基于等效斜撑模型的内嵌墙板钢框架抗震性能研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - natural period and mode shape characteristics of the 3-8 layers of steel frame and considering the role of embedded wallboard steel framework. The proposed estimation formula of the multi-storey steel frame structure vibration period is given.We select seven ground motion rec
2、ords and have 6 degrees, 7 degrees, 8 degrees of 42 time history analysis of the 6th floor steel frameworkand embedded in wall panels steel frame structure. We compare the different lateral displacement of the both under seismic action. Show that the contribution of the embedded wallboard to the ove
3、rall structure of the anti-lateral under earthquake effect.We suggest that the role of embedded wallboard should be considered in practical engineering and the embedded retaining wall should be decorated reasonably. Keywords: Embedded wallboard; Fabricated steel structure housing; Equivalent single
4、stem model; More than an equivalent pole model; 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景 1 1.2 带墙体框架结构研究现状 . 2 1.2.1 带墙体框架结构分析模型研究 2 1.2.2 带墙体框架结构工作性能研究 5 1.3 课题来源及本文主要研究内容 . 7 第 2 章 内嵌墙板等效单杆弹性有限元模型研究 8 2.1 引言 8 2.2 砌体(块)填充墙等效单杆模型 . 8 2.2.1 等效单杆模型的概念 8 2.2.2 等效单杆模型适用性
5、分析 10 2.3 内嵌墙板钢框架结构精细化分析模型 . 12 2.3.1 单元类型的选取 12 2.3.2 各参数的选用 . 13 2.3.3 精细化有限元模型的建立 14 2.4 内嵌墙板等效单杆简化模型 . 16 2.5 等效单杆模型影响参数分析 . 19 2.5.1 跨高比 . 19 2.5.2 轴压比 . 20 2.5.3 墙板宽度 . 21 2.5.4 墙板厚度 . 22 2.5.5 开洞面积 . 23 2.6 本章小结 23 第 3 章 内嵌墙板等效多杆弹塑性有限元模型研究 25 3.1 引言 25 3.2 等效多杆模型的概念 . 25 3.3 等效多杆模型有效宽度计算公式拟合
6、. 26 3.4 等效多杆模型影响参数分析 . 31 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 3.4.1 不同跨度及高度 32 3.4.2 轴压比 . 32 3.4.3 墙板宽度 . 33 3.4.4 墙板厚度 . 34 3.4.5 等效多杆模型常用有效宽度表 35 3.5 内嵌墙板钢框架滞回性能的模拟 . 39 3.6 本章小结 40 第 4 章 内嵌墙板钢框架结构抗震性能分析 41 4.1 引言 41 4.2 典型钢框架算例设计 . 41 4.3 基于等效多杆模型钢框架自振特性分析 . 42 4.3.1 分析模型的建立 42 4.3.2 自振特性分析 . 43 4.3.3 自振周期估算
7、方法 47 4.4 基于等效多杆模型钢框架地震时程响应分析 . 49 4.4.1 地震动记录的选取 49 4.4.2 非线性时程响应分析 52 4.5 典型钢框架住宅自振特性及非线性时程响应分析 56 4.6 本章小结 60 结 论 . 62 参考文献 . 64 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果 69 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 70 致 谢 . 71 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题研究的背景 20 世纪 60 年代末,日本通产省住宅建筑工业化不断发展,提出了住宅 产业化(Housing Industry)的概念,即采用工业
8、化生产的方式来建造住宅, 以提高住宅生产的劳动生产率,提高住宅的整体质量,降低成本,降低物耗、 能耗,其范围是指标准产业分类的各产业领域中与住宅有关的各行业的总合。 房屋建筑产业化符合我国建筑节能、节地、节水、节材、保护环境(四节一 环保)和建筑业可持续发展的战略需求,是未来建筑业的发展趋势。随着我 国国民经济的迅速发展,人们对住房的需求大大增加,要求我国住宅产业化进 程不断加快。 钢结构房屋建筑轻质高强、空间利用率高、抗震性能好;工业化程度高、 施工周期短、不受季节限制;现场湿作业少、资源循环利用、绿色环保;是推 进住宅现代化的理想住宅建筑体系。而装配式钢框架结构是适应住宅产业化的 理想结构
9、形式,因此装配式钢框架结构目前发展迅速,由适于现场装配的钢框 架结构为主体,围护墙体的材料有空心砖、实心或空心轻质砌体墙及目前更适 用于装配式结构的分块轻质围护墙板,墙板与钢框架之间采用可靠连接,保证 墙板与钢框架协同工作。 近年来针对钢框架与围护墙板协同工作性能的研究越来越多,大多集中在 带墙板钢框架结构的滞回性能、抗震性能及墙板对于钢框架结构整体抗侧刚度 及承载力的贡献方面,一般采用试验或者有限元数值模拟等研究手段,试验研 究由于试验条件的差异,具有一定的局限性,且试验难以复制;而有限元数值 模拟研究,一般将钢框架与墙板精细化建模,研究墙板与钢框架的相互作用, 计算结果精确,可操作性强,但
10、建模方法复杂,且多为研究结构局部效应,对 于研究考虑墙板作用的钢框架整体工作性能,精细化建模又显得过于繁琐,因 此有必要对于内嵌围护墙板钢框架简化分析模型进行探索,找到一种适合于内 嵌围护墙板且建模简单易于计算的简化模型。 钢结构住宅设计规范中 8.3.6 规定:地震作用下,多(高)层住宅钢结 构内力和位移计算所采用的结构自振周期,应考虑非结构构件的影响。可视主 体结构的刚度、非结构构件或墙体的材料及其与主体结构的连接方式等,分别 乘以 0.71.0 的调整系数。轻质墙板为柔性连接时,或结构体系为框剪、框 筒结构时,宜取较大值1。内嵌围护墙板钢框架结构在侧向水平荷载作用下, 由于墙板与钢框架之
11、间采用可靠连接,墙体与钢框架协同工作,墙体与钢框架 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 结构相互作用:一方面墙体受到钢框架的约束,另一方面墙体对钢框架的支撑 作用使得框架的变形受到限制,减小了结构整体的侧向变形,提高了结构整体 抗侧刚度。研究表明内嵌围护墙板对于结构整体抗侧刚度的贡献较大,其对初 始刚度贡献甚至可达 70%,而规范对于填充墙对结构刚度的贡献只是通过简单 的周期折减来实现,并未考虑不同填充墙实际产生的刚度、强度效应,而对于 目前应用较多的内嵌围护墙板钢框架结构自振周期的研究尚不多见,一般是直 接根据规范规定进行折减,其合理性尚未得到验证。另外针对考虑内嵌墙板作 用的钢框架
12、结构在地震作用下的变形及侧移情况的研究尚不多见,对于内嵌墙 板在地震作用下的抗侧作用尚不明确。 可以看出,对于内嵌墙板钢框架结构的研究尚不成熟,针对其简化分析模 型及地震作用下的工作性能的研究对于理论分析及工程应用都有十分重要的意 义。 1.2 带墙体框架结构研究现状 对于填充墙在框架结构中所起的抗侧作用的认识是一个从无到有的过程, 填充墙与框架的相互作用非常复杂,国内外学者开展了大量的研究工作,既有 单层单跨又有多层多跨,既有试验研究又有理论模拟,既有静力性能又有动力 性能,各国学者对填充墙框架结构的研究丰富且深入;现今对于填充墙框架结 构的研究已经几近成熟,但是由于社会的发展装配式钢结构住
13、宅的出现及其所 表现出来的优势,对装配式钢框架结构中内嵌墙板对于结构的整体作用的研究 同以往的填充墙一样也越来越受到重视。 1.2.1 带墙体框架结构分析模型研究 经过几十年的发展,国内外学者对于填充墙分析计算模型进行了大量的研 究工作。 1956 年 Polyakov 通过对填充墙框架结构工作性能的分析,提出可以用一 个对角受压支撑来代替填充墙,首次提出了等效斜撑的概念,如图:1-1(a)。 即填充墙框架在侧向水平荷载作用下,墙框产生分离,呈现一对角顶紧另一对 角分离的现象,填充墙在框架中更像桁架体系中的受压杆件,因此可以用两端 铰接的单根杆件替代填充墙的作用2。 哈尔滨工业大学工学硕士学位
14、论文 - 3 - (a)等效斜撑模型 (b)三支杆等效斜撑模型 图 1-1 填充墙框架结构简化模型 等效斜撑模型的提出极大的方便了从宏观上研究填充墙框架结构的整体工 作性能,该模型最重要的参数是单杆有效宽度的确定,在 Polyakov 之后,各 国学者对该参数进行了大量的研究。 1961 年 Homes 通过试验研究提出等效斜撑的材料与填充墙材料相同,有 效宽度可取填充墙体 1/3 对角线长度3。 1962 年 Stafford Smith 通过一系列填充墙钢框架试验,表明了填充墙可以 提高结构整体的承载力和刚度4;在此基础上,1966 年 Stafford Smith 通过理 论推导,得出了
15、一个与框架和填充墙特性有关的计算参数(墙框刚度比)来表 达等效斜撑的有效宽度5。 1 4 sin2 4 / c h s t E () h Ih E (1-1) 式中:h为墙框刚度比,h 为框架层高, 墙对角线与水平线间的夹角, Ec 为墙体材料弹性模量,Es为柱子弹性模量,t 为墙体厚度,I 为柱子截面惯性 矩, 为墙体高度。 1983 年 Liauw and Kwan6在非线性有限元分析的基础上,首次提出用 hcos 来计算等效斜撑的有效宽度,通过参数分析得到了有效宽度 w 的表达 式: 0.86 cos h wh (1-2) 式中:h为墙框刚度比,由式(1-1)确定,其他参数的意义同(1-
16、1). 2003 年 Wa1e 利用有限元软件,在对填充墙钢框架结构破坏形式深入分析 的基础上,提出了三支杆等效斜撑模型7,如图 1-1(b);即在侧向水平荷载作 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 用下填充墙作用由三个撑杆替代,三支杆的总面积为: (1) cos cccb bb c htl t A f (1-3) 三支杆模型考虑了结构在加载过程中的非线性,但其各参数是通过结构极 限状态分析而得到的,与结构实际受力状态有差别,低估了填充墙的作用。 除了简单的杆系模型之外各国学者还提出了不同的填充墙框架结构的分析 模型:1983 年刘耀新的整体简化模型8,1985 年 Thiruveng
17、adam V.提出的等效 平面框架模型9,1995 年曹万林等提出的并联简化模型10等等,各个模型都 有各自不同的优缺点,对于各模型的具体形式及应用不作过多介绍。 除此之外,随着有限元方法及计算机技术的发展,为了能够更精细的研究 填充墙框架结构的局部效应,一些学者选取不同单元采用不同方法建立了较精 细的填充墙框架结构有限元分析模型。 1977 年 Riddington 和 Smith 采用弹性有限元模型考虑填充墙和框架结构 之间的相互作用,针对无配筋砌体填充墙钢筋混凝土框架结构进行了模拟研究 11。该模型只适用于弹性阶段的分析,无法考虑结构非线性。 1991 年 EI Haddad 考虑了结构
18、的非线性性质,墙体开裂,墙框相对刚度, 框架几何尺寸等,采用梁单元模拟框架,采用双线性平面应力单元模拟砌体填 充墙,建立砌体填充墙框架结构有限元模型 12。但是该模型填充墙与框架之 间的接触问题没能很好的解决,无法考虑填充墙与框架的相互作用。 1994 年刘建新根据横梁处填充墙与框架两者侧移相等的原则,假设填充 墙与框架之间只传递剪力不传递弯矩,提出了一种墙元简化模型13。但是这 种假定明显存在缺陷,框架与填充墙在横梁处的侧移只是在两者接触范围内才 相等。一般认为,两者接触长度大约是梁长的一半。因此,该模型与结构实际 受力情况差异较大。 1996 年 Asteris 等针对填充墙开洞大小和位置
19、对结构刚度的影响采用基于 “接触点”的有限元方法进行了研究14。该方法只适用于弹性阶段的分析, 且有限元程序复杂。 1997 年,Mehrabi 和 Shing 基于试验研究的结果提出了一种有限元模型, 选取裂缝单元模拟砌体和混凝土,选取 “内聚性膨胀接触单元”模拟墙框之 间的接触及连接砌块间的砂浆 15。该模型能够较精细研究墙框局部受力状 况,但建模过于复杂,应用极不方便。 近年来,一些学者利用不同的单元建立了不同的 ANSYS 有限元模型,来 研究填充墙框架结构的工作性能;例如:李国强等16提出了利用梁单元+实体 单元+弹簧单元的有限元模型,即采用 Beam 单元模拟钢框架,采用 Soli
20、d 单元 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 模拟砌体填充墙体,采用 Non-Linear Spring 单元模拟框架和墙体之间连接,研 究了加气混凝土砌块填充墙钢框架结构的抗侧力性能,表明了该有限元模型能 够较好的模拟填充墙钢框架结构的受力性能。 戴绍斌等17采用 Solid 45 单元、Solid 95 单元及三维 Targetl70 和 Pt-to-surf 175 接触单元分别模拟加气混凝土填充墙、钢框架及墙框之间的接触单元,并 将钢框架视为柔性,而将墙体视为刚性,建立接触对,对填充墙与钢框架协同 工作的性能进行了非线性研究。 李国华18采用 Solid 95 单元模拟钢框架,
21、Solid 65 单元模拟内填混凝土 墙,采用 Conta 173 与 Targe 174 单元模拟混凝土与钢框架之间的接触,并且 取接触之间的摩擦系数为 0.3,研究了填充墙与钢框架的变形及受力特性。 由以上分析可以看出无论是杆系简化模型还是有限元精细化模型,对于填 充墙框架的应用都有一定的不足,且其提出及建立都是针对砌体(块)填充墙 框架结构提出的,对于本文要研究的目前常用的适于装配式钢结构的分块轻质 内嵌围护墙板其适用性尚未得到验证。 1.2.2 带墙体框架结构工作性能研究 从上世纪中叶开始国内外学者针对墙体与框架结构协同工作性能开展了大 量的研究工作,主要包括试验及数值模拟研究: 从
22、1943 年至 1954 年,Polyakov 从砂浆强度、加载方式、填充墙体类型及 墙体开洞等方面,针对填充墙对结构承载力的影响,进行了大比例模型试验研 究。 1955 年,Benjamin 和 Williams 最早进行了单层单跨填充墙框架结构足尺 试验研究19。 1994 年,Angel 针对砌块填充墙钢筋混凝土框架结构进行了 1:2 比例的 平面外强度试验研究,表明填充墙一旦开裂,结构的整体刚度降低很快。此 外,Angel 提出填充墙可以用单个等效斜撑进行简化,其有效宽度可取填充墙 对角线的 1/820。 1996 年,史庆轩进行了砖填充墙钢筋混凝土框架在反复水平荷载作用下 的试验研究
23、,分析了其受力性能。提出了适用于该结构的按层间剪切模型的弹 塑性地震反应计算方法21。 2003 年,张溶和吴芸进行了空腔砌块复合墙体钢框架低周反复荷载试 验,根据得到的柱顶荷载位移曲线,提出了实用的三折线刚度及其计算方法 22。 2003 年至 2005 年,李国强等针对钢结构住宅墙板及节点、钢框架及带填 充墙钢框架结构及外挂式和内嵌式 ALC(蒸压加气混凝土)墙板钢框架结构 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 分别进行了足尺模型的振动台试验23水平静力及低周反复加载试验24及滞回 性能试验研究25,了解了节点的破坏特征及墙体本身的工作性能,明确了墙 体对钢框架结构强度和刚度的影响,
24、通过对带 ALC 墙板的钢框架结构与空框架 结构的单调加载荷载-位移曲线对比,发现外挂 ALC 墙板对结构整体刚度贡献 不大,初始刚度提高 20%-25%;承载力只提高 10%左右。而内嵌式 ALC 墙板对 于墙体和钢框架协同工作起了很大作用,内嵌 ALC 墙板钢框架比空框架刚度及 承载力提高许多,初始刚度提高 50%-70%;承载力提高 65%左右,相对变形也 减少许多,得出了外挂 ALC 墙板对钢框架的承载力和刚度的提高较小,可以 近似忽略;而内嵌 ALC 墙板对于钢框架结构的刚度和承载力贡献较多,宜在 结构设计中加以考虑的重要结论;得到了有墙及无墙钢框架结构的滞回性能, 给出了考虑墙板作
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- 基于 等效 模型 内嵌墙板钢 框架 抗震 性能 研究
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