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，表明楼盖的整体刚度较大，同时也说明本文所提出的分析楼盖舒适度的方法具有很好的实际应用价值。
　　(7)对南京多功能办公厅盒式结构和常规框架结构两种结构体系分别采用拆除构件法进行了连续倒塌分析。从底层剩余框架柱的轴力变化以及失效点最大竖向位移两个方面说明盒式结构较框架结构在用钢量减小15.07％的前提下具有更好的抗连续倒塌能力。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 大跨度建筑的研究与发展现状

1．2．1 常规大跨度结构体系的形式及特点

1．2．2 多层大跨度结构体系的形式及特点

1．3 多层大跨度正交正放钢-混凝土组合盒式结构

1．3．1 课题研究背景及意义

1．3．2 多层大跨度正交正放钢-混凝土组合盒式结构体系的提出

1．3．3 多层大跨度正交正放钢-混凝土组合盒式结构研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 组合空腹夹层板力学性能研究

2．1 引言

2．2 钢-混凝土组合空腹夹层板连续化分析

2．2．1 钢-混凝土组合空腹夹层板构造特征

2．2．2 基本假定

2．2．3 等代刚度

2．2．4 基本方程的建立

2．3 矩形平面周边简支钢-混凝土组合空腹夹层板的求解

2．3．1 基本方程的建立

2．3．2 表层混凝土板及上肋T型钢梁的内力

2．3．3 下肋T型钢梁的内力

2．4 算例分析

2．4．1 算例模型

2．4．2 连续化分析

2．4．3 有限元分析

2．4．4 钢-混凝土组合空腹夹层板实用分析方法

2．5 三种计算方法的对比

2．6 本章小结

第3章 钢网格框架墙力学性能研究

3．1 引言

3．2 钢网格框架墙构造特点

3．3 钢网格框架墙抗侧刚度分析

3．3．1 钢网格框架墙作用机理

3．3．2 钢网格框架墙侧向位移计算

3．3．3 钢网格框架墙连续化与有限元对比分析

3．4 钢网格框架墙抗震性能试验研究

3．4．1 试验概况

3．4．2 试验主要结果分析

3．4．3 试验结果及有限元分析

3．4．4 钢网格框架墙抗震性能参数化分析

3．5 本章小结

第4章 盒式结构抗震性能研究

4．1 引言

4．2 工程抗震理论

4．2．1 工程抗震理论的发展

4．2．2 抗震分析方法

4．2．3 地震时程曲线的选取

4．3 盒式结构与常规钢框架结构抗震性能对比分析

4．3．1 工程概况

4．3．2 模型的建立

4．3．3 自振周期对比分析

4．3．4 振型分解反应谱法对比分析

4．3．5 弹性动力时程法对比分析

4．3．6 弹塑性动力时程法对比分析

4．3．7 弹塑性动力时程法层间时程曲线对比分析

4．4 本章小结

第5章 空腹楼盖自振特性及舒适度研究

5．1 引言

5．2 模态分析的基本原理

5．3 自振特性现场测试试验

5．3．1 工程概况

5．3．2 测试仪器及后处理系统

5．3．3 模态测试方法

5．3．4 测试结果及数据处理

5．4 模态有限元分析

5．4．1 楼盖模型的建立

5．4．2 自振特性分析

5．4．3 自振特性有限元计算与试验数据对比分析

5．5 楼盖自振特性参数化分析

5．5．1 表层混凝土板厚度hc对楼盖自振频率的影响

5．5．2 上、下肋T型梁截面刚度对楼盖自振频率的影响

5．5．3 剪力键截面刚度对楼盖自振频率的影响

5．5．4 跨高比对楼盖自振频率的影响

5．5．5 空腹率对楼盖自振频率的影响

5．5．6 楼盖基频回归分析

5．6 楼盖舒适度动力特性分析

5．6．1 国内外研究现状

5．6．2 人行激励方式

5．6．3 楼盖舒适度评价标准

5．7 正交正放钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖舒适度试验

5．7．1 试验设备与仪器

5．7．2 楼盖舒适度试验方案及步骤

5．7．3 各工况下楼盖加速度实测峰值及分析

5．8 楼盖舒适度有限元分析

5．8．1 有限元模型建立

5．8．2 楼盖舒适度加速度峰值有限元与试验数据对比分析

5．9 本章小结

第6章 盒式结构连续倒塌分析

6．1 引言

6．2 国内外连续化倒塌研究现状

6．2．1 国外研究现状

6．2．2 国内研究现状

6．2．3 国内外相关规范

6．2．4 连续化倒塌分析及设计方法

6．2．5 连续倒塌的判断准则

6．3 盒式结构与常规钢框架结构连续化倒塌对比分析

6．3．1 工程概况

6．3．2 有限元模型建立

6．3．3 框架柱内力变化

6．3．4 失效点竖向位移

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)