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土木工程视角下高层住宅钢框架-支撑结构的抗震性能研究

日期:2020年07月27日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:124
论文价格:150元 论文编号:lw202007192314117234 论文字数:39254 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文研究,本文以邯郸市某高层住宅为原型,根据不同的框架柱截面、不同的支撑布置形式建立了八种不同的钢框架-支撑结构模型,并进行了结构计算与分析,得出结论如下:1、高层住宅中采用钢框架-支撑结构是可行的,能满足建筑要求和结构设计要求。为便于采光及通风,我国高层住宅中一般 X 方向(南北两侧)开窗面积大于Y 向,X 向支撑布置少于 Y 向,使 X 方向的刚度弱于 Y 方向,从而导致 X 方向周期长、层间位移角大、支撑承担的倾覆力矩小。2、以刚度比为指标时,由工字钢柱变为箱形截面柱时,最大刚度比差值平均增加了 3.65%;由小支撑布置变为大支撑布置时,最大刚度比差值平均增加了5.82%;由人字支撑变为十字支撑布置时,最大刚度比差值平均增加了 4.89%,故应采用工字钢柱小人字支撑的布置形式,即应优先选择方案一。3、以层间位移和最大层间位移角为指标时,由工字钢柱变为箱形截面柱,最大位移平均可减小 1.70%;由小支撑布置变为大支撑布置,最大位移平均增加了2.22%;由人字支撑变为十字支撑布置时,最大位移平均减小了 1.76%,故应采用箱形截面小十字支撑的布置形式,即应优先选择方案七。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景

目前我国总人口数量已超过 14 亿,我国推进城镇化的进程中,定居在城镇的人口越来越多,使城镇常居人口数量迅速增长,甚至会超过城镇住宅能容纳的人口总量。因此,在城镇化进程中,如何有效利用土地面积,妥善处理人们的住房问题,合理解决人口增长带来的住房难题是非常重要的环节。近年来,我国的国民经济总体保持着稳定的增长趋势,房地产行业也保持持续繁荣的情况,人们对高层住宅的需求同样在不断的增长,我国高层住宅的建设正处于并将继续处于总量增长型发展时期[9]。

同时,随着我国环保意识的觉醒,结合我国可持续发展的重要战略,近年来我国对环境问题十分重视。然而传统住宅常用的结构体系为砌体结构和混凝土结构。这两种结构所用的主要材料在制备时会破坏生态环境;施工时现场会产生大量的湿作业,非常容易产生如扬尘和噪音等破坏环境的现象;并且这两种结构的材料几乎无法重复利用,改建、拆除时需要耗费大量的物资,很难处理由此产生的建筑垃圾,不利于环境保护。

针对以上两个问题,在建筑业中急需找到一种能适应住宅的使用需求、施工速度快、建筑材料绿色环保并且结构性能好的结构体系。而钢结构住宅则以其特殊的优势成为人们的第一选择。

钢结构中主体结构的主要材料是建筑钢材,钢材有着较好的匀质性,最符合材料性能中对理想弹性体的定义和假定。但是,我国建筑用钢仅占钢材总产量的1/5~1/4,比发达国家少很多[10]。我国的钢材产量在全球都屈指可数,据调查,我国的钢材产量已于 2018 年底突破 9 亿顿,能占世界的 50%。钢材在建筑中的应用主要是钢筋、钢绞线、钢丝及门窗等,而钢结构住宅所占比例很小。因此,加快钢结构住宅的探索和推广对我国钢铁行业的良性发展十分有利。

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1.2 钢结构住宅的发展状况

1.2.1 国外钢结构住宅的发展状况

钢结构住宅起源于国外,发展较早的国家主要包括:欧洲部分国家、日本、澳大利亚等,其中欧洲部分国家建设的多层和高层住宅较多,而日本、北美、澳大利亚等国家建设的低层住宅较多。

钢结构住宅早期的发展是由第二次世界大战造成的,由战争引起的房屋短缺问题刺激了住宅建筑在市场中的需求,同时也对钢结构住宅的发展产生了一定的影响,进而形成了较为完善的钢结构体系,为其不断发展夯实了基础。

钢结构建筑中最先出现的是轻钢结构[11]。目前常用的门式刚架在 20 世纪 40年代就出现了,配套的压型板、型钢檩条等围护体系则在 20 世纪 60 年代就已出现。目前低层住宅中轻钢结构仍然占据了较大比例。20 世纪 70 年代后,与钢结构设计相关的 CAD、CAM 技术快速发展,为多高层钢结构的发展提供了保障,钢结构设计和施工逐步走向了成熟。

意大利[11]采用 CAD、CAM 等技术提出了 BASIS 工业化建筑体系,这种体系采用钢框架-支撑的结构,梁柱均采用型钢,楼板采用组合楼板,适用范围为 1-8层的钢结构住宅。这种体系有着合理的受力结构、良好的抗震性能、较短的施工周期,同时还兼具了较高的标准化程度,因此该体系在欧洲得到了大力推广。

法国[12]的钢结构住宅在世界范围内都十分发达,它是全球最早推行建筑工业化的国家。其钢结构住宅的特点为:主体结构采用框架结构或板柱结构,室内空间可灵活分隔;连接节点采用焊接和螺栓连接,并尽量进行简化;施工时将构件生产和设备的维修安装分开进行,构件的产业化水平较高。

美国[13]是最早采用钢框架结构建造住宅的国家之一。美国轻钢框架住宅的数量有 1996 年就达到了 20 万幢,可占住宅总数的 20%,如今美国普遍的低层住宅中钢结构所占比例已超过 25%。目前,美国的钢结构住宅主要应用于层数较低的别墅和度假村中,高层钢结构多用于办公、商业等建筑中。

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第 2 章 抗震设计分析理论与方法


2.1 抗震设防的目标及设防标准

我国国土面积较大,跨越了不同的地震带,发生地震的概率很大,目前我国采用的抗震设计方法是以概率论为基础的。参考我国多次的地震震害经验,结合国外在抗震设计中采用的理论和概念,我国在结构抗震设计时需要达到的要求是“三水准两阶段”[5],其中“三水准”的主要内容如下:

1、小震不坏:当建筑结构承受较小等级的地震(低于本地区抗震设防烈度的地震)时,结构的变形处于可恢复的弹性阶段内,此时结构仍应满足承载能力极限状态,结构整体不发生显著的破坏,仍可维持在安全范围内继续使用。
2、中震可修:当建筑所在地受到中等程度的地震(即规范规定的抗震设防烈度)时,结构变形发展为弹塑性变形,会产生一定范围内的破坏,但不会危及人们的生命安全,经适当修理后即可继续使用。

3、大震不倒:当建筑所在地受到较大等级的地震(高于本地区抗震设防烈度的地震)时,结构产生较大变形,但不会突然倒塌,竖向构件在短时间内不发生严重破坏,能留给人们一定的逃生时间。

随着我国国民经济的不断发展,以上理论中小震、中震、大震所代表的地震重现期也会不断变化,目前规范规定的小震的重现期为 50 年,中震为 475 年,大震为 2000 年左右。要实现以上三个目标,需要通过两个阶段的设计来完成,主要步骤如下:

1、采用小震、中震的地震动参数,根据结构在弹性状态下地震作用效应与普通荷载效应的组合结果,选择出合适的构件尺寸,此时结构已能满足“小震不坏”的要求;然后对结构的层间位移角进行控制,使其满足规范要求,并且通过采用不同的抗震构造措施,保证结构的变形能力和耗能能力,此时结构已能满足“中震可修”的要求。

2、采用大震的地震动参数,计算出最不利的弹塑性层间位移角,并对其进行调整以满足规范要求,并且还需采用相应的抗震构造措施,使结构满足“大震不倒”的要求。

以上设计过程中,最重要的步骤是对结构的地震作用效应进行计算,因此需对结构抗震性能分析的方法进行学习和掌握。

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2.2 结构抗震性能分析理论和方法

进行结构的抗震性能分析时首先需要计算出结构所受到的地震作用,目前底部剪力法、反应谱法和时程分析法是最常用的地震作用计算方法。

2.2.1 底部剪力法

底部剪力法是最简单的一种方法,它是将结构简化为一个竖着的悬臂构件,嵌固端可看作是悬臂构件的刚接支座,上部结构中每层的质量都简化为相应高度处的质点,在每个主轴上只考虑质点的一个自由度。

遭受地震时,地震波通过基岩作用在基础上,计算地震作用就必须知道由地震产生的底部总剪力值。地震作用通过结构底部的嵌固端传递至上部结构,每层结构中仅在层高质点处受到水平的地震作用,随着高度增加,地震作用呈倒三角形分布,此时各质点受到的地震作用之和与底部受到的总地震作用是相同的,但各层的具体分布情况需通过具体的计算确定,计算出各层所受剪力后,就可计算相应的内力和变形。

因此,使用底部剪力法进行抗震设计时,需计算结构的总水平地震作用标准值并确定水平地震作用沿高度是如何分布的。

图 3-1 建筑平面
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第 3 章 结构布置和模型建立.............................. 17

3.1 软件简介.................................. 17

3.2 工程概况............................... 18

第 4 章 不同结构方案的计算结果及对比分析....................... 29

4.1 振型周期对比........................... 29

4.1.1 计算结果............................ 29

4.1.2 对比分析............................... 29

第 5 章 钢框架-支撑结构与装配式建筑.............................55

5.1 装配式建筑评价标准.............................. 55

5.1.1 国家标准........................ 55

5.1.2 地方标准...................... 56


第 5 章 钢框架-支撑结构与装配式建筑


5.1 装配式建筑评价标准

5.1.1 国家标准

我国于 2018 年 2 月 1 日起实施《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017,其中第 4.0.1 条给出的装配式建筑评分表如表 5-1 所示[6]。

表 5-1 装配式建筑评分表

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