高烈度区多层钢结构房屋抗震性能研究

摘要

截止2015年中国的人均居住面积10平方米以下的城市家庭达7000多万户，城市家庭住房面积低于20平方米的占7.8％，20-40平方米占32.7％，而城市流动人口住房条件就更差了。同时，与发达国家相比较，中国的房价偏高，这种偏高的价格对中低收入家庭来讲是巨大的压力。作为住宅产业化领域的新兴力量，钢结构住宅有其在工程造价和施工进度上的明显优势，钢结构住宅的学术研究和市场化讨论也越来越受到重视。钢结构住宅的主材为钢材，其优秀的材料强度和延性，以及便利的施工需求（施工进度快）和卓越的抗震性能。再加上能够可持续利用的特点，同时他的空间利用率高（构件尺寸小）等优势。本文选取一栋具有一定代表性的6层板式钢框架住宅，主体结构高度为20.1m，作为工程实例，该实例处于9度设防区域，属于高烈度区域。利用有限元程序分析采用钢框架方案下该住宅的地震响应，并与相同条件下的混凝土方案进行技术和经济比较。
　　本研究主要内容包括：⑴通过有限元分析软件SAP2000先对该工程实例进行建模，并定义相关的材料特性、边界条件、荷载加载方式等选取适当工况。进行多种（静力分析、模态分析、反应谱分析等）模式下的抗震性能分析，对其在9度区地震作用下的工作性能、破坏机理、耗能方式进行讨论。⑵根据上述分析结果，对纯钢框架方案、钢框架—支撑方案、钢框架-剪力墙方案进行抗震性能参数的比较。分析3种方案的结构受力特征，同时评价其适用范围和结构的优缺点。⑶依据纯钢框架的有限元计算结果，分析对应的混凝土方案构件截面尺寸并进行尺寸的优化处理。再对比分析钢框架与混凝土方案的经济性能，从基础部分、主体造价、施工进度、内在价值等方面进行对比分析，并最终得出结论。⑷对于三种类型的钢结构来讲，纯框架方案对于侧移能力的控制要显著弱于钢框架—支撑方案以及钢框架—剪力墙方案，原因就在于后两种方案分别增加了支撑构件和剪力墙等措施构件。因此，在烈度较大和建筑总高度过高地区，不宜采用纯框架结构体系。⑸通过计算分析，钢框架—支撑和钢框架—剪力墙体系在控制层间位移曲线能力上比较平缓，要明显好于纯框架形式。但最大层间位移位置往往出现在顶部附近，这提示我们应当更加关注顶层位移控制，而不仅仅是承载力，可以说在强地震作用下对结构影响起决定性作用的一般是刚度和稳定性。⑹钢框架—支撑体系由于支撑构件的加入，使得结构整体刚度增加，可有效降低整体侧移，但应引起注意的是支撑设置两端的柱体因此受到更大的荷载，在进行优化设计的时候，可适当加强。同时，支撑构件截面不宜设置过大，这是为了保证在耗能过程中优先消耗支撑构件屈服，保全梁柱后消耗。⑺由于剪力墙的设置，使得钢框架—剪力墙体系能够在地震作用下对结构的整体位移控制和柱底剪力的分担作用最强。而随着楼层的增加，柱体受力及其他参数指标变化不大，整体曲线平滑，这使得在设计过程中对柱体的优化设计可减小截面面积且不用采用变截面。但需指出的是，剪力墙建造需进行湿作业，与前述2种结构完全干作业不同，需进一步进行施工和安装创新，以达到产业化的目的。⑻在技术上对比钢筋混凝土结构的优势在于:钢结构方案总重量轻，自振周期长，轴压比控制更好。同时，由于钢结构良好的抗震性能也大幅度提高了建筑的安全性能。由于钢材本身强度高、刚度大，使得与相同条件下比较的混凝土体系的截面积要小，从而从客观上增加了房间的使用面积，提升了净空高度。⑼在经济性上对比钢混结构方案的优势在于:钢结构项目一般多为工厂加工、现场进行安装，客观上施工周期较短，从而大幅度降低了企业资金周转压力，同时人工费用也可得到节约，这在讲究经济效益的今天，其优势大大优于混凝土方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究步骤及技术路线

1．3．1 构想与思路、研究步骤、关键问题及预期目标

1．3．2 研究方法、技术路线、方案及可行性

第2章 多层钢结构住宅的建筑配套和结构体系

2．1 多层钢结构住宅的建筑配套

2．1．1 墙体材料

2．1．2 楼板体系

2．2 多层钢结构住宅抗震结构体系

2．2．1 多层钢结构住宅的基本功能

2．2．2 纯钢框架结构

2．2．3 框架——支撑结构体系

2．2．4 钢框架——混凝土剪力墙(筒)结构

2．3 本章小结

第3章 关于钢结构抗震分析的基本理论

3．1 抗震设计基本方法

3．1．1 底部剪力法

3．1．2 反应谱法

3．1．3 时程分析法

3．1．4 各方法的应用范围

3．2 国内抗震设计的思想

3．3 Pushover分析以及其在SAP2000中的实现

3．3．1 Pushover的分析的基本原理

3．3．2 SAP2000中Pushover的分析步骤

3．4 本章小结

第4章 多层钢结构住宅抗震性能分析

4．1 建立模型

4．2 结构模型计算与分析

4．2．1 模态分析及结果

4．2．2 反应谱分析、参数设置及结果

4．2．3 Pushover分析及结果

4．3 本章小结

第5章 钢结构住宅与混凝土结构住宅抗震性能与经济性比较

5．1 混凝土结构方案

5．2 钢结构方案与混凝土体系方案的抗震性能对比

5．2．1 自振周期对比

5．2．2 结构侧移对比

5．2．3 刚度、剪重比、轴压比对比

5．3 钢结构与混凝土结构经济性对比

5．3．1 基础部分的分析对比

5．3．2 上部主体结构造价比较

5．3．3 两种结构体系施工速度的影响

5．3．4 两种结构住宅建筑内在价值的比较

5．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献