蜂窝式钢框架结构设计方法研究毕业论文(编辑修改稿)

蜂窝式钢框架结构设计方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

混合机制的抗震 性能介于梁铰机制和柱铰机制之间，虽然中柱截面的塑性铰对整体刚度有一定的影响，但是可以利用边柱对刚度的贡献，使结构不致发生倒塌。 节点破坏：当框架的节点域抗剪能力较差时，会造成节点在地震作用下的剪切破坏。 对于钢结构来说，节点破坏还包括梁柱连接焊缝破坏。 节点破坏相当于梁柱都发生破坏，后果最为严重，因而也是抗震设计时最应该避免的破坏机制。 塑性铰塑性铰塑性铰塑性铰 (a) 梁铰机制 (b) 柱铰机制 (c) 混合机制 (d) 节点破 坏 图 框架破坏机制 Fig Failure mechanism of the Frame 鉴于以上几种破坏机制的特点，现今国内外普遍控制钢框架结构在强震作用下形成梁铰机制，即通过设计使框架形成“强柱弱梁”的抗震结构体系，从而使刚框架结构具有更好的抗震性能。 总而言之，形成梁铰机制是一种增强框架延性的方法。 增强框架延性 延性反映了框架结构在进入塑性后的变形能力。 延性越高，框架进入塑性后的变形能力越强，在强烈地震作用下，框架能承受的位移越大，在不断的塑性变形过程中，吸收地震能量，并且 不能导致框架倒塌。 增强框架的延性方法有很多，图 是 美国 SAC 机构 （美国北岭地震后，由美国联邦应急管理局（ FEMA）组织成立的联合研究机构，主要成员为加州结构工程协会（ SEAOC）、应用技术研究会（ ATC）和加州的地震工程研究单位（ CU），因此被称为SAC） 所推荐的延性钢框架破坏形式。 此种形式是典型的梁铰破坏机制，在地震作用下，梁端截面进入塑性，形成塑性铰，通过塑性铰的变形吸收地震能量，此时的框架柱不发生影响结构刚度和承载力的破坏，从而保证结构不倒塌。 要达到此种延性钢框架的要求，可以通过降低梁柱刚度比， 即减小框架梁刚度或增强框架柱刚度来实现，或是通过对改进框架节点形式，人为设定塑性铰出现位置来实现。 前种方法的经济性和实用性不好保证，楼板对框架梁刚度的贡献及承担正常使用条件下荷载的要求，使框架梁的刚度往往不能随意减小，而一味增加框架柱的刚度又会使造价增高，并且造成过多的材料浪费。 后一种方法可以很好的实现地震作用下延性破坏形式，且能在满足正常使用条件下，不致使造价提高过多。 变形前框架变形后框架梁端塑性铰 图 延性钢框架破坏形式 Fig Ductile failure mode of steel frame 美国 FEMA350[57]和我国建筑抗震设计规范 GB50011[5859]，推荐使用 翼缘削弱型节点 (Reduced Beam Section, RBS)， 即常说的狗骨式 节点，来形成延性钢框架破坏形式。 此种方法的原理是将梁端的翼缘进行局部削弱，使梁端削弱处的抗弯承载力低于梁柱节点域和框架柱，从而使其在地震作用下先于梁柱节点域和框架柱屈服，形成塑性铰，达到“强柱弱梁”，“强节点弱构件”的设计要求。 此种节点削弱形式虽然在我国已经以规范的形式进行推广，但是对其应用有一 定的限制， GB500112020[58]规定一级和二级钢框架，宜采用骨形连接。 可见，我国建议在高设防烈度区域使用狗骨式节点。 原因在于，翼缘对框架梁抗弯承载力贡献最大，削弱梁翼缘，不但加工制造较为繁琐，对框架梁抗弯承载力的削弱也非常大，要得到工程人员和业主的普遍接受较为困难。 除此翼缘削弱以外，利用蜂窝梁本身的腹板削弱，形成削弱式节点形式，也是一种切实可行的办法。 蜂窝梁梁端腹板削弱，可以形成局部抗弯承载力降低， 在弯矩和剪力的共同作用下， 蜂窝梁的蜂窝孔洞部位 四个角部 （图 的阴影部位） 会相继 出现 屈服，形成空 腹梁机制 (Vierendeel Mechanism)，这样会使蜂窝梁梁端孔洞部位的抗弯承载力低于梁柱节点。 因为腹板对蜂窝梁惯性矩贡献不大，其抗弯承载力的降低并不像狗骨式一样难以接受，并且利用蜂窝梁本身的蜂窝孔洞，不会产生二次加工的费用，利于施工工厂化和机械化的要求，考虑到利用蜂窝梁所形成的优势，总体造价也不会有提高。 Chung K F[6061]、 Liu T CH[62]等人的研究表明，蜂窝梁腹板削弱后，截面的剪应力分布将发生改变，翼缘承担的剪应力将增加，所以并不会发生抗剪承载力大幅下降的情况。 可见，利用 蜂窝梁腹板孔洞形成延性框架的破坏形式，是值得应用和推广的。 塑性区域 塑性区域 图 蜂窝孔洞塑性区域 The plastic zone in cellular holes 改进框架节点形式 美国北岭地震 [63]和日本阪神地震 [64]震害研究表明，钢结构在强烈地震作用下，梁柱节点区域焊缝的脆性破坏是钢结构建筑破坏的主要原因之一。 图 是传统的钢框架梁柱节点连接形式，采用栓焊连接。 此种连接形式在地震中破坏的实例很多，主要是因为梁翼缘 现场施焊，焊接质量无法保证，梁柱连接处为应力最大部位，所以历次震害都表明，此种连接形式易产生破坏，威胁结构的安全。 图 传统栓焊连接节点 Fig Boltweld connection 通过对历次震害的研究，国内外推荐了各种改进式节点形式，如图 所示。 改进式节点形式的思路有以下几点：一是采用悬臂梁段（悬臂梁段连接），避免梁柱连接处现场加工，柱与悬臂梁段的连接在工厂进行，保证焊接质量，悬臂梁段与框架梁的连接在现场进行。 这样可以保证在地震作用下，框架梁的破坏位置发生于现场连接处，避免节点 域破坏；二是翼缘削弱式连接（骨形连接），如前文所述，使地震作用下的塑性铰产生于梁端削弱处，保护梁柱连接区域；三是翼缘加强型连接（盖板式连接、翼缘板式连接），此种节点的思路与前一种相反，通过梁柱连接部位的翼缘加强，可以使梁柱连接处强于框架梁其他部位，地震作用下，使加强部位不先于其他部位破坏，保护梁柱连接区域；四是梁端腹板开孔型节点（梁腹板开孔式连接），此种节点思路与第二种相仿，采用梁腹板开孔，使开孔部位抗弯承载力低于梁柱连接部位，从而在开孔处形成塑性铰，保护梁柱连接部位。 柱梁 悬臂梁段 柱局部削弱梁 (a) 悬臂梁段连接 (b) 骨形连接 梁 柱梁 楔形盖板柱 (c) 梁端扩大型连接 (d) 盖板式连接 柱梁 翼缘板 梁腹板孔洞梁 柱 (e) 翼缘板式连接 (f) 梁腹板开孔式连接 图 改进式节点形式 Fig Improved node 美国 FEMA350[57]报告中曾经提到过 梁腹板开孔式节点 ，文献 [50]和 [51]对梁腹板开圆孔框架和节点进行了抗震性能分析，表明在框架的梁腹板开设一定大小的圆孔后，并没有降低结构的整体刚度，反而能形成延性框架形式，最大塑性区移至梁腹板削弱处，最大限度的减小了梁柱连接处的转角，能有效的避免梁柱连接焊缝的脆性断裂，提高了钢框架结构的抗震性能。 此种结构形式既属于改进型框架节点，也属于 节提出的增强框架延性的措施，但是，单纯的将框架梁端进行切割孔洞，不但施工较为繁琐，也增加了建筑造价。 利用蜂窝梁本身所具有的蜂窝孔洞，也能够形成此种节点所能达到的效果。 可以这样说，梁端形成塑性铰是蜂窝梁本身所具有的特性之一，本文即探索利用蜂窝孔洞所形成的塑性铰，构成强柱弱梁的抗震结构体系，并确定具体的设计方法。 蜂窝式钢框架结构 蜂窝式钢框架是由蜂窝梁与实腹柱，或蜂窝梁与蜂窝柱连接而成。 通过前述的蜂窝构件优点可知，蜂窝式钢框 架特别适用于多高层楼房，无大型吊车的工业厂房 和轻钢结构等建筑。 应用蜂窝式钢框架，满足工业化生产和机械化安装的要求，符合绿色建筑的理念，值得全面推广。 (a) 蜂窝梁与实腹柱 (b) 蜂窝梁与蜂窝柱 图 蜂窝式钢框架 Cellular steel frame 实腹柱蜂窝梁 蜂窝柱蜂窝梁 (a) 蜂窝梁与实腹柱连接节点 (b) 蜂窝梁与蜂窝柱连接节点 图 蜂窝式钢框架节点形式 Fig Frame joints of cellular steel frame 本文的研究内容、方法及创新点 主要研究内容及方法 本文从实际应用出发，以文献 [52]试验研究为基础，利用 ANSYS 有限元分析软件，建立由蜂窝梁与实腹柱组成的蜂窝式钢框架有限元分析模型，对其进行低周反复荷载作用下的全过程有限元分析，考虑蜂窝梁的孔洞参数（包括扩高比、孔洞位置、孔洞形状等）对蜂窝式钢框架结构抗震性能的影响，寻找诸多参数的 合理取值建议，为蜂窝式钢框架结构的设计和工程应用提供参考。 具体的研究内容如下： 对文献 [52]的试验试件进行有限元分析，通过破坏模式、滞回曲线，骨架曲线、延性、刚度退化曲线、耗能能力等与试验结果进行对比，验证有限元建模和分析方法的正确性。 在总结前人研究成果的基础之上，对两种孔型（六边形孔和圆形孔）的蜂窝梁实腹柱钢框架进行有限元模拟分析，分析孔洞形状、扩高比、孔洞位置等蜂窝梁参数对蜂窝式钢框架梁端塑性铰位置的影响规律，建立在扩高比，孔洞形状影响下，可利用蜂窝梁腹板孔洞使框架梁端塑性铰外移的蜂窝式钢 框架梁端孔洞位置的合理取值公式，并分析在此梁端孔洞位置范围内，蜂窝式钢框架的抗震性能。 在梁端孔洞位置的合理取值范围内，分析层数和跨数对蜂窝式钢框架延性和耗能能力的影响规律，建立蜂窝式钢框架抗震性能分析的典型模型，并利用此典型模型，分析扩高比、孔洞形状等参数对蜂窝式钢框架耗能能力和延性的影响规律。 基于抗震性能设计的要求，提出不同抗震等级钢框架对延性要求的假设，在此基础之上，提出不同抗震等级和孔洞形状条件下蜂窝梁扩高比限值。 基于以上成果，对蜂窝式钢框架结构设计提供建议与参考，并对下一步研究指明方向。 主要创新点 本文研究的主要创新点如下： （ 1）本文通过分析蜂窝式钢框架结构梁端塑性铰产生位置的影响因素，首次探讨利用蜂窝梁开孔造成的腹板削弱，使框架梁端塑性铰由梁柱节点区域转移至蜂窝梁端第一个孔洞位置的可行性，并分析蜂窝梁的孔洞形状、扩高比、开孔位置等参数对蜂窝式钢框架结构梁端塑性铰的影响，得出蜂窝式钢框架结构基于孔型形状和扩高比的合理孔洞位置取值公式。 （ 2）本文通过国内外规范的研究，特别是对我国抗震规范中多高层钢结构房屋不同抗震等级的构造规定与国外规范的对比分析，首次提出抗震等级与框架延性 系数之间的对应关系假设。 并通过此种关系，分析并得出蜂窝式钢框架结构蜂窝梁在不同抗震等级下的合理扩高比限值。 第二章 蜂窝式钢框架结构有限元分析模型 引言 目前，最为常用的有限元分析软件有 ABAQUS， ANSYS， MIDAS， SAP2020 等等 [65]。 本文主要采用 ANSYS 非线性有限元分析软件进行有限元模拟分析。 ANSYS 是一款具有强大的有限元分析功能的计算软件，采用 APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化程序设计语言，可以快速方便地建立有限元分析模型， 较精确分析非线性问题，利用其所具有的后处理功能，可以方便直观地提取所需的计算结果 [6672]。 利用有限元分析软件，可在试验基础之上，通过对有限元模型进行模拟分析来解决复杂的结构分析问题。 特别是对于钢结构这种具有材料单一，各向同性等特点的结构形式，更加可以利用有限元模拟分析，代替大量的试验工作。 本文主要利用 ANSYS 中 APDL 程序设计语言编制命令流，对低周反复荷载作用下的蜂窝式钢框架模型进行有限元分析。 本章主要通过与已有试验成果对比，建立基于试验的蜂窝式钢框架正确的有限元分析模型，为下文深入地分析与研究提 供可靠的有限元理论基础。 蜂窝式钢框架抗震性能试验简介 为了研究蜂窝式钢框架在低周反复荷载作用下的破坏模式，受力机理和抗震性能，课题组于 2020 年 10 月在沈阳建筑大学结构工程试验室完成了蜂窝式钢框架结构抗震性能试验研究， 根据要求对 单层单跨蜂窝式钢框架结构 进行拟静力试验。 试验 对蜂窝式钢框架在地震作用下的滞回性能、延性、刚度退化、吸耗能能力、节点域变形、破坏位置及形态进行研究。 试件材料力学模型 试验蜂窝式钢框架试件采用 Q235 钢材制作， 材料属性试验试件 如图 所示。 试件 在沈阳建筑大学材料 力学实验室进行拉伸试验，测得试件材料性能平均值见表。 （ a）材性试验试件加工图 （ b）材性试验试件图 （ c）试验设备 图 材性试验试件及试验设备图 Fig Specimen and test equipment 表 材料性能 Table Material properties 钢材牌号 钢板厚度 /mm 平均屈服强度 fy/MPa 平均极 限强度 fu/MPa 弹性模量 E/MPa Q235B 6 325 105 8 105 12 105 试件尺寸设计 本试验试件采用两榀 跨度为 2340mm 的 蜂窝式钢框架（ 命名为 A 榀 和 B 榀）组成空间结构体系， 框架间距 1200mm，层高为 1600mm，柱脚 加焊 8mm 靴梁。