开题报告 -高层钢结构建筑抗侧力体系性能的案例分析

1、高层钢结构建筑抗侧力体高层钢结构建筑抗侧力体系性能的案例分析系性能的案例分析 汇汇 报报 人：人： * * *指导教师：指导教师： * * * *2012级硕士开题报告级硕士开题报告报 告 提 纲研究背景及意义相关研究工作预期结果研究进度研 究 背 景 及 意 义1 研究背景研究背景 钢框架结构具有普通框架平面布置灵活、结构简单、钢框架结构具有普通框架平面布置灵活、结构简单、构件易于标准化、施工速度快等优点，同时在抗震设防等构件易于标准化、施工速度快等优点，同时在抗震设防等级较高的地区，钢结构材料本身延性好，能够吸收更多的级较高的地区，钢结构材料本身延性好，能够吸收更多的外加能量因而抗震性能优

2、于混凝土框架，从而大量应用于外加能量因而抗震性能优于混凝土框架，从而大量应用于高层建筑中。但是纯钢框架又有一个致命的弱点，就是侧高层建筑中。但是纯钢框架又有一个致命的弱点，就是侧向刚度低，水平荷载作用下变形较大，难以满足设计要求。向刚度低，水平荷载作用下变形较大，难以满足设计要求。若是在框架内部添加抗侧力构件，通过抗侧力构件来抵抗若是在框架内部添加抗侧力构件，通过抗侧力构件来抵抗来自水平方向的荷载，这样侧向刚度增强，层间位移以及来自水平方向的荷载，这样侧向刚度增强，层间位移以及变形的控制有了保障。除了传统的增加侧向支撑外，近年变形的控制有了保障。除了传统的增加侧向支撑外，近年来一些新兴的抗侧力

3、体系如钢板剪力墙，组合剪力墙等，来一些新兴的抗侧力体系如钢板剪力墙，组合剪力墙等，这些新型结构体系越来越多的被应用于高层建筑中。这些新型结构体系越来越多的被应用于高层建筑中。研 究 背 景 及 意 义2 研究意义研究意义 我们知道在结构设计中，除了要考虑楼面人员、设我们知道在结构设计中，除了要考虑楼面人员、设备和结构自重所带来的竖向荷载外，还要考虑地震作用，备和结构自重所带来的竖向荷载外，还要考虑地震作用，风荷载所带来的水平向荷载。这些来自自然界的外加能量，风荷载所带来的水平向荷载。这些来自自然界的外加能量，对于结构的破坏是很严重的。平常我们在设计结构时，设对于结构的破坏是很严重的。平常我们在

4、设计结构时，设置一些抗震构造措施是很必要的，但是解决问题的根本还置一些抗震构造措施是很必要的，但是解决问题的根本还是结构在选型时，是否选择了合适的抗侧力体系来抵抗侧是结构在选型时，是否选择了合适的抗侧力体系来抵抗侧向荷载的作用。向荷载的作用。 说到地震，我们就不得不提及说到地震，我们就不得不提及4.20芦山地震。芦山地震。4月20日，四川雅安，7.0级地震！研 究 背 景 及 意 义3 本次研究内容本次研究内容 翻阅了国内外大量的资料与文献，多集中于对两种抗侧力体系性翻阅了国内外大量的资料与文献，多集中于对两种抗侧力体系性能的比较分析，通过不同的加载方式，仿真模拟得出数据，揭示内部能的比较分析

5、，通过不同的加载方式，仿真模拟得出数据，揭示内部变化规律与影响因素。变化规律与影响因素。 在本例中我们也采用相类似的研究方法。在本例中我们也采用相类似的研究方法。参考相关文参考相关文献，结合工献，结合工程实例进行程实例进行资料整理资料整理使用数值软使用数值软件进行模拟件进行模拟分析结果，分析结果，归纳总结归纳总结研 究 背 景 及 意 义纯钢框架点击添加文本钢框架内填混合剪力墙钢框架内填钢板剪力墙钢框架内填混凝土剪力墙PKPM中SATWE模块进行抗震分析相同的结构形式相同的结构形式相同的结构形式相同的结构形式相同的结构形式钢框架-侧向支撑PKPM中SATWE模块进行抗震分析PKPM中SATWE

6、模块进行抗震分析相同的结构形式钢框架-侧向支撑相同的结构形式钢框架-侧向支撑纯钢框架相同的结构形式纯钢框架相同的结构形式钢框架内填混凝土剪力墙相同的结构形式钢框架内填钢板剪力墙相同的结构形式框架内填混合剪力墙相同的结构形式研 究 背 景 及 意 义 通过通过PKPM结构分析软件，分析地震作用下的强度、结构分析软件，分析地震作用下的强度、刚度以及延性的变化规律，并通过互相比较，得出几种常刚度以及延性的变化规律，并通过互相比较，得出几种常见抗侧力体系的优劣以及适用区域与范围。这对于以后结见抗侧力体系的优劣以及适用区域与范围。这对于以后结构设计时，抗侧力体系的选取方面具有指导意义。同时，构设计时，抗

7、侧力体系的选取方面具有指导意义。同时，也填补了相关文献在这方面的空白。也填补了相关文献在这方面的空白。4 技术路线及实施方案技术路线及实施方案 本课题采用有限元数值模拟的方法对于纯钢框架、本课题采用有限元数值模拟的方法对于纯钢框架、钢框架钢框架-侧向支撑、钢框架内填钢筋混凝土剪力墙、钢框侧向支撑、钢框架内填钢筋混凝土剪力墙、钢框架内加钢板剪力墙以及钢板剪力墙外包混凝土板的结构形架内加钢板剪力墙以及钢板剪力墙外包混凝土板的结构形式进行模拟，模拟结合实际的工程案例进行。式进行模拟，模拟结合实际的工程案例进行。研 究 背 景 及 意 义 利用利用PKPM结构分析软件，在结构分析软件，在PMCAD中结

8、合实际工程中结合实际工程的建筑图纸建立模型。的建筑图纸建立模型。 SATWE模块会自动提取模块会自动提取PMCAD所需要的数据，结合所需要的数据，结合当地的地质情况进行抗震分析。当地的地质情况进行抗震分析。 结合动力学理论，研究对比各个结构的层间位移、平结合动力学理论，研究对比各个结构的层间位移、平均位移、层间位移角，从而具体分析每种抗侧力体系均位移、层间位移角，从而具体分析每种抗侧力体系的实际抗侧力性能，可能影响性能的一些外在因素。的实际抗侧力性能，可能影响性能的一些外在因素。 总结每种结构在符合经济合理的条件下，使用的分布总结每种结构在符合经济合理的条件下，使用的分布范围，对于以后设计中，

9、结构选择这方面有着指导作范围，对于以后设计中，结构选择这方面有着指导作用。用。相 关 研 究 工 作 比较常用的抗侧力体系有：抗弯框架、中心支撑框架、偏比较常用的抗侧力体系有：抗弯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架、防屈曲支撑框架、钢筋混凝土剪力墙、钢板心支撑框架、防屈曲支撑框架、钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙以及以上各种形式的组合等。由于抗弯框架主要依剪力墙以及以上各种形式的组合等。由于抗弯框架主要依靠节点刚度抵抗侧向荷载，抗侧能力有限。钢框架加上侧靠节点刚度抵抗侧向荷载，抗侧能力有限。钢框架加上侧向支撑，侧向支撑多为杆件，随着侧向荷载增加，杆件的向支撑，侧向支撑多为杆件，随着侧向荷载增加，杆件

10、的截面也会跟着增加，同时如果杆件过长还会引发面外稳定截面也会跟着增加，同时如果杆件过长还会引发面外稳定性的问题，所以在抗侧力方面能力有限。根据前人的文献性的问题，所以在抗侧力方面能力有限。根据前人的文献资料来看，钢框架内填钢筋混凝土剪力墙，由于钢筋混凝资料来看，钢框架内填钢筋混凝土剪力墙，由于钢筋混凝土相比钢框架的刚度大很多，可以有效地抵抗侧向荷载，土相比钢框架的刚度大很多，可以有效地抵抗侧向荷载，同时钢筋混凝土的造价很低，经济性符合我国的基本国情，同时钢筋混凝土的造价很低，经济性符合我国的基本国情，因而前人在这方面的研究很多。因而前人在这方面的研究很多。相 关 研 究 工 作 但是该结构也存

11、在一些弱点，即混凝土脆性大，震后修复但是该结构也存在一些弱点，即混凝土脆性大，震后修复困难大等缺陷。钢框架内填钢板剪力墙是最近新兴的抗侧困难大等缺陷。钢框架内填钢板剪力墙是最近新兴的抗侧力体系，由于钢板直接承受侧向荷载，滞回曲线成饱满的力体系，由于钢板直接承受侧向荷载，滞回曲线成饱满的梭型，可见有很好的吸能、耗能能力。但是钢板厚度过厚，梭型，可见有很好的吸能、耗能能力。但是钢板厚度过厚，经济性能指标差，很难大面积推广，同时相关规定不健全，经济性能指标差，很难大面积推广，同时相关规定不健全，有待于进一步研究。相关学者研究方向对集中于此。相对有待于进一步研究。相关学者研究方向对集中于此。相对于厚板

12、剪力墙，又提出了于厚板剪力墙，又提出了“薄板剪力墙理论薄板剪力墙理论”，围绕相关，围绕相关理论，催生出混合剪力墙体系，利用外包混凝土盖板限制理论，催生出混合剪力墙体系，利用外包混凝土盖板限制薄板外鼓，保证强度的稳定性。在这方面的研究课题也很薄板外鼓，保证强度的稳定性。在这方面的研究课题也很多。多。相 关 研 究 工 作 最初的研究工作还得从最初的研究工作还得从Benjamin & Williams ，Holmes对单层结构进行单调加载，从而得出结构的侧向极限承载对单层结构进行单调加载，从而得出结构的侧向极限承载力开始。随后的几十年间，人们为了实现对于风载和地震力开始。随后的几十年间，人

13、们为了实现对于风载和地震等振动现象的模拟，想出了很多加载方法用于模拟结构的等振动现象的模拟，想出了很多加载方法用于模拟结构的动力现象，如循环加载，拟动力加载和振动台等加载形式。动力现象，如循环加载，拟动力加载和振动台等加载形式。Mallick & Severn对于两层缩小尺寸的钢框架内填剪力墙对于两层缩小尺寸的钢框架内填剪力墙进行半圈循环动载试验后发现，对于内填墙与钢框架的角进行半圈循环动载试验后发现，对于内填墙与钢框架的角部连接区域增加剪力件虽然对于侧向的强度没有增强，但部连接区域增加剪力件虽然对于侧向的强度没有增强，但是对于侧向刚度的影响还是很大的。是对于侧向刚度的影响还是很大的。

14、 相 关 研 究 工 作 Makino et al学者为了了解钢框架与内填墙之间的受力机学者为了了解钢框架与内填墙之间的受力机理，采用两组，一组两个试件：一个试件工字型截面的强理，采用两组，一组两个试件：一个试件工字型截面的强轴与填充墙垂直，另一个试件为弱轴与填充墙垂直。第一轴与填充墙垂直，另一个试件为弱轴与填充墙垂直。第一组在钢框架施加水平循环荷载至非弹性阶段后浇筑内填混组在钢框架施加水平循环荷载至非弹性阶段后浇筑内填混凝土，第二组是在加载之前就已浇筑完毕。为了防止填充凝土，第二组是在加载之前就已浇筑完毕。为了防止填充墙出现面外破坏，填充墙与钢框架之间设置少量栓钉，这墙出现面外破坏，填充墙与

15、钢框架之间设置少量栓钉，这样由于整体作用，混凝土边缘就会出现均匀的裂缝。从实样由于整体作用，混凝土边缘就会出现均匀的裂缝。从实验结果看出，强轴与墙面垂直的试件显示出了较好的延性，验结果看出，强轴与墙面垂直的试件显示出了较好的延性，同时第一组实验结果与第二组基本相同，可以看出钢框架同时第一组实验结果与第二组基本相同，可以看出钢框架对于抵抗水平向的荷载并没有起到想象中该有的作用。对于抵抗水平向的荷载并没有起到想象中该有的作用。 相 关 研 究 工 作 对于钢框架内填钢板剪力墙结构是最近几年新兴的对于钢框架内填钢板剪力墙结构是最近几年新兴的结构形式，因其优秀的抗震耗能的特性被日本、美国等地结构形式，

16、因其优秀的抗震耗能的特性被日本、美国等地大量应用。但是在设计研究的初期，由于将钢板限制在弹大量应用。但是在设计研究的初期，由于将钢板限制在弹性阶段，使用钢板的弹性屈曲荷载作为钢板的极限屈服强性阶段，使用钢板的弹性屈曲荷载作为钢板的极限屈服强度，导致设计出来的钢板厚度很大，滞回曲线饱满，强度度，导致设计出来的钢板厚度很大，滞回曲线饱满，强度和刚度都很大，但是用钢量大一直制约着其大量推广。我和刚度都很大，但是用钢量大一直制约着其大量推广。我国现行的国现行的高层民用钢结构技术规程高层民用钢结构技术规程（JGJ 99-98）就）就是采用此方法是采用此方法 ，导致本应该作为第一道防线的墙板，相，导致本应

17、该作为第一道防线的墙板，相对框架的强度很高，对抗震极为不利。对框架的强度很高，对抗震极为不利。 相 关 研 究 工 作 在在1983年，一位加拿大的学者提出相对成熟的年，一位加拿大的学者提出相对成熟的“薄板屈薄板屈曲后强度的利用曲后强度的利用”，他认为薄钢板屈曲之后，并不能意味，他认为薄钢板屈曲之后，并不能意味着构件的承载能力的丧失，墙板可以依靠对角线方向形成着构件的承载能力的丧失，墙板可以依靠对角线方向形成的拉力带继续承担侧向荷载。的拉力带继续承担侧向荷载。 预 期 结 果 根据所查阅的国内外文献来看，钢框架的侧向刚度最根据所查阅的国内外文献来看，钢框架的侧向刚度最差，钢框架内填钢筋混凝土剪

18、力墙结构，由于侧向荷载全差，钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构，由于侧向荷载全部由钢筋混凝土内填墙承担，因而抗侧刚度最大。而钢框部由钢筋混凝土内填墙承担，因而抗侧刚度最大。而钢框架内加钢板剪力墙由于钢板墙在侧向力作用下，会向面外架内加钢板剪力墙由于钢板墙在侧向力作用下，会向面外鼓曲影响其受力性能，但是产生的拉力带会继续承担侧向鼓曲影响其受力性能，但是产生的拉力带会继续承担侧向荷载。而钢板墙外加混凝土板的结构，由于混凝土板的作荷载。而钢板墙外加混凝土板的结构，由于混凝土板的作用，有效地减少了鼓曲作用，预计侧向刚度会大于单纯的用，有效地减少了鼓曲作用，预计侧向刚度会大于单纯的钢板剪力墙。钢框架钢板剪力墙。钢框架-侧向支撑结构，在承载后期，添加侧向支撑结构，在承载后期，添加在内部的斜撑由于压杆失稳，会产生面外的屈曲从而退出在内部的斜撑由于压杆失稳，会产生面外的屈曲从而退出工作，但是抗侧力性能以目前还不能断定。工作，但是抗侧力性能以目前还不能断定。研 究 进 度 2013年年3月月2013年年4月：阅读大量国内外相关文献和资月：阅读大量国内外相关文献和资料，了解研究领域的最新动态，确定相关的研究方法。料