平面外加载下冷弯型钢蒙古包刚架受力性能探求

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论文字数:34454 论文编号:sb2021052315482935677 日期:2021-06-14 来源:硕博论文网
本文通过试验现象和数据分析,发现四个试件均满足抗震设计要求,因为平面内荷载条件下蒙古包由主刚架为主要受力构件,而平面外荷载条件下蒙古包无主刚架,由三榀刚架共同承担外荷载,所以平面外荷载条件下比平面内荷载条件下更能体现出蒙古包受力性能。在实际工程中,节点未焊接的六边形蒙古包即可满足需求,节点焊接可以适当增加结构承载能力,对蒙古包承载力有较高的需求时建议增加蒙古包结构的用钢量,增加结构刚度,使整体结构承载能力更好。

1 绪论

1.1 冷弯型钢结构概述及研究现状
1.1.1 冷弯型钢结构概述
现如今,随着我国科技快速发展,研制出各式各样的钢材,种类也越来越多。冷弯型钢就属于轻型钢材中的一种,是用带钢或者较薄的钢板通过冲压或冷轧等加工方式形成的一种型钢,可以做到很薄但又很宽,具有较好的刚度。相比于热轧,冷轧可以提升钢材的屈服点,冷轧状态下金属材料尺寸精度上也会比热轧好很多,具有更好的力学性能[1],从加工的角度上来看也可以实现高速轧制,有着较高的生产率。冷弯型钢房屋结构体系与传统的房屋结构体系相比也有着很多的优点[2]:
(1)施工安装简单、周期短、基础费用和安装费用少,在人工费用的预算中会减少较多;
(2)建筑垃圾减少,所有钢材都可回收,其它配套材料回收率也高达 80%,有利于生态保护,符合我国提倡的绿色建筑要求;
(3)钢材以及各种配件均可工厂化生产,有着精确度高、质量佳等优点。所有构件全部为工业化产品,可以很轻松地对构件质量进行控制。使得构件尺寸控制精度高,为后期工程提供了良好的基础。除此之外生产的工业化为该建筑结构体系规模化、产业化发展提供了充分的空间;
(4)低层冷弯型钢装配式房屋体系主体承重采用冷弯薄壁型钢与结构板材组成密肋板式墙体结构。该结构建筑整体性好,结构自重轻,可抵御 8 度以上的地震和风速达 50m/s 的飓风,具有良好的抗风抗震性能;
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1.2 课题提出及研究现状
1.2.1 冷弯型钢蒙古包结构的提出
蒙古包这一特色建筑在内蒙古地区扮演着重要角色,不论是在社会会科学领域还是在自然科学领域,对蒙古包进行研究都有着重要意义。蒙古包是蒙古族人传统的特有的居住建筑[47],传统蒙古包建筑方法[48~50]是用驼绳绑扎,为蒙古包外围固定哈那(墙壁),圆顶上方为陶脑(天窗),装饰很多漂亮的花纹,蒙古包上为一个圆锥体,通常采用毛毡遮盖,如图 1.2。近年来随着经济技术的不断发展,蒙古包从结构上和材料上均有所改变,有玻璃钢结构蒙古包和混凝土结构蒙古包等[51~53]。玻璃钢结构蒙古包相比传统的蒙古包有了较大的改进,但是在成本上有很大的增加,不适合建造大跨度的空间结构;混凝土蒙古包虽然相比于玻璃钢结构蒙古包造价上相对减少,但不符合蒙古包能方便迁移的特点,同样工期也会有所增加,并且混凝土材料呈碱性,会对草原地区有所污染。双肢冷弯型钢蒙古包结构地坡屋面下部空间较大,可以充分的利用空间并且减少开支;冷弯型钢有着很好的延性,抗震性能也会提升很多,同样钢材也不会有污染自然环境的情况。冷弯型钢蒙古包是一种民族特色与现代建筑的结合体[54],将蒙古族人特有的建筑向世人展现全新的一面。
表 2.1 模型结构相似关系
表 2.1 模型结构相似关系
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2 冷弯型钢蒙古包结构试验

2.1 相似比设计
由于原模型尺寸较大超出实验室场地的限制,只能采取缩尺模型进行研究,缩尺模型常采用相似理论指导缩尺模型的尺寸设计,运用相似准则的方法主要有:方程分析法、量纲分析法。运用方程分析法时,对所研究模型物理参数,应在进行模型设计前确定各物理量之间的函数关系,即能够对试验结果和试验条件之间的关系提出明确的数学方程式,显然对本文提出的冷弯型钢蒙古包结构不适用。
可用于试验的场地尺寸面积为:4000mm×4400mm,原构造模型为高 6000mm、跨度 12000mm 蒙古包刚架,本文试验选取结构几何相似常数lS =1/4,可保证平面尺寸及高度均在实验室允许范围内。为保证模型与原型竖向自重压应力相等,取应力相似系数和弹性模量相似系数为 S =ES =1。最终采用的相似关系如表 2.1 所示:
表 2.1 模型结构相似关系
表 2.1 模型结构相似关系
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2.2 试件设计
三个试件由三榀或四榀门式刚架组装成一个六边形蒙古包和两个八边形蒙古包,为了与之前已经做过的平面内荷载条件下的六边形蒙古包试验进行对比,本试验设计的六边形蒙古包与之前设计的尺寸保持一致,而两个八边形蒙古包的主梁及柱尺寸相同,圈梁、墙梁和檩条只对应改变长度、梁柱节点板和墙梁连接板只改变翼缘弯曲的角度,两个蒙古包其中一个是将梁柱节点与梁和柱腹板的边缘进行焊接,如图 2.1,从而提升梁柱节点的刚度,传统的设计和分析都将梁柱连接节点处理成理想的刚接或铰接。一般认为, 只有当连接转动约束达到理想的 90%时,可认为是刚接;而在外力作用下,当梁柱轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上时,可认为是铰接。然而,实际工程中的连接的受力性能可能介于这两者之间,因此应当作半刚性连接,三种连接类型的弯矩转角曲线如图 2.2。通过对两种不同节点的有限元分析得到了节点的弯矩-转角曲线,如图 2.3,从图中可以看出焊接的节点刚度明显高于不焊接的节点刚度,接近理想刚性节点,而没有焊接的节点处于刚性与半刚性之间,所以对于两个八边形蒙古包定义为刚性节点的八边形蒙古包和半刚性节点的八边形蒙古包。
门式刚架中间用陶脑连接,每一榀之间由单肢 C 型钢作圈梁通过节点板和高强螺栓连接,梁与梁之间设有檩条,柱与柱之间设有墙梁,柱脚设有柱脚底板,柱脚底板通过高强螺栓与地梁连接固定,地梁通过螺栓与地面固定,梁和柱采用双肢冷弯 C 型钢背靠背组合,墙梁和檩条通过节点板与柱和梁连接,构件设计参数见表 2.2,六边形蒙古包和八边形蒙古包具体尺寸如图 2.4。
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3 冷弯型钢蒙古包结构试验现象及抗震性能分析 ..................... 24
3.1 试验现象分析...................... 24
3.1.1 半刚性节点的六边形蒙古包试验现象 ........................24
3.1.2 半刚性节点的八边形蒙古包试验现象 .......................26
4 冷弯型钢蒙古包结构构件破坏机理分析......................39
4.1 试件构件应力应变分析 .............................39
4.1.1 蒙古包试件梁关键部位分析 .................... 39
4.1.2 蒙古包试件柱关键部位分析 ................. 43

4 冷弯型钢蒙古包结构构件破坏机理分析

4.1 试件构件应力应变分析
4.1.1 蒙古包试件梁关键部位应力应变分析
(1)HMY-1 梁构件
图4.1 为第一榀和第二榀刚架梁荷载-应变曲线,从图中可以看到整个加载过程中梁上所测部位的应变值不到 700με,与C 型钢的屈服应变值 1200με 相差较远,说明梁1-1、梁 1-2、梁 2-1 和梁 2-2 仍在弹性阶段;梁上腹板应变值比翼缘小很多,因为随着位移的逐级增加,出现螺栓滑移现象,C 型钢与节点板之间发生相对转动,使腹板收到的剪力减小。Y1B4BF1 应变值最大,其次为 Y1B2BF1,说明加载远端的梁比加载近端梁受力更大,屈服会更早;Y1B1TF 和Y1B2TF 值相对较小,因为陶脑的刚度较大,变形较小,有效的将荷载传递给各个构件;当荷载达到 60kN 时,梁应变值增长速度加快,因为柱脚刚度减小,柱脚螺栓滑移导致整体结构从柱脚为主要受力构件变为梁成为主要受力构件,荷载主要通过梁进行传递。
(a)第一榀刚架Y1B1 和Y1B2
(a)第一榀刚架Y1B1 和Y1B2

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结论


本文构建了新型蒙古包结构,将节点和构件的设计在以往学术成果的基础上上进行创新。补足了当前草原地区冷弯型钢蒙古包刚架的空缺。以低周往复荷载试验探究了冷弯型钢新型蒙古包空间结构的力学性能,证明了该类结构体系具有良好的受力性能,并得到以下结论:
(1)通过试验现象和数据分析,发现四个试件均满足抗震设计要求,因为平面内荷载条件下蒙古包由主刚架为主要受力构件,而平面外荷载条件下蒙古包无主刚架,由三榀刚架共同承担外荷载,所以平面外荷载条件下比平面内荷载条件下更能体现出蒙古包受力性能。在实际工程中,节点未焊接的六边形蒙古包即可满足需求,节点焊接可以适当增加结构承载能力,对蒙古包承载力有较高的需求时建议增加蒙古包结构的用钢量,增加结构刚度,使整体结构承载能力更好。
(2)通过对局部构件的应力应变分析,得到了平面内和平面外加载作用下蒙古包结构的屈服机制:平面外先后顺序为柱 1-1 和 2-1 脚部→柱2-2 和1-2 脚部,试件均是由柱脚的局部失稳导致整体结构失稳。平面内先后顺序为主刚架梁1-2 右端→主刚架柱1-1 柱顶→主刚架柱 1-1 柱脚→主刚架柱 1-2 柱脚,四个试件最终是由于局部结构失稳导致整体结构失稳。平面外荷载作用下的蒙古包主要以柱脚部为主要受力构件,而平面内荷载作用下的蒙古包主要以主刚架的梁和柱作为主要受力构件。节点的应变值均比梁柱构件小,节点传力可靠,说明这种冷弯型钢蒙古包结构符合“强节点、弱构件”的抗震设计要求,整体结构受力合理,是一种较为理想的新型草原地区建筑结构形式。
参考文献(略)


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