轻钢加层中不同连接节点的抗震性能有限元分析.docx
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轻钢加层中不同连接节点的抗震性能有限元分析
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UDC:
编号:
学位论文
轻钢加层中不同连接形式节点的
抗震性能有限元分析
指导教师姓名:
申请学位级别:
硕士学科、专业名称:
结构工程
论文提交日期:
2012年11月论文答辩日期:
2012年12月
学位授予单位:
答辩委员会主席:
评阅人:
2012年11月
ThesisSubmittedto
HebeiUniversityofTechnology
for
TheMasterDegreeof
InternationalTrade
FiniteElementAnalysisontheSeismicResistantProperty
oftheDifferentFormofConnectionNodeoftheAdding
SteelStoriesontheExistingBuilding
by
November2012
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容,也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。
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(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名:
日期:
导师签名:
日期:
轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能有限元分析
摘要
对于在旧有建筑物上进行加层改造的工程,依靠其技术和经济上的特有优势,在既有建筑物改造活动中占有越来越大的比重。
加层改造后的梁柱节点无疑是建筑物中关键的部位,其直接影响到加层后整体结构的受力性能。
因此,对于轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能的研究,有利于了解节点的力学性能,有利于改进节点形式的设计。
无论在相关理论研究方面还是在相应的工程实践中,对于节点抗震性能的研究都具有重要的意义和价值。
本文前期试验中设计了四个轻钢加层不同连接形式节点的实体模型,这些试验构件均为在原有的混凝土柱子上方通过化学植筋的方法加入工字钢形的钢柱。
新加钢柱与原有混凝土柱子的连接形式不同,其连接形式分别为:
铰接—U型钢箍加固、刚接—碳纤维加固、刚接—钢板加固和纯刚接。
在试验过程中,分别给这四个实体模型施加低周反复荷载作用,得出其滞回曲线等相关参数,通过这些参数可以分析它们抗震性能的优劣。
本文在上述试验的基础上,以试验中抗震性能最优的节点实体模型为样本,通过大型有限元分析软件ANSYS建立有限元节点的模型,确定模型中不同单元的形式、定义各个单元的材料属性、设置单元的实常数、选取适合的屈服准则。
使用节点法建立了所有钢筋单元,再使用实体建模法建立了混凝土单元,对其进行单元划分,施加约束条件,加载并求解。
本文对所建节点有限元模型在低周反复荷载作用下的受力破坏过程进行了全程模拟,把节点有限元模型的分析结果与节点实体模型的试验结果进行了比较,得出了有限元分析结果和试验所得结果基本相符的结论,从而证明了本文所建的节点有限元模型基本能够正确地反映出节点的实际受力情况。
在这个节点模型的基础上,通过改变节点的连接形式,得出新的节点有限元模型,再对新建模型进行低周反复加载模拟试验,得出滞回曲线等相关参数,并与原有模型进行对比,进而得出所建节点有限元模型的抗震性能的差异。
着重分析不同连接形式节点模型在低周反复荷载作用下耗能性能与延性等抗震性能指标的差别。
关键词:
轻钢加层节点低周反复荷载有限元分析滞回曲线抗震性能
FiniteElementAnalysisontheSeismicResistantProperty
oftheDifferentFormofConnectionNodeoftheAdding
SteelStoriesontheExistingBuilding
ABSTRACT
Totheworkofaddingsteelstoriesontheexistingbuildingareoccupyinganincreasingproportionintheactivitiesofrenovatingtheexistingbuildingbytheiruniqueadvantagesonitstechnicalandeconomic.Thebeam-columniointsafterrenovationofaddingsteelstoriesontheexistingbuildingisundoubtedlythekeypartsofbuildingwhichhaveaddedsteelstories.Therefore,theresearchoftheseismicperformanceofthedifferentformofconnectionnodesintheadditionallayerisusefullbothinunderstandingthemechanicalpropertiesofthenodeandtoimprovethedesignofthenodesintheform.Nomatterintherelevanttheoreticalresearchorintheengineeringpractice,theresearchoftheseismicperformanceofthenodehavegreatsignificanceandvalue.
Intheearlyexperimentofthisdissertationtherearefourdesignsofthesolidmodelofthedifferentformofconnectionnodeoftheaddingsteelstoriesontheexistingbuilding,allofthiscomponentsintheexperimentsreaddedinsteelcolumnswhicharei-beamatthetopoftheexistingconcretecolumnsbythemethodofchemicalanchorage.Theconnectionformofthenewsteelcolumnsandtheoriginalconcretecolumnsaredifferent,theconnectionformareArticulated-Usteelhoopreinforcement,Rigid-carbonfiberreinforced,Rigid-steelreinforcementandRigid.Intheexperiment,thelowperiodrepeatloadareappliedtothefoursolidmodel,wecangettheirhystereticcurvesandotherrelatedparameters.Wecananalyzetheprosandconsoftheirseismicperformancebytheseparameters.
Inthisdissertation,onthebasisoftheabove-mentionedexperiment,Iusethenodesolidmodelwhichhaveaoptimalseismicperformanceintheexperimentasansample,usingANSYS,thefiniteelementanalysissoftwaretoestablishthefiniteelementnodemodel,establishtheformofthedifferentmodelunits,definitethematerialpropertiesofeveryunits,setuprealconstant,selectasuitableyieldcriterion.Allthereinforcedunitsaresetupbythewayofnode,theconcreteunitsaresetupbythewayofsolidmodeling,determiningthegrid,setingtheconditions,loadingandsolving.
Inthisdissertation,awholesimulationoftheforcedanddestroyedprocessforthenodemodelwhichareunderlowperiodrepeatloadhavebeendone,acomparisonbetweentheresultofthefiniteelementnodemodelwiththeresultofthenodesolidmodel,aconclusionthattheresultofthefiniteelementanalysisandtheresultoftheexperimentareconsistenthavebeenobtained,thusitcanprovethatthefiniteelementnodemodelcanreflecttheforcesituationofthenode.Onthebasisofthisnodemodel,anewnodefiniteelementmodelcanbedrawedbychangingnodeconnection,thenalowperiodrepeatloadareappliedtothenewnodemedel,itshysteresiscurvesandotherrelatedparamentershavebennobtained,comparingitwiththeoriginalmodel,andthedifferencesoftheseismicperformancebetweenthesefiniteelementnodemodelshavebeenobtained.Thedifferencesoftheioint’searthquakeresistancesuchasdissipativecapacityandductilityperformanceofthedifferentformofconnectionnodemodelswhichareunderlowperiodrepeatloadisanalyzed.
Keywords:
light-weightsteeladdingstorey,node,lowperiodrepeatload,finiteelementanalysis,hysteresiscurve,seismicresistantproperty
目录
第一章绪论10
1.1研究背景10
1.2研究意义11
1.3国内外研究的现状及存在问题12
1.3.1国外概况12
1.3.2国内概况15
1.4研究的主要内容18
1.4.1课题描述18
1.4.2课题的主要研究内容19
第二章有限元分析的理论基础20
2.1概述20
2.2有限元方法的分析步骤21
2.2.1离散连续体21
2.2.2单元位移函数的选择21
2.2.3单元特性分析21
2.2.4整体分析23
2.3对于非线性方程组的求解方法23
2.3.1迭代法23
2.3.2增量法24
2.3.3混合法24
2.4收敛准则25
2.5ANSYS有限元分析26
2.5.1概述26
2.5.2ANSYS软件建模需要考虑的因素26
2.5.3ANSYS求解的基本步骤27
2.6本章小结28
第三章钢混柱节点低周反复荷载试验29
3.1试验概况29
3.1.1试验构件的设计29
3.1.2材料特性31
3.1.3试验装置及加载设备31
3.2试验加载过程简介33
3.2.1低周反复加载制度33
3.2.2低周反复试验33
3.3试验结果34
3.3.1试验现象简述34
3.3.2荷载—位移曲线34
3.3.3骨架曲线35
3.4本章小结35
第四章有限元模型的建立37
4.1节点模型的选取37
4.2有限元节点模型的理论基础37
4.2.1混凝土单元的相关理论基础37
4.2.2型钢柱中钢板单元的相关理论基础40
4.2.3钢筋单元的相关理论基础41
4.2.4加固钢板单元的相关理论基础41
4.3单元实常数的设置42
4.4材料的本构关系43
4.4.1混凝土的本构关系43
4.4.2钢筋的本构关系44
4.4.3加固用钢板的本构关系45
4.5其它材料参数的设置46
4.5.1混凝土及钢材的弹性模量、泊松比46
4.5.2混凝土的破坏准则46
4.5.3混凝土的屈服准则46
4.5有限元模型的建立47
4.5.1钢筋及加固钢板单元的建立47
4.5.2混凝土单元的建立47
4.5.3型钢柱单元的建立48
4.6约束的施加和求解设置49
4.6.1约束条件49
4.6.2荷载的施加49
4.6.3求解设置50
4.7计算结果的后处理50
4.8有限元分析结果与试验结果对比51
4.9本章小结52
第五章新型连接形式节点模型的建立及受力分析53
5.1新型连接形式节点模型的建立53
5.1.1新型连接形式的选取53
5.1.2刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的建立53
5.2刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的受力分析56
5.3本章小结59
结论与展望60
本文结论60
展望60
参考文献62
致谢64
第一章绪论
1.1研究背景
上世纪80年代之前,我国大中型城市中的民用房屋和住宅很大一部分都是低层或者多层建筑,在我国市场经济快速发展的今天,其中一些建筑物的使用面积已经不能很好地满足人们的使用要求了。
对于这部分建筑物,我们不能停止对其的使用,但是它们的使用面积却影响着自己的使用功能。
城市人口不断增长,居住规模不断扩大,这在一定程度上破坏了原本合理的城市环境容量。
近年来,大量农村劳动人员涌入城市,这加快了城市化的进程,对本来就已经很紧张的城市用地更是“雪上加霜”[1]。
另一方面,建筑物在长期的使用过程中,由于材料的老化、环境的侵蚀、损伤的累积、人为使用不当、工作荷载的改变以及自然灾害的影响等原因,致使大量的建筑需要加固和修复。
当今我国经济高速前进,城市的功能性和结构性的衰退将日益成为我国旧城改造的关键[2]。
对于旧城的综合改造不是一味的推倒重建,因为在很多情况下受到经济条件等方方面面因素的限制,使得全部重建实现起来困难重重。
因此,我们要从现实条件出发,旧城的改造要与旧城的新建并重。
部分地区采取大量占用城市周边耕地的方法来新建建筑物,扩大城市建筑的使用面积。
这不符合我国保护农村耕地的相关政策。
所以,在新城建设的同时,我们也要做好对旧有建筑物的改造和扩建工作。
这在一定程度上保护了我国宝贵的耕地资源。
有关部门曾经统计过,截止到1985年年底,我国城镇房屋面积达到46亿平方米,以50年的设计使用标准来计算,这些建筑物大部分进入了自己的“中老年”服役时期。
一些建筑物需要进行及时的鉴定、修缮和加固,这样可以延长它们的使用寿命。
另一方面,一部分旧有建筑物在建设初期缺少整体的规划,房屋层高及房屋布局不是很合理,特别是近些年人们的生活水平普遍提升,这些旧有建筑物的使用功能越来越不能符合人们的要求了。
针对这些现象,我们对那些旧有的占地面积大且层数低的建筑物进行加层改造,提高它们的使用功能就具有了很好的现实意义。
建筑物加层改造有助于缓解城市的用地紧张,提高人民的居住条件,加速城区的改造。
因此,对于旧有建筑物的加层改造依靠其技术上和经济上的特有优势在改建既有建筑物的市场中占了越来越大的比重。
在旧有建筑物上进行加层改建具有诸多优点:
1)有效地提高了单位土地面积住房的容积率[3],缓解城市建筑用地紧张,增加城市建筑面积,在一定程度上保护了耕地资源。
2)施工周期短,有助于实现现有的城市配套设施的充分利用,减少拆迁和征地费用。
3)在加层改造的过程中,不仅仅增加了旧有建筑物的使用面积,同时调整了建筑物的平面和立面的布局,使建筑物无论从使用功能上还是室内外美观程度上都得到了提升。
这既改善了人民的居住条件,又美化了城市的市容市貌。
4)我国有近170多个城市位于7度以上的地震活动带上,70年代之前所建的房屋大部分没有将抗震设计考虑进去,针对这种情况,我们在对房屋进行加层改造的同时可以对它们进行抗震加固。
在增大房屋使用面积的同时,又提高了建筑物自身的抗震性能,对于建筑物的使用年限的延长也有所帮助。
5)建筑物在长期的使用过程中,其地基的承载力不断增长。
所以我们可以充分利用这一点,在不对地基做处理或者对地基做微处理的条件下对旧有建筑物进行结构加层。
这样可以给我们带来非常可观的经济效益。
6)建筑物的加层改造工作可以在不影响人们正常的生活、居住、办公的条件下进行。
这可以避免拆迁工作所带来的临时安置的问题。
终上所述,对于既有建筑物的加层改造符合我国现在的国情以及技术经济条件。
1.2研究意义
近年来随着我国经济的快速发展,大中型城市商业化和工业化规模不断扩大,城市中建设用地面积日益减小,部分旧有的建筑物由于其自身使用面积的限制,已经不能再很好的适应日益繁荣的市场需求。
对于这类建筑物,我们需要扩大其使用面积来满足人们对其使用功能的要求。
对于这种情况,采取建筑加层的方式可以有效地增加旧有建筑的使用面积,进而提高建筑物的使用性能。
首先,选择在旧有建筑物上加层,几乎不占用新土地或者占用很少部分土地,这就缓解了当今城市中土地资源日趋紧张的形势。
其次,相对于推倒重建,在建筑物上加层需要投入的资金要少得多。
在资金紧张的时候,加层可谓是一种行之有效的举措。
轻钢加层作为一种应用相对成熟的结构面积改造技术,具有地震作用小、自重轻等诸多优点。
与此同时,轻钢加层也存在一定的缺点:
轻钢加层后,建筑物成为了“下部重上部轻”,“下部刚上部柔”的质量与刚度不均匀分布体系。
这会影响到建筑物的整体协作抗震能力。
因此,对于在旧有建筑上采用轻钢结构加层的技术研究,越来越多的受到了结构设计工作者和业主的重视。
轻钢结构加层主要可以分为三种方式,即直接加层法、改变荷载传递法和外套结构跃层法。
对于不同的既有建筑物,要采用适合的方法进行加层改造。
对于结构设计工作者而言,如何能够设计出保证加层后建筑物具有较高抗震性能的加层方式显得尤为重要。
无论采取何种加层方式,轻钢加层的节点设计都是非常重要的。
传统意义上讲,钢柱脚节点可以分为刚接柱脚和铰接柱脚两种形式。
对于铰接柱脚和刚接柱脚,基础都可以承受轴向传来的压力和位于水平方向的剪力,不同的是:
采用刚接柱脚的形式,基础还可以承受上部加层传导下来弯矩。
为了进一步提高柱脚节点的抗震能力,我们还在铰接节点和刚接节点的基础上根据实际工程经验以及柱脚节点的受力、穿力特点设计出了不同形式的柱脚节点。
作为连接原有建筑和新加钢层的重要部位,我们必须要重点研究不同钢柱节点形式的抗震性能。
只有在了解并掌握了不同节点形式的抗震性能特点之后,我们才能准确地将不同的节点形式用在合适的建筑加层之中。
从而确保我们在进行建筑物加层设计时,既要保证加层后的房屋安全可靠且抗震性强又要避免钢材的浪费。
1.3国内外研究的现状及存在问题
1.3.1国外概况
从二战结束到现在的半个多世纪里,世界主要发达国家的市政建设可以大略地划分为三个大的时期。
首先是大面积的新建;其次是边新建边维修改造;最后是旧房维修与改造。
上世纪70年代末,一些西方发达国家陆续跨入了第三个时期。
这些国家在解决了人民基本居住问题后,对于旧有建筑物的改造与加固维护工作投入了越来越多的精力。
在当今世界范围内,众多发达国家,例如美国、日本、加拿大、意大利、英国等都在不同程度上通过立法和出台相应的政策来提升、规范旧有建筑物改造维修的行业。
美国把维修改造既有建筑物和新建建筑物视为同等重要,侧重于开发研究维持老城区原有历史风貌,升级建筑内部设施并且保持建筑外部旧有面貌的建筑改造升级方法。
1977年,日本出台了相关政策,重点着手于旧有公产住宅房屋的改造以及高层房屋的维护技术。
前苏联出台了规定,减少旧房屋的拆迁数量,定期修缮改造那些具有保留价值的建筑物,与此同时在莫斯科等地专门成立了负责对旧有建筑物进行维修改造工作的建筑设计院,在原建筑物上加层改造是这些设计院的一项重点设计研究内容。
英国将居民房屋住宅发展计划的中心设为对旧有建筑物的加固改造,从70年代开始,转变了城市建筑的发展模式,由原来的大量拆迁重建转化成为对既有建筑的内部升级和结构维修改造。
瑞典在1983年的时候,全国用于对旧有建筑修缮改造的费用已经占到了建筑总投资的一半。
相关资料显示,美国和英国的建筑维修和升级改造的市场早在1985年就进入了相对鼎盛的时期,其全国对于工商业和办公建筑物的升级改造费用达到了965亿美元。
房屋的加层工作已经从低层建筑加层发展到了高层建筑加层,位于美国俄克拉荷马州的JulsaOklahoma中州大厦(图示1)是很具有代表性的加层建筑。
中州大厦原来共16层,在原楼内部新建内筒结构后,在之上新加了21层,成为世界上加层最多的建筑物。
位于意大利南部港口城市那不勒斯政府大楼(图示2)的加层改造工程很有特点,该建
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