钢结构住宅节能复合墙板的振动特性研究与风振分析

摘要

作为钢结构住宅新型的围护体系,与普通的墙体材料相比,复合墙板具有承载力高、保温隔音效果好等优点。目前,对于复合墙板的研究主要集中于抗弯承载力方面,而在振动方面的研究还很欠缺。复合墙板的振动特性关系到隔音、抗风、抗震等多个方面的性能,对于墙板的研发、生产和应用都具有重要意义。同时,高层建筑墙板主要荷载为风荷载,国内外对于墙板受静风作用方面的研究已经比较成熟,但对于墙板受脉动风作用的研究较为欠缺。针对上述情况,本文对节能复合墙板的振动特性进行了系统的理论和试验研究,并对复合墙板在风振下的响应做了计算与分析。
　　 为了将相对成熟的均质单板振动理论应用于复合墙板,本文提出了复合墙板的等效理论,通过刚度和弹性模量的等效计算,将复合墙板等效为一定厚度的均质单板。为复合墙板在抗弯和振动性能方面的进一步研究提供了理论基础。
　　 通过等效单板与不同连接强度的复合墙板振动特性计算结果的比较,得到复合墙板墙板等效理论与墙板整体性的关系。同时得出本文等效理论适用范围,即用于变形协调性较好的复合墙板的振动特性计算,以及用于判别普通复合墙板整体性和变形协调性的比对研究。
　　 经大量的有限元参数计算,分析了影响节能复合墙板振动特性的因素,包括斜向钢丝的布置方式、斜向钢丝的直径、行距、混凝土的强度等级、混凝土面板的厚度等。
　　 为验证有本文限元模型计算的精确度,同时为了给复合墙板的研发提供第一手的数据资料,本文制作了2块足尺节能复合墙板,对其振动特性做了试验研究。得到了复合墙板的振型、固有频率和阻尼比等试验结果。通过对比分析两墙板试验结果的差异,分析斜向钢丝对墙板振动特性的影响。同时,通过试验结果与ANSYS计算结果的比对,验证了本文ANSYS模型精确度与可靠性。
　　 将虚拟激励法应用于风振计算,进行了脉动风载荷作用下等效墙板的随机振动响应谱分析,得出墙板部分节点在风载荷作用下的节点响应功率谱,分析了墙板不同部位对与风振的敏感性,以及参与计算的振型数量对墙板响应计算的影响程度。同时,计算发现节能复合墙板在风振作用下响应在允许范围之内的,一般状态下风振不会影响墙板的安全和正常使用。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 能源问题与低碳社会

1.1.2 钢结构住宅的发展及节能复合墙板的应用

1.2 节能复合墙板的研究现状

1.3 薄板振动特性的研究现状

1.4 风振研究现状

1.5 本文的研究内容

第二章 振动理论基础与等效计算

2.1 弹性薄板振动理论

2.1.1 基本定义

2.1.2 弹性薄板的基本假设

2.1.3 薄板横向振动微分方程及边界条件

2.2 复合墙板等效计算

2.2.1 厚度及抗弯刚度等效计算

2.2.2 弹性模量等效计算

2.2.3 密度等效计算

2.3 风振分析理论

2.3.1 风及其对结构的作用

2.3.2 平均风特性

2.3.3 脉动风特性

2.3.4 脉动风功率谱

2.3.5 脉动风的空间相干函数

2.3.6 随机振动分析简介

2.3.7 随机振动中风振响应分析一般解法

2.4 本章小结

第三章 复合墙板振动特性的有限元分析

3.1 分析软件的选取

3.2 单元类型的选取

3.3 平面桁架复合墙板模型简介

3.3.1 墙板结构

3.3.2 材料属性

3.3.3 边界条件

3.4 复合墙板振动特性计算

3.4.1 计算步骤

3.4.2 计算结果

3.5 复合墙板振动特性的参数分析

3.5.1 斜向钢丝布置方式对复合墙板固有频率的影响

3.5.2 混凝土强度等级对复合墙板固有频率的影响

3.5.3 钢筋混凝土板厚度对复合墙板固有频率的影响

3.5.4 斜向钢丝直径对复合墙板固有频率的影响

3.5.5 斜向钢丝行距对复合墙板固有频率的影响

3.6 本章小结

第四章 复合墙板振动特性的试验研究

4.1 试验方法

4.2 试件设计和制作

4.2.1 试件设计

4.2.2 试件制作

4.3 试验材料性能测定

4.4 墙板的吊装固定与振点布置

4.5 试验设备及装置连接

4.6 试验实施及数据采集

4.7 试验结果及分析

4.8 试验结果与ANSYS计算结果的对比分析

4.9 等效理论与墙板整体变形协调问题探讨

4.9.1 复合墙板的等效计算

4.9.2 等效单板与不同连接强度的复合墙板振动特性对比分析

4.10 本章小结

第五章 基于虚拟激励法的复合墙板风振分析

5.1 虚拟激励法

5.2 虚拟激励法计算效率分析

5.3 基于虚拟激励法的墙板风振分析用

5.3.1 复合墙板模型

5.3.2 风振激励功率谱矩阵的确定

5.3.3 风振响应的虚拟激励算法

5.3.4 虚拟激励法结构风振分析计算步骤

5.4 计算结果及分析

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

发表论文和参与科研情况

学位论文评阅及答辩情况表