既有梁柱铰接钢框架结构鲁棒性提升方法数值模拟研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuehungulei
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建筑结构的连续性倒塌是指某构件的突然失效导致结构体系大范围坍塌的复杂动力过程,发生概率低,但是一旦发生,后果极为严重。防止建筑结构,特别是具有重要功能的结构发生连续性倒塌,具有十分重大的意义。目前,尽管很多国家都颁布了结构抗连续性倒塌设计规范,但是这些规范大都仅给出防止新建结构发生连续性倒塌的设计建议及规定,鲜能够找到关于提高既有结构抗连续性倒塌性能的加固方法的规定。大量研究表明,梁柱铰接钢框架结构(steel gravity framed structures,简称SGFS)在柱突然失效后发生连续性倒塌的风险很大,因此十分有必要对此类节点进行加强以保证结构体系具备足够的鲁棒性。为了解决这一问题,本研究拟提出明确的针对提升既有梁柱铰接钢框架结构鲁棒性的加强方法,并对这些方法的有效性和可行性进行系统分析并提出相应的设计建议。首先建立一“三柱二梁”形式的梁柱铰接钢框架结构的精细化数值计算模型,该模型考虑了梁、柱、铰接节点以及压型钢板组合楼板等结构构件。从材料、节点、结构体系等多层面对该模型进行系统化验证,以保证计算模型能够精确模拟在柱失效工况下结构的整体响应以及局部破坏。利用经过验证的模型研究了梁柱铰接平面钢框架结构在中柱失效工况下的抗倒塌力学机制,并在此基础上提出两类6种提升梁柱铰接钢框架结构鲁棒性的加强方法。第一类为柔性方法,通过提高节点的抗拉能力改善结构体系的鲁棒性,包括单角钢法、扩孔栓接盖板法和双角钢法。第二类为刚性方法,可同时改善节点的抗弯以及抗拉能力,以此提高原结构的鲁棒性,包括单面加腋法、双面加腋法以及焊接盖板法。采用数值模拟的手段研究不同加强方法对于原结构鲁棒性提升的效果,并分析其中的抗倒塌机理。此外,进行了针对单角钢法中角钢厚度以及扩孔栓接盖板法中螺栓孔扩孔尺寸的参数分析。研究表明柔性加强方法可以有效提升结构的极限抗倒塌能力以及延性,而刚性方法则可以使中柱上部节点在该柱突然失效后的竖向位移显著减小。最后,从加强设计目标、施工难易程度以及经济性等多方面讨论6种加强方法的可行性,并最终针对不同设防目标下的加强方法提出设计建议。
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