用于轻钢住宅的套筒式梁柱节点抗震性能研究

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1、 分类号 UDC 密 级 学 号 1108140749 硕士学位论文硕士学位论文 用于轻钢住宅的套筒式梁柱节点抗震性能研究用于轻钢住宅的套筒式梁柱节点抗震性能研究 刘刘 辉辉 学学 科科 门门 类：类： 工工 学学 学学 科科 名名 称：称： 结构工程结构工程 指指 导导 教教 师：师： 潘秀珍潘秀珍 副教授副教授 申申 请请 日日 期：期： 2014 年年 3 月月 用于轻钢住宅的套筒式梁柱节点抗震性能研究 刘辉 西安理工大学 西安理工大学硕士学位论文 西安理工大学硕士学位论文 Abstract 西安理工大学硕士学位论文 overall mechanical performance Key

2、words:outer-shell connection；seismic behavior；finite element analysis；side plate This research was supported by Xian Urban and Rural Construction Committee Item（ID： SJW201219） 目录 I 目录目录 1 绪论.1 1.1 研究背景与意义.1 1.2 国内外研究进展.5 1.2.1 国外研究进展5 1.2.2 国内研究进展5 1.3 主要研究内容.9 2 非线性有限元分析理论基础及有限元模型验证.11 2.1 非线性有限元分析

3、理论基础.11 2.1.1 结构非线性基本概念11 2.1.2 几何非线性分析12 2.1.3 材料非线性分析14 2.2 有限元模型有效性验证.16 2.2.1 模型几何尺寸及参数17 2.2.2 ANSYS 有限元模型的建立.17 2.2.3 ANSYS 结果分析过程.21 2.2.4 计算结果比较23 2.2.5 有限元分析结果和试验结果的误差分析24 2.3 本章小结.24 3 方钢管柱与 H 型钢梁套筒式连接节点参数研究27 3.1 不同外套筒厚度对节点受力性能的影响分析.27 3.1.1 单向加载下节点有限元结果分析比较27 3.1.2 循环加载下节点有限元结果分析比较33 3.1

4、.3 不同外套筒厚度对节点受力性能影响小结40 3.2 不同外套筒高度对节点受力性能的影响分析.40 3.2.1 单向加载下节点有限元结果分析比较40 3.2.2 循环加载下节点有限元结果分析比较.44 3.2.3 不同外套筒高度对节点受力性能影响小结48 3.3 本章小结.48 4 侧板加强方案用于方钢管柱与 H 型钢梁套筒式连接节点非线性有限元分析51 4.1 侧板参数设计.51 4.2 有限元模型的建立.52 西安理工大学硕士学位论文 II 4.3 单向加载下节点有限元结果分析比较.52 4.3.1 节点承载力对比53 4.3.2 节点延性对比54 4.3.3 节点应力云图对比54 4.

5、4 循环加载下节点有限元结果分析比较.55 4.4.1 滞回曲线对比.55 4.4.2 骨架曲线对比57 4.4.3 承载能力退化对比57 4.4.4 刚度退化对比58 4.4.5 耗能能力对比59 4.5 本章小结.60 5 结论与展望.61 5.1 结论.61 5.2 展望.62 致谢.63 参考文献.65 附录 A.69 在校期间所发表的论文.77 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景与意义研究背景与意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高 【1】 ， 住宅建设持续空前发展。 我国自 1996 年以后，每年竣工的城市住宅面积约为 911 亿，乡镇住宅面积约为几十亿。住宅建 设既是

6、普通老百姓的生活需要，也是中国人民奔向小康社会的重要标志。然而，传统的土 木建筑住宅因使用功能和材料单一、 耗费资源大、 高能耗、 建设周期长和较差的抗震性能， 越来越不适应现代社会的快速发展和人民生活质量日益提高的要求。据 【2】国家发改委已 经公布的数据可知“目前，全国共有 9 万多家砖瓦企业，其总占地面积约为 3300 多万， 每年总共生产粘土砖高达 6000 多亿块，粘土资源耗费将近 10 多亿 m。据测算，每年消 耗的土地资源相当于一个年产 3 亿吨粮食的县（市）全部耕地。 ”改革开放以来，我国经 过多年的高速发展，已经成为世界上最大的混凝土建筑和砌体建筑国家。但与此同时，建 筑活动

7、产生的废水和温室气体对环境造成了非常严重的污染。 更何况砖、 混凝土都属于不 可再生资源，一经使用后便会产生大量的难以处理的建筑垃圾。因此，更加安全、舒适、 健康、绿色和节能等的住宅越来越受大众的喜爱。所以，一方面积极研究和加快推广具有 优美的造型、方便使用、优良的结构性能、施工快速便节、合理造价的建筑住宅体系，另 一方面努力提高住宅建筑所具有的科技水平， 使我国老百姓生活安定美满， 这些都具有极 其重要的应用价值和现实意义。 轻型钢结构一般是指以轻型焊接和高频焊接型钢、 轻型热轧型钢、 轻型冷弯薄壁型钢、 薄钢管、薄钢板及由这些构件焊接、拼接而成的组合构件等为主要的主体受力构件，且隔 离材料

8、大量采用轻质围护材料的底层和多层钢结构 【3- 4】 。 以这种结构建造的住宅是一种新 的建筑体系，涉及的材料是新型建筑材料，设计方法是“建筑、结构、设备与装修一体化” 的新方法，是住宅建筑产业化的一种形式。这种“未来住宅” 【5】在住宅建设中具有独特的 优势 【6】 ：1）轻钢结构住宅自重轻、强度较高、抗震性能较好。由于采用了轻型屋顶及墙 体结构，轻钢结构可减轻结构自重的 30%左右，这不仅使住宅的抗震性能得到很大提高， 而且大幅度降低基础造价。2）施工速度快，建设工期短。在工厂预制而成的轻钢结构被 运到现场后，只要用铆钉、螺栓锁紧或部分被焊接，就可以完成整个构件和结构的组装工 作，几乎全部

9、是干作业，装配化程度高，几乎无需支模，受气候影响极小，建设简便高效 快速，与相同情况下钢筋混凝土工程所用工期相比减少 75%80%，回收资金快，大大提 高投资效益。3）便于定型化、工业化生产。轻钢构件可全部由专门的工厂制作加工，容 易保证质量。4）可以灵活布置建筑空间，满足不同需求的住户对住宅功能的要求。轻钢 结构可灵活布置大柱距、 大跨度或大开间的建筑平面， 设计非承重墙体来灵活布置室内的 分区和设置局部或全部敞开区。5）有利于环保。轻钢结构对周围环境污染较小，所采用 的大部分材料均为可回收再生资源，符合国家对可持续发展和环保的法律法规要求。 当然，轻钢结构也有一些弱点 【7】 ，主要是防火

10、和防锈功能相对较弱，传音效果明显。 西安理工大学硕士学位论文 2 但随着高科技的发展，设计的改进，先进的防火材料、防锈涂料及新型的耐火耐候钢相继 问世，这些不足都将得到较好的解决。 在美国、日本、英国、澳大利亚等这些经济非常发达的国家，由于经济高速发展后， 人们越来越重视环境保护和资源的可回收利用， 这使得轻钢结构住宅在这些国家得到了广 泛的发展和应用。 早在 1960 年澳大利亚就在建筑领域提出了一个新的概念，即把轻钢结构发展成为一 种快速安装与预制的新型住宅。 但是由于当时澳大利亚的国内市场尚未发展成熟， 所以并 没有使轻钢结构得到较好的发展。1987 年，高强度冷弯薄壁型钢问世，这种钢材

11、具有的 显著特点是不仅承载力较高，而且重量较轻。比如将它与相同承载力的木材相比，只占木 材重量的 1/3。高强度冷弯薄壁型钢在表面经过镀锌处理以后，在正常使用和维修的情况 下，其耐久性可以长达 75 年。1996 年，澳大利亚与新西兰共同颁布实施了冷弯成型结构 钢联合规范（AS/NZS4600） ，为轻钢结构住宅的发展提供了技术保证 【8】 。 据报道，在美国轻钢结构发展极为迅速。在 1965 年，轻钢结构仅占美国建筑市场份 额的 15%左右，但到了 1990 年所占比例已经升到一半左右，三年后更是达到 68%，2000 年时已经升到 3/4。住宅建筑所用部品和构件的系列化、标准化及其社会化、

12、商品化和专 业化程度已经非常高，几乎达到近乎 100%。各种设备、仪器和施工机械等租赁化程度非 常发达，商品化程度高达到 40%左右 【9】 。轻钢结构在加拿大已被广泛地应用于各类高层 建筑当中，其主要被用于主体结构当中的外维护墙、幕墙、隔墙、填充墙及屋顶体系和屋 架 【10】 。 近些年， 全部由冷成型钢的轻钢龙骨体系所建造的结构建筑正作为一种新兴的建筑方 法在欧美各国快速发展，已经成为一种可以订购的“特殊商品” ，广泛应用于商业建筑、 住宅、医院、别墅、学校等。在澳大利亚，每年约有 120000 栋的轻钢龙骨独立式住宅建 成，花费高达 6 亿美元，约占整个澳大利亚建筑业产值的 24%左右；

13、在美国，采用该体 系建造的房屋从 1995 年的 55000 栋剧增到 2000 年的 325000 栋 【11】 。 目前这种轻型钢结构 已成为发达国家主要的建筑结构形式。 我国钢结构住宅建筑技术研发起步较晚，自从 2000 年我国首次召开钢结构住宅技术 研讨会以来， 全国积极开展有关钢结构住宅的科研和工程实践活动。 不仅有许多高等院校 和科研院所进行了大量的专项科学技术研究， 取得了丰富的成果， 而且有许多企业进行了 各种形式的新型建筑材料开发和钢结构住宅工程试点， 积累了丰富的工程经验。 近几年来， 在我国出现的钢结构住宅建筑形式有：以国产 H 型钢结构体系居多（图 11） ，墙体采用

14、砌块填充， 造价与钢筋混凝土结构基本持平， 也有从国外引进的冷弯薄壁型钢低层住宅工 程（图 12） ，还有自主研发的轻钢框架配套水泥基的复合保温墙板和屋面板，建造成低 层和多层的钢结构住宅工程（图 13） 。目前，我国的钢结构住宅在技术、质量以及建设 数量上与国外发达国家相比存在差距较大， 主要表现在建材业不发达， 与钢结构配套的轻 质板材几乎没有，能见到的几乎是国外的产品，如 OSB 板、纤维水泥板等，国产板材工 绪论 3 厂化程度低，科技含量不高，没有形成规模。企业没有形成产业链， “产、学、研”脱节； 产品不配套， 片面理解钢结构住宅就是钢结构， 忽视了住宅建筑功能的成套技术开发 【12

15、】 。 （a）多层或高层建筑 （b）低层建筑 图 11 热轧 H 型钢结构住宅 Fig.11 Hot-rolled H-shaped steel housing （a）冷弯薄壁 C 型钢龙骨式建筑 （b）冷弯薄壁钢管桁架龙骨式建筑 图 12 从国外引进的钢结构住宅 Fig.12 Steel housing abroad （a）轻钢框架结合轻质复合保温板 （b）可再生能源与建筑一体化 图 13 我国轻型钢结构住宅 Fig.13 Light steel structure housing in China 为了促进轻钢结构住宅在我国得到广泛发展， 住房和城乡建设部已于 2010 年 4 月 17

16、西安理工大学硕士学位论文 4 日颁布了我国第一部有关轻钢结构住宅的规范轻型钢结构住宅技术规程 JGJ209-2010（以下简称“规程” ） 。该“规程”已于 2010 年 10 月 1 日起正式实施，为我 国轻型钢结构住宅行业提供了法律依据及行业标准 【13】 。 国内目前的钢材产量非常充足， 已有一些科技成果和一批轻型钢结构住宅试点工程与 示范建设经验，我国的轻型钢结构住宅发展已经具备了较好的技术和物质基础。 “规程” 的顺利出台，预示着我国轻钢住宅产业将要进入一个崭新的高速发展阶段。 轻型钢结构住宅为了适应住宅的特殊要求， 又要体现轻钢结构的技术优点， 满足社会 多样化的需求，还有不少问题需要研究 【7】 ：1）适用的结构体系与选型的研究。2）构件 与节点的设计研究。3）结构优化设计的研究。4）软件的开发研究。 在钢结构设计工作中， 连接节点的设计是一个非常重要的环节。 梁柱节点主要作用是 传递两者之间的弯矩和剪力。为使连接接点具有足够的强度和刚