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BRB式消能桁架的力学建筑模型研究

日期:2018年02月03日 编辑:ad200901081555315985 作者:无忧论文网 点击次数:996
论文价格:150元/篇 论文编号:lw201709011357013909 论文字数:38592 所属栏目:建筑工程管理论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
第 1 章 绪 论

1.1 引言
钢结构是现代建筑的主要结构类型之一,其梁、柱等主要构件的组成材料为钢材,在实际工程中得到越来越广泛的应用。钢结构具有以下几大优点:(1) 重量轻,强度高,能够满足大跨度结构的要求。钢材的容重较大,但强度却比其他建筑材料高很多。在相同的荷载作用下,钢结构的质量轻于其他结构,方便运送与安装,适合大跨度结构使用。(2) 塑性和韧性好,具备较好的吸能能力和延性。塑性好,结构在超载时不会发生突然断裂;韧性好,结构能够更好的适应动力荷载。(3) 材质均匀,符合力学假设。钢材的内部组织接近于匀质和各向同性体,所以力学计算对钢结构的受力分析更加准确。(4) 制作简单,施工周期较短。一般的钢结构都在工厂生产构件,在现场进行组装,缩减了施工周期。此外,已建成的结构也易于拆卸、加固和改造。(5) 节能、环保。和混凝土相比,钢结构施工过程中产生的噪音、污染少,对土地资源的破坏较小。结构达到使用寿命后,钢材可回收再利用,产生的固体垃圾大量减少。基于以上优点,近年来,各地钢结构建筑蓬勃兴建,建筑钢结构的科研、设计、钢材生产、配套等各个领域都得到飞速发展。钢框架结构体系是建筑结构中最常见的体系之一,多层民用钢框架结构发展迅速,涌现出框筒体系、框筒束体系筒中筒体系、支撑框筒体系等多种新型结构体系。
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1.2 BRB 式消能桁框结构的研究背景
结构是现代高层建筑中常用的结构体系之一,主要由梁、柱连接而成,如图 1-1 所示。梁、柱之间刚接、半刚接或者铰接均可,但不适于全部铰接。框架结构墙体均不承担荷载,平面布置灵活,自由度很高。外墙采用非承重构件,可以显著降低结构自重,有利于结构的抗震性能,也降低了结构的造价。其主要缺点是抗侧刚度小,强烈地震时结构会产生较大的侧向变形,二阶效应显著;当框架梁的跨度较大时,选用实腹式梁会使用钢量大增,导致结构方案不够经济。20 世纪 60 年代,美国学者 William 等[1]人提出了交错桁架结构这种新型结构体系。交错桁架结构的主要构件是钢柱、钢桁架和楼板,抗侧性能较好。结构中桁架高度等于楼层层高,桁架被包裹于墙体中;桁架隔层交错布置,钢柱沿周边布置,可以实现较大的建筑使用空间[2],见图 1-2。随着人们对建筑使用功能的要求越来越复杂,传统的结构形式已经不能满足人们的使用要求,新的结构形式不断出现。其中,将钢框架结构中的实腹式钢梁用桁架梁代替,就形成了一种新型结构体系——桁框结构[3],见图 1-3。
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第 2 章 BRB 式消能桁架的模型假设

本章将从 BRB 轴力与结构其他杆件内力间的相互关系出发,采用基于性态的设计方法,对 BRB 式消能桁架结构进行模型假设,使结构变得预知可控。

2.1 BRB 式消能桁框结构的计算模型
本节先从实际工程出发,设计一个跨度为 l,层高为 H,桁架高度为 h 的四层桁框结构,上下弦杆与竖向构件之间设计为铰接,桁架内部节点设计为刚接。然后将靠近柱子的端部节间下弦改为屈曲约束支撑(BRB),其余结构与普通桁框结构保持一致,从而得到一个四层 BRB 式消能桁框结构,如图 2-1 所示。取 BRB 式消能桁框结构的第二层作为标准层,在竖向地震或强烈水平地震作用下,桁架端部弯矩 M 和剪力 V 较大,轴力 N 较小,竖向构件在反弯点处剪力最大,弯矩为零。竖向构件的反弯点分别位于层高的 1/2 处,因此,分别取上、下两层柱子的 1/2 处作为标准层的边界,因柱子反弯点处的弯矩为零,所以柱子的边界条件为铰接,如图 2-2 所示。将竖向构件的反弯点作为加载点,即可模拟出水平地震作用下标准层的受力情况。将反弯点作为加载点,一方面可以比较系统直观的反应桁架的静力性能,另一方面也能够验证数值分析方法的可靠性。
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2.2 BRB 的设计方法
BRB 式消能桁框结构的设计原则是,当 BRB 尚未达到屈服承载力的时候,整个结构均处于弹性阶段,此时 BRB 式消能桁框结构的力学性能与普通桁框结构的相同。在地震作用下,桁架端部弯矩 M 剪力 V 较大,轴力 N 较小。由于 BRB的轴力主要取决于 M 和 N(尤其是 M)。随着地震作用的增加,桁架端部弯矩也增加,然后 BRB 杆件随之屈服,结构进入塑性阶段。BRB 的屈服使梁端形成塑性铰,在一定时间内,结构的塑性变形继续增加,而承载力不再增大,明显降低了桁架梁的转动刚度,减小了能量的进一步输入;同时,BRB 屈服也可以直接耗能,从而实现了对结构的保护作用。因此,通过调整 BRB 的屈服承载力,可以实现弯矩 M 达到指定大小时 BRB 首先屈服,从而实现基于性态设计。在 BRB 式消能桁架标准层中,竖向构件的端点为每层柱子的反弯点,边界条件为铰接;在反弯点处施加水平荷载 P,即地震产生的层间剪力,桁架梁上承受均布荷载,如图 2-3 所示。
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第 3 章 有限元分析方法及验证
3.1 有限元分析的基本思想.... 18
3.2 ABAQUS 简介.......... 18
3.3 BRB 式消能桁架试件模型的建立..... 18
3.4 有限元程序验证...... 22
3.4.1 钢梁模拟验证......... 22
3.4.2 BRB 消能段的模拟验证........... 23
3.4.3 BRB 式消能桁架标准层的模型验证......... 23
3.5 本章小结......... 25
第 4 章 BRB 式消能桁框结构的力学模型分析
4.1 试件设计......... 26
4.2 有限元计算结果及分析............ 29
4.2.1 桁架形式的影响分析...... 30
4.2.2 BRB 屈服承载力的影响分析............ 32
4.2.3 桁架高度的影响分析...... 41
4.2.4 桁架腹杆连接方式的影响分析........ 45
4.3 本章小结......... 47
第 5 章 结论与展望
5.1 结论........ 49
5.2 展望........ 50

第 4 章 BRB 式消能桁框结构的力学模型分析

本章利用 ABAQUS 有限元软件,对 BRB 式消能桁框结构进行力学模型分析,找到影响模型力学性能的主要因素和内在规律。通过设计大量的有限元试件,利用有限元分析,探究单向静力荷载作用下连接方式、桁架形式、BRB 屈服承载力、桁架高度等因素对 BRB 式悬消能桁框结构的影响。

4.1 有限元试件设计
整体结构设计为单跨四层桁框结构,跨度取 18m,开间取 9m,层高 6m,桁

架的高度取 1.5m。同时,为保证结构不发生平面外失稳,在平面外施加足够的侧向支撑。楼面恒载为 4.0k N/m2,活载的为 2.0k N/m2;抗震设防烈度按 8 度(0.2g)考虑,设计地震分组为第一组,地面土粗糙级别为 B,多遇和罕遇地震下的地震影响系数分别取 0.16 和 0.9,荷载分项系数和组合值系数均取 1.0;各杆件的应力比按 0.8 控制,其长细比、板件宽厚比均满足《建筑抗震设计规范》和《钢结构设计规范》的要求。本文取结构的第二层作为标准层,作为研究对象,分析各个参数对 BRB 式桁框结构的力学模型的影响。为方便读者理解,先对文字所研究的试件进行编号,编号规则如下:第一组为数字,代表桁架的高度,共有三种,分别为 1.125m,1.5m,1.8m。第二组为字母,代表不同的 BRB 屈服层承载力,用 a,b,c 来表示,未设置 BRB 的试件用 0 表示。例如:1.5-a 代表设置有 BRB、桁架高度为 1.5m,BRB 屈服承载力为 a 计算值的试件,再比如 1.8-0,表示没有 BRB,桁架高度为 1.8m 的试件。

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结论

本文研究的 BRB 式消能桁框结构是一种新型结构,是将桁架端部下弦替换成屈曲约束支撑(BRB),其余杆件保持不变,与已有的延性桁框结构有着本质上的区别。本文通过理论分析和有限元模拟来研究 BRB 式消能桁框结构的力学性能,主要研究了结构承担的水平荷载与 BRB 轴力之间的关系;桁架形式、腹杆连接方式、BRB 屈服承载力、桁架高度这些参数对结构力学性能(如承载能力、抗侧刚度、延性、转动刚度、破坏模式)的影响。本文结合工程实际,通过3D3S 软件共设计 18 个试件,利用有限元软件进行单向加载的模拟分析,初步得到以下结论:
(1)根据第二章提出的设计方法,可以实现 BRB 式消能桁框结构基于性态的设计,并且可以通过调整 BRB 的屈服承载力,使结构的各个楼层同步屈服,充分耗能。
(2)将普通桁框结构中桁架的端部下弦替换成屈曲约束支撑(BRB),可以显著改善大跨度桁框结构的性能。在正常使用或多遇地震作用下,桁架与 BRB均处于弹性状态,与普通桁框结构并无区别;在强烈地震作用下,BRB 率先屈服,使桁架端部形成塑性铰,降低结构刚度,提高了结构的延性和耗能能力。
(3)BRB 消能桁框结构的屈服承载力略低于普通桁框结构,这是由于 BRB采用低屈服点芯材,二阶效应明显造成的;但 BRB 消能桁框结构的极限承载力略高于普通桁框结构,这是因为 BRB 屈服消耗了更多能量。
(4)在有限元单向加载分析中,所有试件的破坏模式均与预测结果一致:普通桁框结构的破坏模式为腹杆失稳,设计合理的 BRB 式消能桁框结构的破坏模式为 BRB 屈服,BRB 屈服承载力设计过大会导致腹杆先发生失稳。
(5)普通桁框结构的腹杆失稳后,结构的 P-Δ曲线和桁架端部的 M-θ曲线均出现明显的下降段,延性性能较差,属于脆性破坏;BRB 式消能桁框结构中BRB 屈服之后,结构的 P-Δ曲线和桁架端部的 M-θ曲线均未出现下降段,延性性能较好,属于延性