存在损伤的既有钢框架结构在静荷载作用下的稳定性研究与应用

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2017-04-08 论文字数:37458字
论文编号: sb2017040219072016391 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文通过对存在一定损伤程度的既有钢框架结构整体稳定性能进行研究,研究其在不同的损伤程度的条件下结构失稳破坏模式以及承载力,为存在损伤的既有钢框架结构的安全
第 1 章   绪论 
 
1.1   研究背景及研究意义 
中国在很早以前就开始对铁结构有所研究,但技术水平仅仅也只是停滞在铁制建筑物的层次,对铁结构以外的其他材料类型的结构没有更深入去探索研究。我国从 19 世纪末才开始对钢结构方面有所研究。由于钢材本身有着诸多优点,比如,钢材材料强度高、自身重量轻、韧性好,塑性强、制作简单,施工周期较短、可重复利用、低碳节能,绿色环保等等[1]。因此,新中国从 1949 年成立以后,就开始着力对钢结构技术进行研究,钢结构无论在数量上还是在质量上都已经遥遥领先于以往的水平[2] ,钢结构在我国得到了广泛的推广和应用。尤其是步入 2000 年以后,我国经济水平增长尤为明显,综合实力明显增强,钢产量也已经成为了世界大国,钢结构产业在我国发展也就越来越迅猛。 纵观国内外近几十年钢结构的发展过程,钢结构工程主要应用于大跨度、高层和超高层建筑、特异结构(机场、港口、大型公共建筑、体育建筑如鸟巢)、大型幕墙骨架、大型桥梁等方向[3]。目前,在建筑产业比较有代表性的钢结构建筑有:1931 年建于纽约的帝国大厦(381m);1889 年建于法国巴黎的埃菲尔铁塔(324m);1997 年建于吉隆坡市中心的石油双塔(452m);1999 年建成位于上海的金茂大厦(420.5m);2007 年建成位于北京的中央电视台新办公大楼(234m)等等[4]。在钢结构迅速发展的同时,钢结构的缺点也逐渐的显现出来,比如钢材的耐火性和耐腐蚀性比较差,这些缺点对钢结构会造成致命的伤害。这是由于钢材的导热系数高,一旦受到高温的影响,钢材的组织会产生有害的变化,导致钢材迅速软化,使得钢结构的的承载能力显著降低,对建筑物的安全性能产生很大的隐患。同时,钢材容易受到腐蚀介质的影响,当钢材长期处于比较潮湿的环境下或者是在富含酸碱盐类的环境下极易被腐蚀,钢材受到腐蚀后,在其表面会形成不同程度的锈蚀,这样不仅会导致钢材在锈蚀处产生应力集中的现象,同时还减少了钢材的有效截面面积,加快了结构的破坏,减短了结构的正常使用时间  [5]。在钢结构得到普遍推广和应用的同时,受到这些致命缺点的影响,使得国内外在钢结构工程事故方面的案例也多不胜数,造成很多不可挽回的损失。同时,国内外对钢结构研究越来越多,钢结构形式在不断的发展,并且在钢材选用方面一般都采用较高强度的钢材,这就使得结构构件逐渐变得轻而薄壁型,但是这种类型的构件在受到恶劣环境以及其他不利因素的影响时,加速了结构构件的锈蚀,导致钢结构失稳事故的发生。因为结构在受到相同的荷载的作用时,与其他的建筑材料相比较,钢结构构件截面参数较小,组成截面的钢材厚度相对较小,并且在实际工程中受到各种不利因素对结构的影响,因此,结构稳定问题是应格外需要引起注意的[6]。
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1.2   国内外受损钢结构工程实践及研究现状 
对于国内的既有钢框架结构在静荷载作用下的可靠性研究,一般都是结合一些具体的实际工程或者缩尺模型进行静荷载的加载试验和理论分析,通过试验的结果分析得出钢结构工程在标准荷载检验值下是否符合规范的要求。李元齐[9]通过对既有钢结构可靠性评估方法的探讨,给出了有限健康检测结构可靠性评估的方法。易贤仁[10]对钢结构在火灾后钢材的性能以及结构的性能进行了研究,介绍了钢结构在火灾后钢材材料性能变化的特点、大火温度与变形形态之间的关系,并且给出了火灾后钢结构性能的鉴定方法。班慧勇[11]对高强度钢材轴心受压构件的稳定性能进行了研究,通过对三种高强度钢材残余应力全截面分布情况进行了测量,并且研究了不同因素对残余应力的影响,通过研究给出了高强度钢材轴压构件柱子选择曲线类型的建议,并提出了新的柱子曲线。荆龙江[12]通过采用有限元方法,对斜拉桥的主梁在不同损伤部位时,进行了动力研究,得出了梁损伤的判断方法。李天和咸庆军[13]通过介绍钢变电构架的损伤存在的形式,同时对损伤形式做了一定程度的简化,并提出了对损伤的简化方法和理论。孙增寿[14]通过对损伤的变电架体系的可靠性进行了研究,根据裂缝、腐蚀等损伤情况建立了两种损伤结构的计算模型,得出了结构可靠性鉴定结论。乔宇解决了微裂纹演化过程的随机偏微分方程的求解。盖秉廷通过研究疲劳力学基础,阐述了在各项同性,均匀以及一维损伤的条件下方程的演化情况。梁军考虑了微裂纹和纤维两者间的相互作用,通过研究细观力学理论,得出了定向分布演化的规律。高庆和黄正中通过代表性体元的微观力学模型,结合一种低周疲劳下随机损伤演变过程的数值模拟方法,给出了损伤和微裂纹尺寸的联系。轩福贞通过研究能量耗散,研究出了非线性疲劳损伤累积法则,能够准确呈现出荷载次序效应。 
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第 2 章   钢框架稳定问题的基本理论及非线性分析方法 
 
2.1   钢框架结构稳定问题的基本理论 
钢结构失稳是指结构在任意微小外界扰动下就会使结构或其组成构件产生很大位移,从而丧失承载力。钢结构失稳分为[43]平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。跃越失稳是指结构由一种平衡状态跳跃到另一种平衡状态。当达到第一次平衡状态时,结构已经失去承载能力,后面的平衡状态已经没有意义,故可以等同为极值点失稳的类型。由于实际的结构受到了双重非线性以及初始缺陷的作用,大多数失稳类型属于极值点失稳。而平衡分岔失稳是基于理想的结构,未考虑双重非线性及初始缺陷。因此,求解过程相对简单,同时,求解的临界荷载可为非线性屈曲分析提供参考,所以平衡分岔失稳在理论分析中显得尤为重要。 稳定性的含义与强度、刚度不同,刚度是用来度量稳定性和强度变化情况。强度破坏是指材料或者截面刚度为零的状态,失稳是指杆件或者结构刚度为零的状态,两者之间是从不同层次上问题。强度表示截面刚度变为零,已经是截面的极限状态,此时材料达到屈服强度,而失稳表示结构刚度变为零,不能继续承受外力荷载和抵抗变形的能力,但此时各个截面的材料可能还未进入塑性阶段。 
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2.2   框架稳定的计算方法 
目前在实际工程中,国内外在处理钢框架结构的稳定性和极限承载力的方法主要包含两种[31]:计算长度法和假想水平力法。计算长度法在国内外都使用的比较广泛,我国规范(GB 50017-2003)和美国规范 LRFD(单一柱曲线)都是采用了这种方法[32]。计算长度法本质就是深入研究结构中的单个构件,将获得的研究成果应用到框架设计中,通过计算长度来反映结构体系中构件与构件间的联系。由于研究单个构件相对来说比较简单,计算长度法通过引入计算长度将框架结构体系分解成单个构件的方式进行设计,使得设计过程由复杂变得简单。计算长度法简单易行,使得这种方法在设计中被设计师们普遍的使用。但是计算长度法本质上是通过引入计算长度来解决构件间的相互作用,所以计算长度的取值应该谨慎对待,必须加以重视,它不但对结构设计的经济性产生影响,同时还决定着整个结构的安全性。计算长度法大致又可以分为子结构法和楼层法。 
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第 3 章   基于 SAP2000 的钢框架整体稳定性分析 ...... 20
3.1   基于有限元软件的相关知识 ............. 20 
3.1.1   有限元软件 SAP2000 介绍 ........ 20 
3.1.2   钢框架稳定分析在 SAP2000 中的实现 ...... 20 
3.1.3   结构分析过程中的重点难点 ..... 21 
3.2   钢框架结构的静力分析 ............ 21 
3.3   有限元计算结果与分析 ............ 29
3.4   本章小结 ......... 35 
第 4 章   受损钢结构模型静力试验研究 ..... 37 
4.1   结构试验模型设计原理 ............ 37 
4.2   试验准备 ......... 37 
4.3   试验过程 ......... 45 
4.4   本章小结 ......... 46 
第 5 章   试验数据整理与分析 ............ 47 
5.1  各测点的荷载—挠度关系 .......... 47 
5.1.1   各试件荷载—挠度关系 ..... 48 
5.1.2   荷载—挠度关系结果分析 .......... 50 
5.2   各测点的荷载—应变及应力关系 ..... 50 
5.4   框架模型承载力及破坏形态 ............. 65 
5.5   本章小结 ......... 71 
 
第 5 章   试验数据整理与分析 
 
本章对试验过程中采集的数据进行处理,将处理的数据通过图表的形式表现出来进行分析研究。根据本次试验研究的目的,主要分析各测点的荷载—挠度关系、各个工况主要测点的荷载—应变及应力关系、承载力以及结构的破坏形态。 
 
5.1  各测点的荷载—挠度关系 
在竖向荷载作用下测量梁柱挠度时每个试件布置了 5 个测点,其中编号为 Z3的柱上布置 3 个测点,分别位于第一层柱中、第三层柱中和第五层柱柱中,测点编号分别为 B3、B4、B5;梁上布置 2 个测点,分别位于编号为 L-2-1 和 L-2-6 的梁跨中,测点编号为 B1 和 B2。梁柱的挠度通过电子百分表进行测量,由于在达到极限荷载时,结构产生明显的侧移,测得的数据应不属于该点因弯曲变形产生的挠度,因此统计数据中将剔除试件破坏后百分表读取的数据。本小节主要通过对比在竖向荷载作用时,梁柱各个测点挠度变化情况,分析不同损伤情况对梁柱的影响。 B1 测点位于编号为 L-2-1 的第一层梁跨中,通过图 5-2 可以看出,当竖向荷载逐渐增大时,各试件梁跨中挠度不断变大,当竖向荷载达到 40k N 之前时,各试件梁跨中挠度变化比较接近。当竖向荷载超过 40k N 过后,各试件梁跨中挠度相差较大,工况一和工况二竖向挠度相对较小,工况三和工况五水平挠度变化非常接近,挠度值较大,工况四的竖向挠度最大。 
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结论 
 
本文以存在损伤的既有钢框架结构在静荷载作用下的稳定性研究与应用为课题。主要研究在实际工程应用中,存在一定缺陷的钢结构的受力性能和工作状况。为了使研究成果具有代表性和可靠性,设计了不同损伤情况的钢框架结构模型,通过理论分析和试验研究相结合的方式对模型进行研究分析。对获得的数据进行整理分析,主要得到了以下结论: (1)通过有限元分析软件 SAP2000 对不同损伤情况的钢框架结构在静荷载作用下进行非线性屈曲分析,共建立了 6 种工况 16 个分析模型。根据各个工况的荷载位移曲线对比分析表明,不同的损伤情况对结构稳定极限承载力的影响程度不同。 (2)针对结构分析过程中的重点和难点,分析了结构稳定性存在的判断、荷载取值的问题、分析中参数的设置、网格精度的划分以及对计算结果的判断方法。 (3)设计并制作了 5 个不同损伤情况钢结构试件,研究其在竖向荷载作用下的受力性能。对试验结果进行整理分析,比较试验结果与理论计算结果,在达到极限承载力前,试验值与计算值相差不大,误差 10%左右。 (4)钢框架结构梁的损伤对结构整体稳定承载力影响不大,随着梁截面损伤程度的加深,结构的极限承载力有所降低,但并不显著。  (5)钢框架结构柱的损伤对结构整体稳定承载力影响显著,随着结构柱截面损伤程度的加深,结构的极限承载力急剧降低,因此在工程中对柱存在的损伤应加以重视,特别是在框架柱损伤较重时,应该进行损伤结构进行稳定性分析,确定实际承载力,并加固处理达到预定承载力,以保证结构的安全性。 
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参考文献(略)

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