（土木工程专业论文）带吊车的变截面门式刚架的地震反应分析.pdf

11，1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特i i ) i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) e l l l ：列o 岁2 7 ，】j-1 摘要 摘要 近年来，轻型变截面门式刚架结构在我国得到了越来越广泛的应用，跨度 和高度也越来越大。我国颁布的协会标准门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 ( c e c s ：2 0 0 2 ) 中没有对变截面门式刚架需要进行抗震设计的情况进行具体规 定，但在条文说明中提到：“当抗震设防烈度对7 度时，一般不需做抗震验算； 当为8 度及以上上，横向刚架和纵向框架均需做抗震验算。门式刚架轻型房 屋钢结构技术规程( c e c s ：2 0 0 2 ) 也并未规定桥式吊车的抗震设计情况。 本文主要对门式刚架轻型房屋钢结构技术规程( c e s ：2 0 0 2 ) 中没有规定 的带吊车的变截面门式刚架的抗震性能进行研究。首先，本文考虑材料非线性， 利用有限元软件a n s y s ，建立了合适的变截面轻型门式刚架的计算模型，并分 别对1 2 种不同跨度的门式刚架进行了模态分析，分析发现：结构固有频率随跨 度的增加而降低；对于同一柱距，跨度较小时其各阶固有频率变化较大，而跨度 大时其各阶固有频率变化较小。其次，通过大量的算例分析，研究刚接变截面门 式刚架的抗震性能，并对其自振频率、振型进行了分析。在梁柱截面尺寸不变时， 通过地震参与荷载组合与不参与荷载组合两种情况，分别计算出柱上端，梁端和 跨中处的内力大小，确定什么情况下地震作用起控制作用。 关键词：楔形变截面门式刚架地震作用效应抗震性能设防烈度 北京t 业大学1 = 学硕f j 论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l i g h tv a r i a b l ec r o s s s e c t i o np o r t a lf r a m es 伽l c t u r ei nc h i n ah a s b e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ，s p a na n dh e i g h ti sa l s og r o w i n g ( ( t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o nf o rs t e e ls t r u c t u r e ，o fl i g h t - w e i g h tb u i l d i n g sw i t hg a b l e df r a m e s ) ) ( c e c s10 2 ：2 0 0 2 ) ，o u rc o u n t r ye n a c t e d ，d o e s n td e f i n ec o n d i t i o n st h a tt a p e r e dp o r t a l f r a m en e e d s e a r t h q u a k ed e s i g n b u tm e n t i o n si ni l l u s t r a t i o no fr u l e s ：w h e ne a r t h q u a k e f o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t yi s7d e g r e e ，t h ep o r t a lf r a m ed o e s n t n e e da n t i e a r t h q u a k e c h e c k i n gg e n e r a l l y ；b u tf o r8d e g r e ea n da b o v e ，h o r i z o n t a lj u s t w i t hl e n g t h w a y s f r a m e sb o t hn e e da n t i - e a r t h q u a k ec h e c k i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed o o r so ft h ep r o v i s i o n sc o n t a i n e dw i t ht h e c r a n e c r o s s s e c t i o no ft h ed o o rf r a m es e i s m i cp e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d f i r s t l y , t h i sp a p e r , b yc o n s i d e r i n gt h em a t e r i a ln o n l i n e a rf i n i t e d e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，t h ep r o p e r c r o s s s e c t i o nl i g h td o o rf r a m e ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f12d i f f e r e n ts p a nt h ed o o r f r a m e t h em o d a la n a l y s i s ，s 仃u c t u r ei n h e r e n tf r e q u e n c yi n c r e a s e sw i t ht h es p a n ，f o r t h es a m es p a n ，s p a nh o u r sa l lt h en a t u r a lf r e q u e n c i e s ，a n dc h a n g ei t ss p a no f n a t u r a l f r e q u e n c i e s s m a l l c h a n g e s s e c o n d l y , t h r o u g h t h e e x a m p l ea n a l y s i s o fl a r g e c r o s s s e c t i o n ，c o l u m nh i n g e dd o o rf r a m eo fs e i s m i cp e r f o r m a n c e ，a n di t s v i b r a t i o n f r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d e lw e r ea n a l y z e d t h r o u g ht h es e i s m i cl o a dc o m b i n a t i o n a n dn o tp a r t i c i p a t ei nl o a dc o m b i n a t i o nt w ok i n d so fc i r c u m s t a n c e s ，c o l u m ns e c t i o n d i m e n s i o nc o n s t a n t ，c o l u m nt o pg i r d e r , a n dt h ei n t e r n a lf o r c ei ns i z e ，d e t e r m i n ew h a t c i r c u m s t a n c es e i s m i ca c t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：t a p e r e dp o r t a lf r a m e e a r t h q u a k ef o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t y e a r t h q u a k er e s i s t a n tb e h a v i o r s e i s m i ca c t i o ne f f e c t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论；“l 1 1 轻型钢结构门式刚架的应用背景简介1 1 1 1 轻型钢结构门式刚架结构的特点1 1 1 2 轻型钢结构门式刚架的结构构成2 1 1 3 轻型钢结构门式刚架的荷载作用和传力路径2 1 1 4 门式刚架的分类3 1 1 5 轻型钢结构门式刚架在国外的发展概况4 1 1 6 轻型钢结构门式刚架在国内的发展概况5 1 1 7 我国轻型钢结构门式刚架结构体系存在的问题5 1 1 8 轻型钢结构门式刚架结构在我国的发展应用前景5 1 2 常用变截面门式刚架的介绍6 1 2 1 楔形变截面门式刚架研究概况7 1 2 2 国外研究概况7 1 2 3 国内研究概况8 1 3 本论文问题的提出、研究目的和意义1 1 1 4 本章小结1 2 第2 章影响带吊车的楔形变截面门式刚架的抗震性能的主要因素分析1 3 2 1 门式刚架柱脚1 3 2 2 门式刚架跨度与高度1 3 2 3 楔形变截面构件梁的截面描述1 3 2 4 楔形变截面门式刚架的抗震计算1 4 2 4 1 钢结构地震破坏1 4 2 4 2 抗震设计一般规定1 5 2 4 3 地震作用计算1 6 2 5 本章小结1 8 第3 章a n s y s 有限元软件及动力分析理论介绍1 9 3 1 有限元理论1 9 3 1 1 有限元法的发展概况1 9 i i i 北京t 业大学t 学硕十论文 3 1 2 有限元软件a n s y s 简介2 0 3 1 3a n s y s 功能模块简介2 1 3 2a n s y s 的单位制2 2 3 3 单元类型的选择2 3 3 4 有限元分析的一般步骤2 3 3 5 离散体运动微分方程建立2 3 3 5 1 连续区域的离散化及构造插值函数2 3 3 6 模态分析理论2 6 3 。6 1 模态分析理论2 6 3 6 2 特征值问题的基本计算方法2 7 3 7 本章小结2 7 第4 章轻型变截面门式刚架结构的动力特性分析2 9 4 1 门式刚架截面尺寸2 9 4 2 模态分析3 0 4 2 1 模态概述3 0 4 2 2 变截面门式刚架的模态分析3 1 4 2 3 不同跨度变截面门式刚架振型分析3 1 4 2 5 不同跨度变截面门式刚架自振频率分析3 4 4 2 6 不同跨度变截面门式刚架自振振型分析3 5 4 2 7 与不含吊车的变截面门式刚架计算结果的对比3 5 4 2 8 结果分析比较3 7 4 3 本章小结3 7 第5 章带吊车的变截面门式刚架的抗震性能分析3 9 5 1 分析参数确定3 9 5 1 1 抗震参数3 9 5 1 2 荷载参数3 9 5 1 3 门式刚架参数4 1 5 1 4 材料4 2 5 2 计算分析4 2 5 2 1 门式刚架截面尺寸取值4 2 5 2 2 分析时采用的荷载组合4 2 5 2 3 计算结果表格4 2 5 2 4 结果分析6 0 目录 5 3 本章小结6 1 结论与展望6 3 参考文献6 5 附录6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 3 致谢7 5 v 北京t 业大学t 学硕十论文 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 轻型钢结构门式刚架的应用背景简介 轻型门式刚架房屋结构在我国的应用大约始于2 0 世纪8 0 年代初期。近几十 年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢结构建筑工程，主要 用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。作为一种常 用的结构形式，我国于2 0 0 2 年重新修订了协会标准门式刚架轻型房屋钢结构 技术规程( c e c s ：2 0 0 2 ) u 】( 以下简称规程) 。门式刚架作为一种房屋结构形 式用途十分广泛，具有造型美观、价格便宜、抗震性能好、布置灵活、施工速度 快等优点，近年来在中小型厂房、仓库、大型超市等方面得到广泛的应用，许多 国家如英、美、日、澳大利亚等已把它作为一种经济快捷的建筑结构体系，以商 品的形式出售。随着新型建筑材料的出现，加工设备也不断完善，设计形式呈多 样化，门式刚架轻型钢结构体系逐渐应用于大型工业厂房、商业建筑、交通设施 等建筑中，实现了结构分析、设计、出图的程序化，构件加工工厂化，安装施工 和经营管理一体化的流程。业主不是带着图纸委托加工，而是向承包商订购某种 轻型钢结构房屋，承包商在规定时间内按业主的要求按质建成，并交付使用，这 种高质量的快速供货方式使得门式刚架轻型钢结构得以迅速发展【2 ，3 】。 1 1 1 轻型钢结构门式刚架结构的特点 轻型钢结构门式刚架结构具有如下特点： ( 1 ) 主体承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架； ( 2 ) 屋盖采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条，在某些条件下也可以 采用轧制槽钢或工字钢； ( 3 ) 外墙采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢墙粱，在外墙板接近地面处 为了防止其锈蚀，可从地面砌高度i m 左右的砖墙，但是该法不一定经济，尤其 是在软土地区； ( 4 ) 屋盖和墙体可采用轻质保温隔热层； ( 5 ) 建筑物内无桥式吊车或有质量不大于2 0 t 的a 1 一a 5 工作级别的桥式吊 车或3 t 悬挂式吊车； ( 6 ) 屋面水平支撑系统的交叉拉杆和柱间支撑可采用圆钢，但应带张紧装 置。 北京t 业大学t 学硕1 j 学位论文 曼曼皇曼曼曼量曼! 曼曼皇皇量皇曼蔓! 曼鼍曼皇皇曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼皇曼曼勇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼孽i l 1 1 2 轻型钢结构门式刚架的结构构成 轻型钢结构门式刚架主要是由主体承重结构、围护结构和辅助结构三部分组 成。 主体承重结构包含钢结构承重系统和基础。钢结构系统一般由主刚架、支撑 系统( 屋面水平支撑和柱间支撑) 、系杆等组成；基础一般采用钢筋混凝土独立 基础。主刚架包括刚架斜梁和刚架柱，刚架结构一般采用焊接或轧制的工字钢， 截面沿构件长度可相等也可渐变，刚架斜梁与柱间的连接采用刚接接头。屋面支 撑系统包括刚性系杆和交叉拉杆，刚性压杆多采用圆钢管，交叉支撑采用圆钢， 但应带张紧装置，也可以采用角钢；柱间支撑的构造与屋面支撑类似，但在地震 区，交叉拉杆需按刚性杆设计，应具有承压能力。系杆设置与柱顶与脊顶，有时 可以由檩条兼做，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求，当不满足时， 可在刚架斜梁间设置钢管、h 型钢或其他截面的受压杆件。 围护结构系统包括屋面和墙面两部分。屋面围护结构由彩色压型钢板和檩条 共同构成，檩条多采用“c ”型或“z ”型冷弯薄壁型钢制作，一般在檩条间顺 屋面方向设置拉条，檩条与刚架斜梁间设有隅撑；墙面围护结构有彩色压型钢板 墙板和墙骨架组成。墙架柱沿墙面设置，墙架柱的上端与梁竖向滑动连接，下端 支撑在地面基础上，多采用工字形焊接或轧制截面。墙粱采用“c ”型或“z 型冷弯薄壁型钢制作。 辅助结构为平台、楼梯、气楼、雨棚等。 1 1 3 轻型钢结构门式刚架的荷载作用和传力路径 轻型钢结构门式刚架的外力作用主要有竖向荷载和水平荷载。其中竖向以 重力荷载为主，包括屋面永久荷载( 屋面板、檩条、屋面支撑系统及吊挂的管道 等) 、屋面可变荷载及结构自重等。屋面可变荷载包括活荷载、雪荷载、积灰荷 载、施工检修荷载和悬挂吊车荷载等；水平荷载一般为风荷载、地震作用及吊车 的水平荷载。依据结构所受到的外荷载作用特点，轻型钢结构门式刚架提供了相 应的承载体系和明确的传力路径。 轻型钢结构门式刚架的竖向荷载主要由横向主刚架承受，主要传力路径为： 屋面荷载作用于屋面板一檩条一刚架斜梁一( 托架) 一刚架柱一基础。 水平荷载有两个主要作用，即横向水平作用和纵向水平作用。横向水平作用 主要由横向刚架承受，刚架依靠其自身刚度抵抗外部作用，传力路径为： 围护结构一主刚架一基础【4 】。 2 第1 章绪论 1 1 4 门式刚架的分类 门式刚架包括多种形式，可从跨数、高度、屋面的坡向及柱脚的支撑条件等 多方面进行分类。 依据刚架的跨数可分为单跨、双跨和多垮门式刚架结构，如图1 1 所示。 ( a ) 单跨 ( b ) 双跨( c ) 多垮 图1 - 1 刚架分类示意图 f i gl - 1f r a m ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e s 双跨或多跨刚架在高度上有等高与不等高之分。 根据屋面坡度可分为单坡和双坡门式刚架。刚架斜梁坡度的选择主要由建筑 设计、工艺和当地的气候条件确定，一般来说，随坡度的增大，刚架柱和基础所 受的水平推力将增大。 门式刚架结构的柱子与基础的连接有铰接与刚接两种连接形式，如图1 2 所 示。上述两种连接的柱脚与基础的受力各有特点，相同条件下采用刚接连接时基 础的费用将增加，但在外荷载作用下柱顶侧移将有所减小。一般情况下，门式刚 架钢结构采用柱脚铰接形式。对于本文中带吊车的楔形变截面门式刚架，因为柱 子受力相对增大，故采用柱脚刚接形式。 ( a ) 柱脚铰接刚架( b ) 柱脚刚接刚架 图i - 2 铰接与刚接刚架示意图 f i gl 一2t h ef r a m es c h e m a t i cd i a g r a m e do fh i n g e da n d 打g i d 除上述分类外，还有一种设中柱的门式刚架结构，如图1 3 所示，中柱与刚 架斜梁的连接有铰接与刚接两种，一般当采用铰接时的中柱称为摇摆柱。 3 卜 -l- 北京t 业大学t 学硕十学位论文 ( a ) 刚接中柱 ( b ) 摇摆中柱 图1 - 3 双跨刚接中柱连接示意图 f i g l - 3d o u b l ec r o s s j u s tr i g i do f s l a b c o l u m nc o n n e c t i o n s 此外还有多种分类方法。比如依据刚架在平面位置的柱距等多种因素进行分 类。上述各种分类有些可能存在交叉或重叠的情况，进行分类的目的主要是便于 讨论问题。本文对于门式刚架按照同一柱距进行计算，便于比较分析得出结论。 1 1 5 轻型钢结构门式刚架在国外的发展概况 轻型门式刚架结构体系始于美国。日本和欧洲轻型门式刚架结构体系的应用 也较多，但美国的轻型门式刚架结构体系发展最快，应用也最为广泛。美国最初 的轻型门式刚架结构用于建造兵营和一般的小型工业厂房，随着新型建筑材料的 出现、加工设备的不断改善、设计形式的多样化，轻型门式刚架结构体系渐渐普 及到大型工业厂房、商业建筑、交通设施等建筑中，实现了设计、分析、出图的 程序化( 构件加工、安装施工、经营管理一体化流程) ，现已具有经营、科研、设 计、加工、运输、售前售后服务等整体运作系统。 由于厂房结构定型化、规范化，可以采用计算机对整个厂房的各种构件进行 优化设计，一般单层轻型结构厂房( 吊车起重量1o t ，柱距 1 0 0 k gm 2 。 根据统计，美国轻型门式刚架结构体系主要用途比例如下： 1 商业：仓库、小卖店、事务所、银行、车库设施占4 2 ： 2 制造业：制造工场、仓库占3 4 ： 3 文化娱乐业：学校、教堂、娱乐、福利设施占9 ： 4 其它：1 5 。 在日本，轻型门式刚架结构体系有两种类型：第一种类型是日本自身发展起 来的，已实现了构件标准化、定型化、装配化，经营管理、设计、生产、施工、 售后服务系统化；第二种类型是1 9 8 9 年以来，由美国引进的轻钢结构体系的基 础上发展起来的。日本工程界近几年正就主刚架在地震力作用时保有水平耐力所 4 1 第1 章绪论 需的d s 值的取法、5 5 k g 级钢材大断面z 型冷弯薄壁型钢凛条及墙梁、高强度螺 栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研列3 ，5 1 。 1 1 6 轻型钢结构门式刚架在国内的发展概况 我国轻型门式刚架结构体系起步较晚，是在引进国外的相关材料和软件的基 础上发展起来的，近年来，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、h 型钢的大批量生产 得以实现，轻型门式刚架结构体系得到了较为广泛的推广。应用的发展推动了该 种体系在我国的设计、成型一体化进程，许多大型钢结构公司都增加了轻型门式 刚架结构体系的生产线。程序化设计已经取代手工设计，国外设计软件逐渐被我 国自行编制的设计软件所替代。为了适应轻型门式刚架结构体系迅速兴起的市场 需求，我国工程建设标准化协会修订了门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 ( c e c s l 0 2 ：2 0 0 2 ) ，该规程为我国轻型门式刚架结构体系的设计、生产、施工提供 了依据【6 1 。 1 1 7 我国轻型钢结构门式刚架结构体系存在的问题 虽然我国的轻型门式刚架结构体系理论和工程实践发展迅速，但目前仍存在 一些问题有待于进一步解决：对减少用钢量指标的些主要因素，如结构的蒙皮 效应、空间作用和宽腹i 形截面的屈曲后强度以及壁板局部屈曲后的塑性设计还 研究甚少r 7 】；没有实现真正意义上的一体化流程，施工工期与国外相比仍显得较 长；许多施工过程中的工艺方法有待于进一步研究，现场拼接的优越性没有充分 发挥。采用平面分析方法进行设计，较少考虑整体结构的空间作用；结构设计偏 于保守，腹板的宽厚比限值与国外相比显得很低，没有充分发挥材料的承载能力， 所设计的结构整体用钢量较高【7 1 。 另外，研究和开发新型接头，是轻型钢结构研究工作的一个重要方面。传统 的连接方法通常采用栓焊混合连接，或纯螺栓连接，或纯焊接连接，特别是工地 高空焊接连接给施工带来诸多麻烦。从国外轻型钢结构接头的使用情况来看，法 兰盘连接接头应用极其广泛并给安装带来极大的方便，可为我们借鉴。含吊车的 门式刚架的研究情况在国内做也比较少【8 】。 1 1 8 轻型钢结构门式刚架结构在我国的发展应用前景 门式刚架建筑作为一种轻型钢结构体系，主要承重构件和围护结构一般均采 用钢材制造。因此，钢材的产量和加工水平，尤其是建筑钢材的常量和j 口- r 水平 对门式刚架的应用起决定性作用。我国的钢材工业在改革开放后取得了迅猛的发 展。但目前我国用于建造钢结构房屋的钢材所占的比重仍然很小，与发达国家相 5 北京t q p 大学t 学硕卜学佗论文 曼i 量曼鼍曼曼曼皇曼曼皇曼曼置曼曼曼曼舅皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼量曼曼曼曼量曼曼曼詈曼舅皇曼曼曼曼曼曼曹舅置量 比存在较大的差距。因此，随着我国经济的飞速发展，钢结构的发展空间将进一 步扩大，门式刚架轻型钢结构作为现在钢结构中的一支奇葩，未来必将得到长足 的发展。 门式刚架轻型钢结构一方面能够满足承载要求，在外荷载作用下保证结构安 全、可靠，具有足够的耐久性；另一方面，又必须提供人类生产或生活的舒适环 境。众所周知，钢材具有耐腐蚀性差、热膨胀系数大和耐火性差等不利因素。我 国幅员辽阔，地区气候差异较大，有的地区日温差也很大，或湿度较大，因此， 要使门式刚架轻型钢结构房屋的应用广度加大必须克服上述不利条件。解决上述 问题的途径主要包括：加强结构的抗腐蚀性研究，并开发出经济、适用且在结构 表面涂刷后美观的防腐材料；加强对外墙和屋面围护材料的研究，实用的围护材 料应具有良好的保温、隔热性能，同时应厚度小、重量轻，从目前情况看，在我 国墙面与屋面保温隔热材料也是制约轻钢结构建筑发展的重要因素。 在选择结构形式时，经济性是一重要指标。门式刚架轻型钢结构由于重量轻， 单位面积耗钢量小，工程造价与钢筋混凝土结构基本持平。由于门式刚架便于工 厂化进行构件加工，制造可达到自动化水平，我国现有钢结构企业如雨后春笋， 各地纷纷建厂，但是制作与安装水平良莠不齐，在一定程度上使构件的加工和施 工费用有所提高，门式刚架轻型钢结构的经济性没有得到充分的发挥。因此，提 高结构的加工和安装水平，对于提高结构的经济效益，促使门式刚架轻型钢结构 在我国的应用具有重要的意义。 综上所述，门式刚架是一种较为成熟的结构体系，在国外已经取得了广泛的 发展，在我国也有广阔的应用前景。 1 2 常用变截面门式刚架的介绍 轻型门式刚架结构按截面形式主要分为两种类型：等截面门式刚架结构体系 和变截面门式刚架结构体系。门式刚架结构的主体结构由等截面或变截面的焊接 ( 或轧制) h 型钢门架构成，柱脚设计成铰接或刚接；附属结构采用冷弯薄壁型 钢的檩条和墙粱；围护结构采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接h 型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼 缘的宽度和厚度。依据刚度的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组 成，而梁则由几个楔形构件组成。 尽管由于钢结构具有良好的延性，但在国内外频繁出现的地震活动以及由此 引起的震后灾害中，经常出现钢结构建筑倒塌，钢柱的脆性断裂，以及支撑屈曲 和数量较多的梁柱节点破坏等现象。如：1 9 9 4 年美国北岭地震中，发现大量的 局部破坏引起钢结构丧失使用功能的情况：包括梁柱节点连接破坏，支撑的整体 6 第1 苹绪论 失稳和局部失稳等；1 9 9 5 年日本阪神地震中，出现了钢柱脆断、支撑及其连接 板的破坏、梁柱节点的破坏等现象。然而，在抗震性能研究方面，目前国内外对 轻型钢结构的研究远不如对钢筋混凝土研究的那样深入细致。近些年，门式刚架 的跨度、高度都越来越大。为了使结构受力合理以及节省材料，工程上更多地的 采用变截面门式刚架，然而对此类结构( 含吊车) 的地震反应的研究却进行的很 少。为了适应工程应用和设计的需求，对轻型变截面门式刚架结构进行地震反应 分析是很有必要的。 1 2 1 楔形变截面门式刚架研究概况 变截面构件的研究与应用己经有几个世纪了，其截面变化形式一般有三种： 第一种为阶梯形变截面构件，第二种为楔形变截面构件，第三种为楔形与阶梯形 混合的变截面构件。阶梯形变截面构件由于可沿阶梯处划分为分段等截面构件， 其分析及形式较为简单，国内外对其研究已较为成熟，常应用于有吊车的重型工 业厂房中。楔形变截面构件由于其截面形状能更好的接近荷载作用下的内力图 形，所以能更好地发挥材料的性能，提高设计的经济性，这种构件在国外研究应 用的较早，尤其是美国，早在2 0 世纪6 0 年代初到7 0 年代中期，就有学者专门 从事这方面的研究，为变截面构件在实际工程中的应用提供了理论基础，在美国 工业化建筑的发展中起到了不可或缺的作用。 1 2 2 国外研究概况 最近几十年对楔形变截面构件的研究一般基于两种理论；一种是 b e m o u l i e u l e 理论，主要研究薄壁型钢组成的变截面构件，不考虑剪切变形；另 一种是t i m o s h e r t k o 理论，考虑剪切变形。而对楔形变截面构件的分析及研究常 见的主要有两个方面：一是对单一构件性能的分析及研究，例如平面内稳定、平 面外稳定、弯扭屈曲等；二是对由变截面构件组成的结构( 如门式刚架) 进行的 内力分析。 美国著名学者a m i y i k i a n ( 1 9 5 0 ) 首先对变截面框架结构进行了内力分析及研 究，采用表格及曲线图来表达弯矩分布系数。后来的二三十年里，经过不少学者 的大量分析和试验研究，给出了有侧移和无侧移楔形变截面门式刚架的计算图表 【9 】 o f o g g d 和k e t t e r ( 1 9 6 2 ) 对楔形变截面构件的弹性屈曲强度问题进行了研究， 考虑了两种不同的截面变化形式：一种是工字形截面楔形构件，假定其材料集中 于翼缘，腹板高度呈线性变化，另一种是箱形截面楔形构件，给出了这两种变截 面构件的平面内弹性屈曲方程【1 0 1 。 7 c h a r l e s g g u l e r 和s t e p h e n m p r e g ( 1 9 6 6 ) 对楔形梁柱的弹性稳定进行了分 析，通过建立平衡方程，推导出弯矩与轴力联合作用下的相关公式1 1 】，但误差较 大。 j u s t p ( 1 9 9 7 ) 通过建立微元体的平衡方程： d d x 2 2f ，e 1 捌d x 2 ) = 万d 2 m = 。 ( 1 1 ) 推导出位移函数： ：怕志hf l 志协 m 2 ) 一w 坞珐出卜焉出卜3 ， 并推导出 舻呜帕s 帮 n 4 通过公式( 1 2 ) 、( 1 - 3 ) 可以得到弯曲刚度矩阵由公式( 1 4 ) 可以得到轴力 刚度矩阵总刚度矩阵由两部分构成。这种方法的优点是：每根构件只需要划分为 一个单元就能得到较精确的解。但是不足之处是其推导较为复杂，研究中仅对工 字形截面和箱形截面的构件进行了分析，不具有通用性，因而不便于工程实际应 用。 j o h n c e r m o p o u l o s ( 1 9 8 6 ) 在j e m e s m g e r e 和w i n f r e d o c a r t e 的研究基础上， 研究了楔形变截面构件在轴心荷载作用下的弹性临界荷载值。通过对三种不同杆 端约束条件的分析，得到相应的特征方程，并给出一系列的曲线图和表格。由此 即可确定相应截面形式、边界条件下构件所具有的最大临界荷载 1 z , 1 3 1 。 j m d a v i e s ( 1 9 9 0 ) 用能量法对山形铰接刚架进行了平面内的稳定分析，考虑 了斜梁轴向力的影响，给出了较为复杂的计算公式【1 4 】，但此分析仅限于等截面构 件。另外，为了研究变截面构件的性能，国外还做了大量的试验，在此不一一叙 述。 1 2 3 国内研究概况 我国对楔形构件的研究最早可以追溯到1 9 5 6 年，当时蔡方荫教授对变截面 构件进行了较深入的研究，利用力法方程，通过积分得到变截面构件的载常数与 形常数。而对变截面门式刚架的研究主要集中在最近十几年，1 9 9 6 年周敏辉针 对楔形变截面门式刚架柱、梁的稳定计算长度进行了分析，提出了其在不同约束 条件下的计算方法；对楔形变截面门式刚架内力有限元计算及地震力计算中的关 键问题进行了分析并提出了计算公式；并分析了各种荷载( 均布、集中、轴力、弯 ， 第1 章绪论 矩、地震荷载) 对结构内力的影响，提出了弹性阶段的计算公式以及压弯楔形构 件在平面内、平面外稳定的相关公式【1 5 】。 1 9 9 7 年，徐贵章用有限元直接刚度法形成变截面刚架结构的刚度矩阵，并 经静力缩聚得到结构的动力柔度矩阵，利用s t o d o l a 迭代法和规范地震反应谱再 完成地震反应分析和振型组合计算【1 6 】。 1 9 9 8 年，陈绍蕃、顾强、周敏辉对楔形变截面门式刚架内力有限元计算及 地震力计算中的关键问题进行了分析并提出了计算公式旧。 1 9 9 9 年，王文明和郭彦林等比较了不同类型梁单元( 等截面梁单元、普通位 移模式变截面梁单元、积分位移模式变截面梁单元) 对变截面刚架内力分析的差 异，并分析了横梁轴力对刚架柱稳定的影响【l 引。 1 9 9 9 年李峰研究了楔形变截面单跨门式刚架柱的计算长度，利用有限元法 编制程序对柱脚铰接及柱脚刚接有侧移楔形变截面单跨门式刚架的整体稳定性 进行了大量算例分析，通过分析横梁轴力及屋面坡度对刚架柱稳定性的影响，提 出了考虑横梁轴力影响时如何用查表法及侧移刚度法确定楔形刚架柱的计算长 度系数。通过建立梁一柱间平衡关系并编程计算，适当扩大并细化了计算长度系 数查表的取值范围【1 9 1 。同年陈向荣研究了带摇摆柱变截面门式刚架柱的计算长 度，分析了摇摆柱对刚架稳定性的不利影响，分别提出了有内摇摆柱及外摇摆柱 的变截面门式刚架柱计算长度系数的实用公式【2 0 1 。 2 0 0 2 年中国建筑标准设计研究院的申林、胡天兵、蔡益燕发表论文【2 l 】，文 中以设防烈度为7 度、8 度两种情况，场地类别为i i 类，设计地震分组第一组为 前提，对设计中常用的7 0 榀不同高跨比的单层无吊车门式刚架进行了抗震计算 并考虑了2 1 0 种工况，最后得出如下结论：( 1 ) 在刚架结构的横向，对于无吊车 的单跨门式刚架，地震烈度为7 度时，地震作用对门式刚架结构的设计不起控制 作用。地震烈度为8 度时，当刚架的跨高比超过3 5 后，地震作用对门式刚架结 构的设计不起控制作用；刚架的跨高比为1 3 5 时，地震作用对门式刚架结构的 设计起控制作用，其中跨高比为1 5 时，地震作用的影响最大。( 2 ) 在刚架结构 的纵向，对于无吊车单跨刚架，地震烈度为8 度时，地震作用对柱间支撑的设计 起控制作用，设计时必须考虑。地震烈度较高地区，高跨比较小时，地震影响比 风荷载影响要大。门式刚架结构的纵向框架是否需要抗震计算与结构的纵向长度 无关。 2 0 0 4 年，西安建筑科技大学硕士研究生兰海龙【2 2 】对变截面门式刚架的抗震 性能做了分析，确定什么情况下地震作用效应组合起控制作用。但变截面门式刚 架需要进行抗震设计，他在文中求解结构地震反应时使用的是拟静力方法，采用 了底部剪力法分析结构的地震作用。 9 北京丁业大学丁学硕十学位论文 2 0 0 4 年，清华大学章军、王元清、陈宏、石永久【2 3 】通过算例分析，分别讨 论了地震作用组合工况对几种形式门式刚架轻型房屋钢结构的影响，以探讨门式 刚架设计过程中地震作用的计算和抗震措施等问题。 2 0 0 4 年，林功丁 2 4 】讨论了建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 9 2 0 0 1 ) 和规程 对门式刚架设计风荷载取值规定的不同以及7 度抗震设防时是否需要对门式刚 架进行抗震验算的问题，并作出若干比较与分析。 2 0 0 4 年，彭珊 2 5 】对钢结构交错桁架体系进行了弹性反应谱分析、输入了两 条强震记录进行弹性以及弹塑性时程分析，介绍了如何选择地震波，结构抗震理 论和抗震规范对抗震设计的要求。 2 0 0 5 年，邱新n t 2 6 】选用了合适的地震波并进行幅值调整，在进行非线性时 程分析时，选取三线型刚度退化模型，最终得出上部结构及桩基础的地震反应。 2 0 0 5 年，李玉杯【2 7 】通过a n s y s 建立了三维有限元模型，并对模型进行了中 震作用下弹性分析及大震作用下的弹塑性分析，并详细说明了地震波选取的方 法，其计算结果为结构抗震设计提供理论依据，并对以后类似复杂体型高层建筑 的分析设计有较大参考价值。 2 0 0 5 年，赵东杰【2 8 】选用各种地震参数，通过地震作用和风荷载作用下水平 总剪力的对比计算，分析了门式刚架轻钢结构的抗震性能及其特点，为门式刚架 轻钢结构的设计计算提供了参考。建立了有檩条和无檩条的空间有限元模型，并 进行模态分析。采用单质点模型，p k p m 软件及a n s y s 软件模型对结构周期进 行计算，其质点模型计算结构的基本周期为： 历 t = 2 n f 1 ( 1 5 ) 。班 式中g 。是结构等效总重力荷载：g 为重力加速度；k 为结构的刚度。 2 0 0 6 年，李风霞 2 9 】简单阐述了门式刚架基本结构体系以及细部结构在进行 抗震设计时应注意的一些问题。她提出的仅仅是概念设计没有进行抗震分析。 2 0 0 6 年，苏银梅【3 0 】利用a n s y s 软件基于空间结构体系对门式刚架的抗震性 能进行了分析，并对空间体系下与平面结构体系下门式刚架的抗震性能进行了对 比，建议应采用空间模型计算门式刚架。 2 0 0 6 年，徐国军【”】采用静力弹塑性p u s h o v e r 分析方法对一复杂高层钢 结构一杭州国际会议中心主体结构进行了推覆分析。文中介绍了时程分析的步骤 并详细介绍了地震波的选择和恢复力特性曲线。 2 0 0 6 年，鲁小兵【3 2 】讨论了抗震设计方法，高层建筑结构动力分析理论，详 细介绍动力分析的过程，最后结合一具体工程实例进行计算分析，得到一些可供 l o 第1 章绪论 参考的结论。 2 0 0 7 年，李海平取两端承受不等端弯矩的两端简支工字形截面压弯构件 作为计模型，通过变化腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比、荷载偏心距等参 数，利用有限单元法对压弯构件进行平面内稳定承载力分析。研究表明规范中的 有效宽度计算方法在很大范围内偏于保守，而规程中的方法较为合理。 2 0 0 7 年，骆剑锋【3 4 】应用s a p 2 0 0 0 和课题组编制的弹塑性时程分析程序对四 个四层、八层、十二层和十六层的三跨框架结构进行推覆和时程分析，并选取了 两种天然地震波e 1 一c e n t r o 波和k o b e 波用于结构时程分析研究，得出了时程 分析结果比相对推覆分析结果偏大的结论。 1 3 本论文问题的提出、研究目的和意义 我国对变截面门式刚架的研究起步较晚，尤其是对楔形变截面门式刚架抗 震性能的研究还不够系统。我国在2 0 0 2 年颁布实施的门式刚架轻型房屋钢结 构技术规程( c e c s1 0 2 ：2 0 0 2 ) 规定：“门式刚架轻型房屋钢结构的地震作用效应 可采用底部剪力法分析确定。抗震验算时，结构的阻尼比可取o 0 5 。 并在后面 的条文说明中指出：“由于单层门式刚架轻型房屋钢结构的自重较小，承载力一 般不受地震作用效应组合控制，设计经验表明，当抗震设防烈度为7 度时，一般 不需做抗震验算；当为8 度及以上时，横向刚架和纵向框架均需做抗震验算。当 设有多于一层并与门式刚架相连接的附属建筑时，应进行抗震验算。建筑抗 震设计规范 3 5 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 考虑到轻型房屋钢结构的特点，在9 2 1 条中 指出，一般单层厂房钢结构的抗震规定“不适用于单层轻型钢结构厂房”。规程 在条文说明中指出，对轻型房屋钢结构，当由地震作用效应组合控制设计时，尚 应针对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。例如，构件直接的连接应尽 量采用螺栓连接；斜梁下翼缘与刚架柱的连接处宜加腋以提高该处的承载力，该 处附件翼缘受压区的宽厚比宜适当减小；柱脚的抗剪、抗拔承载力宜适当提高， 柱脚顶板宜设抗剪键，并采取提高锚栓抗拔力的相应构造措施；支撑的连接应按 支撑屈服承载力的1 2 倍设计等。但是，没有具体指出在什么情况下地震作用效 应组合起控制作用，需要进行抗震计算。钢结构设计规范 3 6 ( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 也没有明确规定。尤其对于带吊车的门式刚架的研究也比较少，虽然有一些相关 的论文发表，但是理论上的总结并不是很系统。 规程对于带有桥式吊车的变截面门式刚架并没有涉及，本文研究的目 的在于补充规范中对于带吊车的变截面门式刚架计算和设计的不足。通过对1 2 种跨度的楔形变截面门式刚架进行荷载组合，利用得到的结果比较地震作用效应 参与荷载组合与不参与荷载组合两种情况下，同一刚架柱项、梁端、跨中截面处 北京t 业大学t 学硕 j 学位论文 的内力大小，得出地震作用效应组合控制刚架设计的情况，并由此得到关于地震 作用对轻钢结构的影响结论，为设计人员提供参考。 1 4 本章小结 本章首先介绍了门式刚架结构的结构组成以及在国内外的研究现状，说明 门式刚架是一种在未来很富有生命力的结构形式，接着介绍了常用楔形变截面门 式刚架的组成和楔形变截面门式刚架在国内外的发展概况。最后系统性的提出了 本文问题提出的研究目的和意义。 1 2 第2 章影响带吊车的楔形变截面门式钢架的抗震性能的主要冈素分析 第2 章影响带吊车的楔形变截面门式刚架的抗震性 能的主要因素分析 2 式刚架柱脚 轻型门式刚架柱脚与基础通常做成铰接，一般对无吊车的工业厂房或仓库式 工业建筑，在侧向位移要求不是很严格的条件下，门式刚架的柱脚多按铰接支承 设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓，并且为了节约钢材采用变截面 柱以响应柱子弯矩的线性变化；这一举措尽管给安装和制造增加了一些麻烦，但 好处是双重的，其一是基础可做成铰接，其二是具有可观的经济效益，构件形式 与受力形式接近，设计更为合理。 但当柱高度较大时，为控制风荷载作用下的柱顶侧移值或当用于工业厂房且 有5 吨以上桥式吊车时，将柱脚设计成刚接可大大提