開題報(bào)告 -高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗側(cè)力體系性能案例分析

1、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗側(cè)力體高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗側(cè)力體系性能的案例分析系性能的案例分析 匯匯 報(bào)報(bào) 人：人： * * *指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： * * * *2012級碩士開題報(bào)告級碩士開題報(bào)告報(bào) 告 提 綱研究背景及意義相關(guān)研究工作預(yù)期結(jié)果研究進(jìn)度研 究 背 景 及 意 義1 研究背景研究背景 鋼框架結(jié)構(gòu)具有普通框架平面布置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、鋼框架結(jié)構(gòu)具有普通框架平面布置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在抗震設(shè)防等構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在抗震設(shè)防等級較高的地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)材料本身延性好，能夠吸收更多的級較高的地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)材料本身延性好，能夠吸收更多的外加能量因而抗震性能優(yōu)

2、于混凝土框架，從而大量應(yīng)用于外加能量因而抗震性能優(yōu)于混凝土框架，從而大量應(yīng)用于高層建筑中。但是純鋼框架又有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是側(cè)高層建筑中。但是純鋼框架又有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是側(cè)向剛度低，水平荷載作用下變形較大，難以滿足設(shè)計(jì)要求。向剛度低，水平荷載作用下變形較大，難以滿足設(shè)計(jì)要求。若是在框架內(nèi)部添加抗側(cè)力構(gòu)件，通過抗側(cè)力構(gòu)件來抵抗若是在框架內(nèi)部添加抗側(cè)力構(gòu)件，通過抗側(cè)力構(gòu)件來抵抗來自水平方向的荷載，這樣側(cè)向剛度增強(qiáng)，層間位移以及來自水平方向的荷載，這樣側(cè)向剛度增強(qiáng)，層間位移以及變形的控制有了保障。除了傳統(tǒng)的增加側(cè)向支撐外，近年變形的控制有了保障。除了傳統(tǒng)的增加側(cè)向支撐外，近年來一些新興的抗側(cè)力

3、體系如鋼板剪力墻，組合剪力墻等，來一些新興的抗側(cè)力體系如鋼板剪力墻，組合剪力墻等，這些新型結(jié)構(gòu)體系越來越多的被應(yīng)用于高層建筑中。這些新型結(jié)構(gòu)體系越來越多的被應(yīng)用于高層建筑中。研 究 背 景 及 意 義2 研究意義研究意義 我們知道在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了要考慮樓面人員、設(shè)我們知道在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了要考慮樓面人員、設(shè)備和結(jié)構(gòu)自重所帶來的豎向荷載外，還要考慮地震作用，備和結(jié)構(gòu)自重所帶來的豎向荷載外，還要考慮地震作用，風(fēng)荷載所帶來的水平向荷載。這些來自自然界的外加能量，風(fēng)荷載所帶來的水平向荷載。這些來自自然界的外加能量，對于結(jié)構(gòu)的破壞是很嚴(yán)重的。平常我們在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)對于結(jié)構(gòu)的破壞是很嚴(yán)重的。平常我們在

4、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)置一些抗震構(gòu)造措施是很必要的，但是解決問題的根本還置一些抗震構(gòu)造措施是很必要的，但是解決問題的根本還是結(jié)構(gòu)在選型時(shí)，是否選擇了合適的抗側(cè)力體系來抵抗側(cè)是結(jié)構(gòu)在選型時(shí)，是否選擇了合適的抗側(cè)力體系來抵抗側(cè)向荷載的作用。向荷載的作用。 說到地震，我們就不得不提及說到地震，我們就不得不提及4.20蘆山地震。蘆山地震。4月20日，四川雅安，7.0級地震！研 究 背 景 及 意 義3 本次研究內(nèi)容本次研究內(nèi)容 翻閱了國內(nèi)外大量的資料與文獻(xiàn)，多集中于對兩種抗側(cè)力體系性翻閱了國內(nèi)外大量的資料與文獻(xiàn)，多集中于對兩種抗側(cè)力體系性能的比較分析，通過不同的加載方式，仿真模擬得出數(shù)據(jù)，揭示內(nèi)部能的比較分析

5、，通過不同的加載方式，仿真模擬得出數(shù)據(jù)，揭示內(nèi)部變化規(guī)律與影響因素。變化規(guī)律與影響因素。 在本例中我們也采用相類似的研究方法。在本例中我們也采用相類似的研究方法。參考相關(guān)文參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合工獻(xiàn)，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行程實(shí)例進(jìn)行資料整理資料整理使用數(shù)值軟使用數(shù)值軟件進(jìn)行模擬件進(jìn)行模擬分析結(jié)果，分析結(jié)果，歸納總結(jié)歸納總結(jié)研 究 背 景 及 意 義純鋼框架點(diǎn)擊添加文本鋼框架內(nèi)填混合剪力墻鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻鋼框架內(nèi)填混凝土剪力墻PKPM中SATWE模塊進(jìn)行抗震分析相同的結(jié)構(gòu)形式相同的結(jié)構(gòu)形式相同的結(jié)構(gòu)形式相同的結(jié)構(gòu)形式相同的結(jié)構(gòu)形式鋼框架-側(cè)向支撐PKPM中SATWE模塊進(jìn)行抗震分析PKPM中SATWE

6、模塊進(jìn)行抗震分析相同的結(jié)構(gòu)形式鋼框架-側(cè)向支撐相同的結(jié)構(gòu)形式鋼框架-側(cè)向支撐純鋼框架相同的結(jié)構(gòu)形式純鋼框架相同的結(jié)構(gòu)形式鋼框架內(nèi)填混凝土剪力墻相同的結(jié)構(gòu)形式鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻相同的結(jié)構(gòu)形式框架內(nèi)填混合剪力墻相同的結(jié)構(gòu)形式研 究 背 景 及 意 義 通過通過PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，分析地震作用下的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)分析軟件，分析地震作用下的強(qiáng)度、剛度以及延性的變化規(guī)律，并通過互相比較，得出幾種常剛度以及延性的變化規(guī)律，并通過互相比較，得出幾種常見抗側(cè)力體系的優(yōu)劣以及適用區(qū)域與范圍。這對于以后結(jié)見抗側(cè)力體系的優(yōu)劣以及適用區(qū)域與范圍。這對于以后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，抗側(cè)力體系的選取方面具有指導(dǎo)意義。同時(shí)，構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，抗

7、側(cè)力體系的選取方面具有指導(dǎo)意義。同時(shí)，也填補(bǔ)了相關(guān)文獻(xiàn)在這方面的空白。也填補(bǔ)了相關(guān)文獻(xiàn)在這方面的空白。4 技術(shù)路線及實(shí)施方案技術(shù)路線及實(shí)施方案 本課題采用有限元數(shù)值模擬的方法對于純鋼框架、本課題采用有限元數(shù)值模擬的方法對于純鋼框架、鋼框架鋼框架-側(cè)向支撐、鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻、鋼框側(cè)向支撐、鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻、鋼框架內(nèi)加鋼板剪力墻以及鋼板剪力墻外包混凝土板的結(jié)構(gòu)形架內(nèi)加鋼板剪力墻以及鋼板剪力墻外包混凝土板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬，模擬結(jié)合實(shí)際的工程案例進(jìn)行。式進(jìn)行模擬，模擬結(jié)合實(shí)際的工程案例進(jìn)行。研 究 背 景 及 意 義 利用利用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，在結(jié)構(gòu)分析軟件，在PMCAD中結(jié)

8、合實(shí)際工程中結(jié)合實(shí)際工程的建筑圖紙建立模型。的建筑圖紙建立模型。 SATWE模塊會(huì)自動(dòng)提取模塊會(huì)自動(dòng)提取PMCAD所需要的數(shù)據(jù)，結(jié)合所需要的數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行抗震分析。當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行抗震分析。 結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，研究對比各個(gè)結(jié)構(gòu)的層間位移、平結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，研究對比各個(gè)結(jié)構(gòu)的層間位移、平均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側(cè)力體系均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側(cè)力體系的實(shí)際抗側(cè)力性能，可能影響性能的一些外在因素。的實(shí)際抗側(cè)力性能，可能影響性能的一些外在因素。 總結(jié)每種結(jié)構(gòu)在符合經(jīng)濟(jì)合理的條件下，使用的分布總結(jié)每種結(jié)構(gòu)在符合經(jīng)濟(jì)合理的條件下，使用的分布范圍，對于以后設(shè)計(jì)中，

9、結(jié)構(gòu)選擇這方面有著指導(dǎo)作范圍，對于以后設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)選擇這方面有著指導(dǎo)作用。用。相 關(guān) 研 究 工 作 比較常用的抗側(cè)力體系有：抗彎框架、中心支撐框架、偏比較常用的抗側(cè)力體系有：抗彎框架、中心支撐框架、偏心支撐框架、防屈曲支撐框架、鋼筋混凝土剪力墻、鋼板心支撐框架、防屈曲支撐框架、鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻以及以上各種形式的組合等。由于抗彎框架主要依剪力墻以及以上各種形式的組合等。由于抗彎框架主要依靠節(jié)點(diǎn)剛度抵抗側(cè)向荷載，抗側(cè)能力有限。鋼框架加上側(cè)靠節(jié)點(diǎn)剛度抵抗側(cè)向荷載，抗側(cè)能力有限。鋼框架加上側(cè)向支撐，側(cè)向支撐多為桿件，隨著側(cè)向荷載增加，桿件的向支撐，側(cè)向支撐多為桿件，隨著側(cè)向荷載增加，桿件

10、的截面也會(huì)跟著增加，同時(shí)如果桿件過長還會(huì)引發(fā)面外穩(wěn)定截面也會(huì)跟著增加，同時(shí)如果桿件過長還會(huì)引發(fā)面外穩(wěn)定性的問題，所以在抗側(cè)力方面能力有限。根據(jù)前人的文獻(xiàn)性的問題，所以在抗側(cè)力方面能力有限。根據(jù)前人的文獻(xiàn)資料來看，鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻，由于鋼筋混凝資料來看，鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻，由于鋼筋混凝土相比鋼框架的剛度大很多，可以有效地抵抗側(cè)向荷載，土相比鋼框架的剛度大很多，可以有效地抵抗側(cè)向荷載，同時(shí)鋼筋混凝土的造價(jià)很低，經(jīng)濟(jì)性符合我國的基本國情，同時(shí)鋼筋混凝土的造價(jià)很低，經(jīng)濟(jì)性符合我國的基本國情，因而前人在這方面的研究很多。因而前人在這方面的研究很多。相 關(guān) 研 究 工 作 但是該結(jié)構(gòu)也存

11、在一些弱點(diǎn)，即混凝土脆性大，震后修復(fù)但是該結(jié)構(gòu)也存在一些弱點(diǎn)，即混凝土脆性大，震后修復(fù)困難大等缺陷。鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻是最近新興的抗側(cè)困難大等缺陷。鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻是最近新興的抗側(cè)力體系，由于鋼板直接承受側(cè)向荷載，滯回曲線成飽滿的力體系，由于鋼板直接承受側(cè)向荷載，滯回曲線成飽滿的梭型，可見有很好的吸能、耗能能力。但是鋼板厚度過厚，梭型，可見有很好的吸能、耗能能力。但是鋼板厚度過厚，經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)差，很難大面積推廣，同時(shí)相關(guān)規(guī)定不健全，經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)差，很難大面積推廣，同時(shí)相關(guān)規(guī)定不健全，有待于進(jìn)一步研究。相關(guān)學(xué)者研究方向?qū)杏诖?。相對有待于進(jìn)一步研究。相關(guān)學(xué)者研究方向?qū)杏诖?。相對于厚?/p>

12、剪力墻，又提出了于厚板剪力墻，又提出了“薄板剪力墻理論薄板剪力墻理論”，圍繞相關(guān)，圍繞相關(guān)理論，催生出混合剪力墻體系，利用外包混凝土蓋板限制理論，催生出混合剪力墻體系，利用外包混凝土蓋板限制薄板外鼓，保證強(qiáng)度的穩(wěn)定性。在這方面的研究課題也很薄板外鼓，保證強(qiáng)度的穩(wěn)定性。在這方面的研究課題也很多。多。相 關(guān) 研 究 工 作 最初的研究工作還得從最初的研究工作還得從Benjamin & Williams ，Holmes對單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行單調(diào)加載，從而得出結(jié)構(gòu)的側(cè)向極限承載對單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行單調(diào)加載，從而得出結(jié)構(gòu)的側(cè)向極限承載力開始。隨后的幾十年間，人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)對于風(fēng)載和地震力開始。隨后的幾十年間，人們?yōu)榱藢?shí)

13、現(xiàn)對于風(fēng)載和地震等振動(dòng)現(xiàn)象的模擬，想出了很多加載方法用于模擬結(jié)構(gòu)的等振動(dòng)現(xiàn)象的模擬，想出了很多加載方法用于模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力現(xiàn)象，如循環(huán)加載，擬動(dòng)力加載和振動(dòng)臺等加載形式。動(dòng)力現(xiàn)象，如循環(huán)加載，擬動(dòng)力加載和振動(dòng)臺等加載形式。Mallick & Severn對于兩層縮小尺寸的鋼框架內(nèi)填剪力墻對于兩層縮小尺寸的鋼框架內(nèi)填剪力墻進(jìn)行半圈循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)填墻與鋼框架的角進(jìn)行半圈循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)填墻與鋼框架的角部連接區(qū)域增加剪力件雖然對于側(cè)向的強(qiáng)度沒有增強(qiáng)，但部連接區(qū)域增加剪力件雖然對于側(cè)向的強(qiáng)度沒有增強(qiáng)，但是對于側(cè)向剛度的影響還是很大的。是對于側(cè)向剛度的影響還是很大的。 相 關(guān) 研 究

14、 工 作 Makino et al學(xué)者為了了解鋼框架與內(nèi)填墻之間的受力機(jī)學(xué)者為了了解鋼框架與內(nèi)填墻之間的受力機(jī)理，采用兩組，一組兩個(gè)試件：一個(gè)試件工字型截面的強(qiáng)理，采用兩組，一組兩個(gè)試件：一個(gè)試件工字型截面的強(qiáng)軸與填充墻垂直，另一個(gè)試件為弱軸與填充墻垂直。第一軸與填充墻垂直，另一個(gè)試件為弱軸與填充墻垂直。第一組在鋼框架施加水平循環(huán)荷載至非彈性階段后澆筑內(nèi)填混組在鋼框架施加水平循環(huán)荷載至非彈性階段后澆筑內(nèi)填混凝土，第二組是在加載之前就已澆筑完畢。為了防止填充凝土，第二組是在加載之前就已澆筑完畢。為了防止填充墻出現(xiàn)面外破壞，填充墻與鋼框架之間設(shè)置少量栓釘，這墻出現(xiàn)面外破壞，填充墻與鋼框架之間設(shè)置少

15、量栓釘，這樣由于整體作用，混凝土邊緣就會(huì)出現(xiàn)均勻的裂縫。從實(shí)樣由于整體作用，混凝土邊緣就會(huì)出現(xiàn)均勻的裂縫。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，強(qiáng)軸與墻面垂直的試件顯示出了較好的延性，驗(yàn)結(jié)果看出，強(qiáng)軸與墻面垂直的試件顯示出了較好的延性，同時(shí)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第二組基本相同，可以看出鋼框架同時(shí)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第二組基本相同，可以看出鋼框架對于抵抗水平向的荷載并沒有起到想象中該有的作用。對于抵抗水平向的荷載并沒有起到想象中該有的作用。 相 關(guān) 研 究 工 作 對于鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是最近幾年新興的對于鋼框架內(nèi)填鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是最近幾年新興的結(jié)構(gòu)形式，因其優(yōu)秀的抗震耗能的特性被日本、美國等地結(jié)構(gòu)形式，因其優(yōu)秀的抗震耗

16、能的特性被日本、美國等地大量應(yīng)用。但是在設(shè)計(jì)研究的初期，由于將鋼板限制在彈大量應(yīng)用。但是在設(shè)計(jì)研究的初期，由于將鋼板限制在彈性階段，使用鋼板的彈性屈曲荷載作為鋼板的極限屈服強(qiáng)性階段，使用鋼板的彈性屈曲荷載作為鋼板的極限屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來的鋼板厚度很大，滯回曲線飽滿，強(qiáng)度度，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來的鋼板厚度很大，滯回曲線飽滿，強(qiáng)度和剛度都很大，但是用鋼量大一直制約著其大量推廣。我和剛度都很大，但是用鋼量大一直制約著其大量推廣。我國現(xiàn)行的國現(xiàn)行的高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 99-98）就）就是采用此方法是采用此方法 ，導(dǎo)致本應(yīng)該作為第一道防線的墻板，相，導(dǎo)致本應(yīng)該作為第一道防線

17、的墻板，相對框架的強(qiáng)度很高，對抗震極為不利。對框架的強(qiáng)度很高，對抗震極為不利。 相 關(guān) 研 究 工 作 在在1983年，一位加拿大的學(xué)者提出相對成熟的年，一位加拿大的學(xué)者提出相對成熟的“薄板屈薄板屈曲后強(qiáng)度的利用曲后強(qiáng)度的利用”，他認(rèn)為薄鋼板屈曲之后，并不能意味，他認(rèn)為薄鋼板屈曲之后，并不能意味著構(gòu)件的承載能力的喪失，墻板可以依靠對角線方向形成著構(gòu)件的承載能力的喪失，墻板可以依靠對角線方向形成的拉力帶繼續(xù)承擔(dān)側(cè)向荷載。的拉力帶繼續(xù)承擔(dān)側(cè)向荷載。 預(yù) 期 結(jié) 果 根據(jù)所查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，鋼框架的側(cè)向剛度最根據(jù)所查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，鋼框架的側(cè)向剛度最差，鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，由于側(cè)

18、向荷載全差，鋼框架內(nèi)填鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，由于側(cè)向荷載全部由鋼筋混凝土內(nèi)填墻承擔(dān)，因而抗側(cè)剛度最大。而鋼框部由鋼筋混凝土內(nèi)填墻承擔(dān)，因而抗側(cè)剛度最大。而鋼框架內(nèi)加鋼板剪力墻由于鋼板墻在側(cè)向力作用下，會(huì)向面外架內(nèi)加鋼板剪力墻由于鋼板墻在側(cè)向力作用下，會(huì)向面外鼓曲影響其受力性能，但是產(chǎn)生的拉力帶會(huì)繼續(xù)承擔(dān)側(cè)向鼓曲影響其受力性能，但是產(chǎn)生的拉力帶會(huì)繼續(xù)承擔(dān)側(cè)向荷載。而鋼板墻外加混凝土板的結(jié)構(gòu)，由于混凝土板的作荷載。而鋼板墻外加混凝土板的結(jié)構(gòu)，由于混凝土板的作用，有效地減少了鼓曲作用，預(yù)計(jì)側(cè)向剛度會(huì)大于單純的用，有效地減少了鼓曲作用，預(yù)計(jì)側(cè)向剛度會(huì)大于單純的鋼板剪力墻。鋼框架鋼板剪力墻。鋼框架-側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)，在承載后期，添加側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)，在承載后期，添加在內(nèi)部的斜撐由于壓桿失穩(wěn)，會(huì)產(chǎn)生面外的屈曲從而退出在內(nèi)部的斜撐由于壓桿失穩(wěn)，會(huì)產(chǎn)生面外的屈曲從而退出工作，但是抗側(cè)力性能以目前還不能斷定。工作，但是抗側(cè)力性能以目前還不能斷定。研 究 進(jìn) 度 2013年年3月月2013年年4月：閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和資月：閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和資料，了解研究領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，確定相關(guān)的研究方法。料