工字型截面胶合木门式刚架静力性能试验之建筑研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-07-26 论文字数:45114字
论文编号: sb2019062315163826931 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,本次试验研究使用的缩尺试件采用工字型截面的旋切片胶合木,这种产品在发挥工字型截面优势的基础上,使用了力学强度可靠的单板层积材,比矩形截面的木材具有更高
本文是一篇建筑论文,本研究利用工字型截面构件的优点,提出一种工字型截面的旋切片胶合木门式刚架。参考新西兰规范 NZS3603 和澳大利亚规范 AS1720.1,设计了工字型截面胶合木门式刚架结构,并制作了 3 组单榀工字型截面胶合木门式刚架试件和 3 组共 6 个工字型截面胶合木门式刚架节点试件,结合静力试验和有限元分析的方法,对工字型截面的旋切片胶合木门式刚架进行了研究。

第 1 章   绪论

1.1   本课题的研究背景及意义
木材是可再生资源,可以循环利用、自然降解。木材可以通过合理的种植快速再生,其再生过程还可以起到净化空气的作用。作为建筑材料时,木材有轻质高强的特点,其散发的芳香物质有益人体健康,而且兼有良好的保温功能。
木结构建筑生产和使用过程能耗较低,符合绿色、循环、低碳的可持续发展的理念,加上自重轻、施工快、抗震性能好,近年来受到国家政策的倡导。2015年 12 月 20 日的中央城市工作会议上,国家提出大力推广装配式建筑,其中包括现代木结构建筑。为进一步引导我国的木结构产业,国家在科技、休闲旅游、绿色建筑方面陆续出台了十多项政策法规,特别是 2015 年工信部和住建部联合推出的《促进绿色建材生产和应用行动方案》[1],2016 年发改委和住建部《关于印发城市适应气候变化行动方案的通知》[2],以及 2016 年国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》[3]中都明确提出发展木结构建筑。与此同时,国家已出台了 20 多项相关标准,规范木结构产业的发展。
2017 年住建部与加拿大自然资源部签署的《关于生态城市建设技术的合作谅解备忘录》[4]中提出,为推动我国城市绿色低碳发展,探索和推广适合中国的现代木结构建筑技术。经研究,拟组织开展中加合作低碳生态城区试点和多高层木结构建筑技术应用工程示范。其中提到了现代木结构建筑技术应用。如经济适用的多层、多户式住宅,公共建筑(体育、教育、卫生、办公、养老、社区活动中心等建筑),木结构与钢筋混凝土结构或钢结构相结合的混合结构建筑(包括木质填充墙体系或木桁架屋顶系统等)。
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1.2   国内外研究现状及其分析
1.2.1   国外胶合木门式刚架结构研究现状
欧洲和北美的胶合木门式刚架已有很广泛的应用和研究,近年来的研究主要致力于梁柱节点的设计优化,增强其刚度和抗震能力。在澳大利亚和新西兰,旋切片胶合木制作的门式刚架已成为产业,在建造厂房时,人们常以大跨度的胶合木门式刚架来替代钢结构门式刚架。值得注意的是,这些结构的承重构件均采用矩形截面,还尚未有人针对工字型截面的胶合木门式刚架进行研究。
D.ZONTA,M.Piazza[7]等人提出了直接基于位移的胶合木门式刚架设计方法(DBD,Displacement-Based Design),该方法特别适用于仓库或商业建筑。这种方法基于一个实用表达式,能够仅通过构件和连接件的尺寸预估目标的位移。使用 pushover 非线性分析方法,证明了该表达式的实用性。与欧洲规范 Eurocode  8的计算结果比较,表明 DBD 法可以潜在地克服基于力的设计(FBD,Force-Based Design)方法必然导致的一些简化误差。
Abdy  Kermani[8]研究了木门式刚架中梁柱节点钉连接的半刚性和非线性承载能力。采用刚度分析法,根据单剪侧向加载的钉连接节点的荷载-变形特征,将各钉节点的接头的旋转模拟为一系列分段的线性关系,导出了相应的解。每一步分析中都对刚度矩阵进行校正,以考虑节点的柔韧性,并计算刚架到极限荷载的短期非线性变形。试验采用梁柱节点试件和 6m 跨度的钉节点木门式刚架。试验结果证实了分析的适用性。
James  Walker 和 Robert  Xiao[9]研究了内插钢筋连接的胶合木门式刚架抗弯连接的破坏机理。通过一系列拉拔试验,测定了不同锚固长度和胶层厚度的内插钢筋连接的轴向强度。将结果与现行设计公式进行了比较,并强调了差异。将拉拔试验的结果用于门式刚架节点连接的设计,并利用线性弹性分析方法来估计其抗弯能力。通过线性弹性分析,能够准确预测试验节点的破坏荷载,并从试验数据中提取出胶合木门式刚架内插钢筋连接的弯矩-转角(M-φ)关系。
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第 2 章   工字型截面胶合木门式刚架试件设计

2.1   概述
与矩形截面相比,工字型截面有更加合理的截面形状、更高的强重比和更佳的尺寸稳定性,在满足承载力要求的基础上可以节约原材,降低造价。
由于门式刚架主要破坏形式为梁柱构件受弯破坏,借鉴某轻钢结构门式刚架的实际案例,按照轻钢结构门式刚架规范中给定的荷载组合,采用相等抗弯强度的工字型截面木构件进行材质代换。之后依据土木工程试验中常用的相似原理进行缩尺试件的设计。
工字型截面胶合木梁柱的连接方式是本文设计中的难点,本文先是借鉴钢结构的连接理论,提出工字型截面的梁和柱分别通过翼缘和腹板进行连接的方法,之后又提出了将节点处的截面填充为工字型截面后再连接的做法。参考了新西兰Carter Holt Harvey 木产品公司公布的设计方法,利用新西兰木结构规范 NS3603 和澳大利亚木结构规范 AS1720.1 中相关章节的规定重新进行了足尺结构和缩尺试件的设计。
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2.2   工字型截面胶合木门式刚架初步设计
2.2.1   梁柱的钢-木等强度代换
因国内没有可用的胶合木门式刚架设计方法作为依据,所以参考轻钢结构门式刚架设计方法进行构件的设计。
试件原型参考了某单层工业厂房的钢结构门式刚架实例,采用单跨双坡门式刚架,刚架跨度 15m,柱距 9m,柱高 8m,屋面坡度 1/10,地震设防烈度为 6 度。屋面及墙身荷载按照钢结构门式刚架进行取值,风荷载按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[66]和《建筑结构荷载规范》[67]进行计算。原结构尺寸如图 2-1所示。


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第 3 章   工字型截面胶合木门式刚架节点试验 ............................ 41
3.1   概述 ................................ 41
3.2   节点试件的设计 ................................. 41
3.3   节点试验的加载装置及量测内容 ..................... 42
第 4 章   工字型截面胶合木门式刚架抗侧性能试验 ...................... 50
4.1   概述 ................................................... 50
4.2   试验场地的安排与辅助装置的设计 ............................ 50
4.3   试件的下料及组装 ......................... 53
第 5 章   有限元分析 ........................... 66
5.1   概述 .................................... 66
5.2   胶合木门式刚架有限元模型的建立 ............... 67
5.3   结构求解流程 ........................ 67

第 5 章   有限元分析

5.1   概述
为了更加充分地说明工字型截面胶合木门式刚架的性能,在对胶合木门式刚架已有的试验研究基础上,采用大型通用有限元软件 ABAQUS 对结构体系进行有限元数值模拟分析,并对比试验结果,证明其可靠性。
有限元的核心思想是将结构离散化,将实际结构离散为有限数目的规则单元系统,将无限自由度的求解问题转化为有限自由度的问题,通过建立数学方程获得有限自由度的解,这样可以解决许多采用理论分析无法求解的复杂工程问题。理论研究证明,只要将结构对象离散为足够小的单元,有限元求解结果就能够很精确地逼近真实解。从“有限元”的名字出现到今天,经历了几十年的发展,其基本理论已经日趋完善,复杂非线性问题的各种算法得到了很大的发展,并且在工程领域得到广泛的应用。
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第 6 章   结论与展望

6.1   本文的主要工作
本文对工字型截面胶合木门式刚架进行了试验研究,研究了其在单调荷载工况下的抗侧性能,为促进胶合木门式刚架这一领域的发展,并为以后的研究开拓思路。本文的主要工作如下:
(1)介绍课题的研究背景,对旋切片胶合木、门式刚架、工字型截面胶合木、木结构连接节点的国内外研究现状进行了叙述,指出了目前该领域研究存在的一些不足。
(2)综合考虑实验室的场地条件,设计了 1/4 缩尺的工字型截面胶合木门式刚架试验结构模型,探索了设计方法并进行了连接节点的优化;随后设计了加载装置,进行了试件的现场安装。
(3)对 3 个工字型截面的胶合木门式刚架试件进行了侧向静力加载,在试验过程中观察试件的变化现象,并对典型截面和节点处的位移值和应变值进行了采集。
(4)根据静力试验数据获得了模型的荷载-位移曲线等关键的抗侧性能指标,并拟合出了工字型截面胶合木门式刚架的柱顶侧移计算公式。
(5)对工字型截面胶合木门式刚架的节点进行试验研究,确认了设计方法的可靠性,比较了两种连接方式的力学性能并研究了节点加腋对强度的影响。
(6)用有限元分析软件 ABAQUS 对结构体系进行了非线性数值模拟分析,证明了试件设计和试验的合理性。
参考文献(略)

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