土木工程论文栏目提供最新土木工程论文格式、土木工程硕士论文范文。详情咨询QQ:4006227154

存在损伤的土木工程既有钢框架结构在地震作用下的稳定性研究与应用

论文编号:lw201704021839555225 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年02月26日 论文作者:无忧论文网
第 1 章   绪论 

1.1   引言 
在十一届三中全会之后,我国的经济建设发展飞速,人民的生活质量、水平不断提升,城市建设的进程也越来越快。土木工程领域所使用的新型材料、构件形式不断被研究发现,其中钢结构所占比例逐渐增大。钢结构作为土木工程行业的一种主要结构形式,与传统结构相比,其塑性和韧性、轻质高强表现突出,抗震性能好、可做预制构件、安拆方便、绿色环保等被大量运用到土木工程的各个领域[1]。然而,在钢结构迅速发展的同时,各类钢结构工程也会由于无法抵抗外界荷载,达到其极限承载力而发生结构失稳,严重威胁人民生命安全。造成事故的原因有很多,或是由于地震、火灾、冰雪等自然灾害的作用,亦或是由于施工安装、设计、使用过程中对框架结构造成损害而造成钢结构工程事故[2]。 受损的钢框架结构在今后继续使用或是承受地震等灾难荷载作用下能否满足结构的正常使用,是人们最为关注的问题。针对钢框架结构的使用特性和特点,根据钢框架结构本身的损伤程度,对其受力性能进行深入研究,提出科学的框架结构计算方法,并为人们的合理决策提供科学依据。通过对既有钢框架结构受力性能进行的准确分析与评估,进而保证框架结构使用年限内人民生命财产安全。 目前,对于存在损伤的既有钢结构的安全鉴定、评估等方面的研究相对较少,处于初始阶段,在很多研究领域仍是空白。常用的钢结构框架的检测与鉴定并没有基于基本标准《建筑结构可靠度设计统一标准》[12]进行可靠性理论分析,而是参照《钢结构工程施工质量验收规范》[13]中的相关要求,仅从节点和构件的层次去鉴定评估,结合权重系数等方法分析结构的整体可靠性,片面的研究方法难以真实的反应钢结构的实际受力性能[2]。 计算机领域的不断发展,结构计算分析的水平也不断提高,国际上对于钢结构的研究也越来越多[12~14]。对既有钢框架结构的安全鉴定从结构体系方面进行分析评估必将是今后钢结构领域的发展趋势,符合国家防震减灾的方针政策,也有利于对人们的生命财产安全进行保护[2]。 为此,本文主要通过对钢结构进行损伤性能分析。提出通过减小钢框架构件的截面来模拟既有钢框架结构受损,建立有限元模型进行分析,并进行钢框架结构缩尺模型来验证有限元软件分析结果的有效性。
.........

1.2   选题的意义 
历次大地震的发生,都会导致一些结构的倒塌。而结构的倒塌直接造成人民生命和财产的巨大损失。据数据统计,全球平均一年有十余次大地震发生。在我国,2008 年汶川地震的伤口仍然隐隐作痛,其造成了 10 余万人的伤亡,经济上的损失更是惨重;20 世纪末的日本阪神地震,大量的建筑物、构筑物、基础设施多达 30 处发生倒塌,多达六千多人死亡,其中 3/4 的人民是让倒塌的建筑物压死的,经济损失达到一千亿美金。 我国的很多地区处于地震带,新中国成立后两次大地震——唐山大地震和汶川大地震,对我们的人员财产造成了极大的损失,使我们对地震有了更加深刻的认识,这些都使得我们必须对地震作用下结构的倒塌问题进行深刻的研究[3]。 从改革开放至今,随着钢框架结构在土木工程领域的广泛使用已有 20~30 年的历史,建筑材料、构件受到的微观以至宏观的损伤均与所承受的荷载、温度变化、化学和环境的作用密切相关。结构在整个全寿命周期中,或多或少都会受到各种因素的影响,比如构件安装过程中操作造成的影响,焊接缺陷,地震、强风等的作用,造成结构某些部位出现损伤。既有钢框架结构可能会遭受以上各种不利因素的影响,存在损伤的钢框架结构在继续使用的过程中,其受损部位会随着时间的增加、荷载的持续作用不断加剧从而导致结构发生破坏,将其称之为损伤累计破坏[10]。 既有建筑物、构筑物受到损伤后必定会对建筑物在今后服役期中的抵抗力和使用年限造成重大影响。结构受到损伤后并不断累积是造成建构筑物破坏的主要因素。但是,我们之前的研究几乎不考虑结构损失的累积,这种情况下钢结构研究结果一定是不准确的、片面的。所以,全面正确的对钢结构损伤进行分析,对钢结构的大力发展及推广具有十分重要的意义[11]。 
...........

第 2 章   受损截面力学性能研究 

2.1   受损截面加载模量计算方法 

承受弯矩的构件在截面受损时,其不同位置的损伤程度均不同。构件截面翼缘处的损伤与靠近中和轴的部位的损伤相比更为严重。因此将截面的平均弹性模量用来判定构件截面是否受损。 对存在损伤的受弯构件进行受力分析时,构件截面不同部位将产生不同的变形,变形值代入以上相应的公式中,得出各个受损部位的加载弹性模量并利用数学方法对相应面积处进行积分、平均,即可计算存在损伤的受弯构件平均加载弹性模量[2]。采用无损高度比来判断构件截面的损伤情况,将无损高度比与构件的损伤程度建立相关联系,并将其分成三个区间,来判断截面的受损情况[2]。 

........

2.2   无损高度比 K  
  构件截面的屈曲仅仅出现在翼缘的边缘,发生屈服的截面高度很小。这种情况的损伤并不会造成钢框架结构构件出现失稳现象,此时平均弹性模量的降低与无损情况相比变化甚微,几乎可以忽略不计,将这种状态的损伤定义为钢框架构件轻微受损[2]。 当外界荷载的增大,构件截面的屈曲范围不断增加,腹板和翼缘处均有屈曲发生,并且变形部分处的加载弹性模量的降低均处于第一阶段,即可将变形值代入式(2-2)中,通过计算得到平均加载弹性模量与无损情况相比,下降幅度不是很大,将这种状态的损伤定义为严重受损[2]。 随着构件屈曲截面的不断增大,翼缘处加载弹性模量的应用公式与靠近中和轴部分所使用的公式不同,截面加载弹性模量需要采用分段的方式进行计算,将该状态定义为极严重受损[2]。 因此,仅需对构件截面翼缘处全部进入屈曲后的状态进行损伤分析。图 2-1、2-2 为构件截面为严重、极严重损伤的示意图。 
.......

第 3 章   结构的动力稳定性 ........11 
3.1   结构失稳特性 ..........11 
3.2   结构动力稳定性理论 .......11
3.3   动力稳定性的判别准则 ........... 12 
3.3.1   Movchan- Lyapunov 第二方法 ............. 12 
3.3.2   B-R 准则........... 12 
3.3.3   Hsu.C.S(许皆苏)能量准则 ............. 13 
3.3.4   Simitses 势能准则 ..... 13 
3.4   不同类型结构动力稳定性研究 ........ 13 
3.5   本章小结 ........ 15 
第 4 章   钢框架结构动力分析 ............ 17 
4.1   非线性时程分析法 .......... 17
4.2   结构截面损伤后的动力稳定性有限元分析 ...... 21 
4.3   本章小结 ........ 28 
第 5 章   钢框架缩尺模型结构理论及试验分析 ........... 29 
5.1   试验仪器与试验设备 ...... 29
5.2   结构动力试验模型与原型相似关系 ......... 29 
5.3   模型结构试验结果分析 ........... 37
5.4   钢框架模型数值计算分析 ....... 51 

第 5 章   钢框架缩尺模型结构理论及试验分析 

5.1   试验仪器与试验设备 
本次试验在吉林省土木工程抗震减灾重点实验室进行完成。利用 DH3822 动态应变测试系统(图 5-1)进行实验数据采集,利用 WS-Z30-50 振动台进行加载,如图 5-2。如何得到建筑结构抵抗地震荷载的力学性能以及结构在地震动荷载作用下的破坏原理,是研究领域最为关注的热点[23]。随着计算机运行速率的大大提高,以及各种有限元分析软件的出现,使复杂结构在地震作用时的动力性能分析成为现实。但是有限元分析软件对于实际工程材料、构件之间的连接的定义还是存在一定的问题。对钢框架结构进行有限元分析的结果,还需利用结构动力模型试验、大型振动台试验校验其计算结果的准确性。结构模型试验既可以单独使用,也可以与理论结果进行对比,用来判断结构的安全性更具有一定的保障[23]。 要使试验模型与被模拟的原型结构满足物理力学相似,需要符合几个方面的相似关系。即几何尺寸相似、质量和重力相似以及初始条件相似。 
........

结论 

钢框架结构被大量用于工、民用建筑中。地震作用下钢框架结构的动力稳定性是主要的关注点,提出合理的抗震设计依据,从而保证人们生命安全。在实际工程中,钢框架结构在加工制作、安装、使用过程中会出现不同程度的损伤,由于损伤的出现造成钢框架结构的动力稳定性降低。因此,对受损框架结构动力性能及稳定性判别准则进行研究具有现实意义。经过研究,得出以下结论:      
(1)对于高层建筑结构其判断动力失稳的依据是第二类动力稳定,就是参考B-R 准则的动力稳定性判别方法,当荷载幅值的细小增量导致结构特征反向较大时,结构视为动力失稳。此