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钢框支夹芯刚架结构应用与研究

【摘要】:随着城市建设的不断发展,我国现存的一些旧建筑已不能满足人们的生活需要。本着经济节约的原则,一些年代不太久远的建筑可以加以增层改造重新利用。在大量的增层改造工程中,最常用的是外套筒的结构形式。外套筒结构形式相对于直接增层的结构形式较为合理。由于新增外套筒框架套跨在原建筑结构的外部,因而在原建筑上部形成了大跨度梁。大跨度梁的设计是外套筒结构设计的难点和重点。传统的结构设计方法在设计外套筒大跨度梁时一般设计成桁架梁、薄腹梁、预应力梁等转换构件。这些传统的手段设计理论复杂,施工较难操作。不仅在旧建筑增层改造中会遇到大跨度梁,有时在新建建筑中也会遇到局部大空间、大跨度梁的情况。比如娱乐会所、星级宾馆、礼堂等特殊公共建筑因为其特殊的使用功能,建筑上存在大空间,在结构上必然存在大跨度梁。在新建局部大空间结构设计时,传统的手段一般采用井字梁,但这种结构形式只限于局部大空间位于建筑顶层的情况。当局部大空间位于建筑的中间层时,井字梁结构则无法使用。当局部大空间位于底层时,传统的结构设计方法需引入转换构件。这两种常见的工程设计情况都存在大跨度梁,传统的结构设计方法在具体的应用上都存在一定的局限性。 鉴于传统结构设计方法在设计大跨度梁时所存在的局限性,本文提出了一种新的结构形式—钢框支夹芯刚架。根据在加层改造和新建建筑当中的具体应用情况,可分为外套式钢框支夹芯刚架和抽柱式钢框支夹芯刚架。钢框支夹芯刚架的本质是:通过在大跨度梁段的不同位置设置剪弯柱,通过剪弯柱的“调”节功能,减小梁跨中弯矩峰值,使梁段弯矩趋于均匀。 对钢框支夹芯刚架这种新型的结构形式,本文从基本静力特性和抗震性能两个方面分别作了深入的研究。在静力特性方面,本文给出了剪弯夹芯柱调节梁段弯矩的基本原理方程。同时,根据钢结构本身的施工特点,本文研究了钢框支夹芯刚架内力受施工顺序加载的影响。本文通过有限元模拟并比较了不同层数钢框支夹芯刚架的一次加载内力和施工顺序加载内力的异同。研究表明:钢框支夹芯刚架内力受施工加载顺序影响较明显,这种影响程度随层数的增加变化不大。在钢框支夹芯刚架的抗震设计方面,本文采用了较为先进的基于性能的抗震设计分析手段-PUSHOVER分析法。本文通过大型有限元软件SAP2000对不同类型的外套式钢框支夹芯刚架和抽柱式钢框支夹芯刚架进行了PUSHOVER分析。通过观察塑性铰的出现顺序及结果以及层间弹塑性位移角,分别得出了外套式钢框支夹芯刚架和抽柱式钢框支夹芯刚架较为良好的抗震性能。

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