（工程力学专业论文）缀板梁结构抗震性能的力学研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 空间是建筑的主角。历代对建筑功能的空间需求由小跨到中跨到大跨，由封闭到开 阔到通散，要求在不断变化，标准在逐步提高。每当建筑功能提出新的空间尺度需要时， 首当其冲的是与旧结构体系的楼屋盖及内墙柱梁发生矛盾。在满足新空间要求的前提下， 使用什么材料，采用什么承荷传力的结构体系，既经济又合理地解决上述矛盾，这是结 构设计的首要任务。 现在多层或高层建筑工程的结构设计中，框架形式占有很大比例。框架结构采用梁 柱组成结构体系为竖向承重结构，同时承受水平荷载，是一个空间受力体系。正是由于 纵横向框架与楼板形成的紧密空间联系使得框架结构具有较强的空间作用。当房屋的跨 度较大时，框架设计会遇到困难。因为梁的截面高度与其跨度有关，当框架的跨度较大， 梁柱截面也较大时，不仅结构自重大，而且也占用太多建筑空间，以至于不够合理甚至 完全不允许由此，山东建筑大学赵玉星教授提出一种动态的处理结构的方法，通过适 当设置附加剪弯杆( 缀板) ，大幅度减小框架中的弯矩峰值，以使框架受力性能大大改 善，从而梁柱截面可以比较小，减小结构自重，以使得能够加大结构的跨度，获得理想 的空间。也正是这种缀板梁结构使框架结构充分发挥其建筑形式丰富多样、布置灵活、 满足各种使用功能的特点。 缀板梁结构作为一种新型结构，其延性、抗震耗能，以及地震作用下的整体性、受 力情况等等这些抗震性能都是急需研究的。 赵玉星教授等人提出缀板梁结构并在实际工程中多次成功使用，主要是作为承受竖 向荷载的结构。由于设置了缀板，框架沿竖直方向的刚度分布属于不规则的，所以不用 作水平抗侧力的主要体系会合理一些。 张鑫教授等人遇到某些工程由于无法设置其它的水平抗侧力体系，缀板梁框架成为 结构中唯一的水平抗侧力体系，所以对缀板梁框架的水平抗侧力性能进行了试验研究， 其研究成果构成了张鑫教授的同济大学博士学位论文。 笔者在本硕士学位论文中，用力学理论分析的方法对此课题进行了研究，以考察此 种结构遭遇地震时地震作用究竟是怎样分布的，是否是张鑫教授试验中所施加的水平力 分布规律；结构的水平变形分布是否是试验中所出现的水平变形分布规律 针对上述问题，本文从三个方面对缀板梁这种新型结构进行了综述和研究。 山东建筑大学硕士学位论文 第一，通过一榀缀板梁框架水平方向低周反复荷载实验得到的结构的受力情况、变形情 况等试验数据，分析结构的滞回曲线，结构的弹塑性变形及延性，结构的刚度衰减过程， 结构的破坏特征、破坏机理等，以了解结构的抗震性能 第二，对几种不同缀板梁布置的框架模型的自振周期与振型进行了分析，并对缀板梁结 构体系框架模型的水平地震作用进行了计算。通过以上的分析与计算，初步了解这种新 型结构的一些动力特性。 第三，利用a n s y s 有限元软件对一缀板梁结构体系模型进行计算分析，进一步了解重力 荷载作用下的结构响应、结构模态振型以及地震作用下的结构响应。 这样通过模型实验数据分析，结构动力特性分析，辅助以有限元软件分析计算，我 们简单掌握了缀板梁结构的一些抗震性能。这些研究成果为相关的工程建设提供了参考， 为更系统、更广泛地研究缀板梁这一新型结构体系打下了基础。 关键词：缀板梁结构，大跨度结构，动力特性分析，建筑抗震计算，框架结构 山东建筑大学硕士学位论文 m e c h a n i c a ir e s e a r c ho nt h es e i s m i cb e h a v i o ro fb a t t e n e d p l a t eb e a ms t r u c t u r e g u oj u ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i r e r t e db yz h a oy u x i n g a b s t r a c t t h es p a c ei st h ea r c h i t e c t u r a ll e a d i n gr o l e t h ef u n c t i o n a ls p a c en e e d i n g ，i nt h ep a s t , t o f r o ms m a l lb e s t r a d d l et om i d d l i n gb e s t r a d d l e ，g r e a tb e s t r a d d l e ，f r o mc l o s et os p a c i o u ss p a c e , t h er e q u e s ti sc o n t i n u o u s l yc h a n g i n g ，t h es t a n d a r di sg r a d u a l l yr a i s i n g 。w h e n e v e rt h e6 u i l d i n g f u n c t i o np u t sf o r w a r dan e ws p a c ed i m e n s i o n sd e m a n d i n g , t h ef i r s tc o n t r a d i c t i o ni st h a ti t c o n f l i c tw i t ht h eb u i l d i n gh o u s eo ft h eo l ds t r u c t u r es y s t e ma n dt h ei n s i d ew a l lp i l l a ra n d b e a m w h i l et h en e ws p a c er e q u e s ti ss m i s f i e d ，u s i n gw h a tk i n do fm a t e r i a l ，a d o p t m gw h a t k i n do fs t r u c t u r es y s t e mt h a tb e a ra n ds e n dt h ef o r c e , s o l v i n gt h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v ei n ar e a s o n a b l ea n de c o n o m i cw a y ，w h i c hi st h ei n i t i a lm i s s i o no ft h es t r u c t u r ed e s i g n 。n o wi n t h es t r u c t u r ed e s i g no ft h em u l t i l a y e ra n dh i g hl a y e rc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g , t h ef r a m ef o r m o c c u p i e sav e r yg r e a tc o m p a r i s o n 。 t h ef r a m es t r u c t u r ei s u n d o u b t e d l y , as p a c es y s t e mi nw h i c hb e a m sa n dc o l u m n sa r et h e m a i nc r u c i a lv e r t i c a ll o a d ss u s t a i n i n gs y s t e ma n dc o n c u r r e n t l ya r ea c t e du p o n b yh o r i z o n t a l l o a d s g r e a ts p a c ew o r kr e s u l t sf r o mt h ei n d i v i s i b l eb e a r i n gs y s t e mc o m p o s e do fl a t i t u d i n a l a n dl o n g i t u d i n a lf r a m e sa sw e l la st h es l a b ，r e s u l t i n gi ni t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f r e a s o n a b l ef o r c ed i s t r i b u t i o na n di m p r o v e ds e i s m i cc a p a b i l i t yd u et og o o dd u c t i l i t y 。w h e nt h e b u i l d i n gs p a ni sl a r g e r ，t h ed e s i g no faf r a m ei si nd i f f i c u l t yb e c a u s et h a tt h es e c t i o no ft h e b e a mh a sr e l a t i o nt oi t ss p a n t h es e c t i o no ft h eb e a mi sl a r g e rw h i l et h es p a ni sl a g e r 。t h u s d e a d - w e i g h to fs t r u c t u r ei sp u to n ，b u ta l s ot h eb e a m so c c u p yt h em o r ea r c h i t e c t u r es p a c e 。i ti s n o ti nr e a s o na n de v e ni sn o ta l l o w e d 。t h e r e f o r ead y n a m i cd i s p o s a lt e c h n i q u eo ft h es t r u c t u r e t h a taf r a m es t r u c t u r e b ye x t r ab e n d i n gb a r s i s p u tf o r w a r db yp r o f e s s o rz h a oy u x i n g ，s h a n d o n g j i a f f z h u u n i v e r s i t y b yt h i st e c h n i q u e ，b e n d i n gm o m e n ti n t h ef r a m e m i n i s h e s ，d e a d - w e i g h to fs t r u c t u r eb e c o m es m a l l e r ，t h es p a no ft h es t r u c t u r eb e c o m el o n g e r 。 山东建筑大学硕士学位论文 t h ei d e a ls p a c ei se a s i l yo b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ea r c h i t e c t u r es t y l e sa r ed i v e r s i f i e da n d f l e x i b l e , m e e t i n gm u l t i p l er e q u i r e m e n t s t h ef l a m es t r u c t u r eb ye x t r ab e n d i n gb a r si san e ws t r u c t u r es y s t e m 。s t m c t u a ld u c t i l i t y 、 e n e r g yd i s s i p a t i o na b i l i t y 、i n t e g r i t y a s s e s m e n ta n dt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cu n d e r e a r t h q u a k ea c t i o n sm u s tb es t u d i e d b a t t e n e dp l a t eb e a ms t r u c t u r ep r o p o s e db yp r o f e s s o rz h a oy u x i n ga n ds oo n ，w h i c hi st h e m a i n l yw i t h s t a n d i n gv e r t i c a ll o a ds t r u c t u r e ，i sa p p l i e di nt h ea c t u a lp r o j e c ta p p l i c a t i o nm a n y t i m e s 。v e r t i c a ls t i f f n e s so ff r a m ei si r r e g u l a rb e c a u s eb a t t e n e dp l a t eb e a ms t r u c t u r ei sa p p l i e d i ns t r u c t u r e 。i ti sr e a s o n a b l et h a tb a t t e n e dp l a t eb e a ms t m c t u r ei sn o tn e e dt om a k et h el e v e l a n t i l a t e r a lf o r c es y s t e m i ti su n a b l et oe s t a b l i s ho t h e rl e v e la n t i l a t e r a lf o r c es y s t e m si nc e r t a i np r o j e c t sw h i c h p r o f e s s o rz h a n gx i na n ds oo nm e e t t h e r e f o r e ，b a t t e n e dp l a t eb e a m s t r u c t u r eb e c o m e st h e o n l ys t r u c t u r el e v e la n t i l a t e r a lf o r c es y s t e m p r o f e s s o rz h a n gr e s e a r c h e do nt h el e v e la n t i - l a t e r a lf o r c ep e r f o r m a n c et e s t ，t h er e s u l to fw h i c hc o n s i s t so fz h a n gs i n sd o c t o r a t ep a p e ro f t o n g j iu n i v e r s i t y 。 i nt h ep a p e r ，t h es u b j e c ti ss t u d i e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o dt os e eh o wt h e e a r t h q u a k ef u n c t i o nd i s t r i b u t e sw h e nt h es t r u c t u r ee x p e r i e n c e se a r t h q u a k e ，w h e t h e ra c c o r d i n g t od i s t r i b u t e dr u l eo fh o r i z o n t a lf o r c ei nt h ep r o f e s s o rz h a n gx i n st r i a lo rn o t ；t os e ct h a t s t m c t m el e v e ld i s t o r t i o nd i s t r i b u t i o ni sw h e t h e ra c c o r d i n gt od i s t r i b u t e dr u l eo fs t r u c t u r el e v e l d i s t o r t i o ni nt h ep r o f e s s o rz h a n gs i n st r i a lo rn o t a c c o r d i n gt o t h e s ep r o b l e m s ，r e s e a r c h o nt h en e ws t r u c t u r es y s t e mi sc a r r i e do u t t h r o u g h o u tt h r e ew a y s 。 f i r s t ，t h eh o r i z o n t a lc y c l i cl o a d i n gt e s t so naf r a m es t r u c t u r em a n i f e s tt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c 、d e f o r m a t i o no ft h ef r a m e 。h y s t e r e s i sl o o p ，c r a c k i n gl o a d 、y i e l dl o a d 、l i m i t l o a d ，r i g i d i t yd e g e n e r a t i o n ，f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s 、f a i l u r em e c h a n i s mo ft h es t r u c t u r ea r e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y s e c o n d ，t h r o u g hn a t u r a lf r e q u e u d e sp a r a m e t e r sa n a l y s i so ns e v e r a ld i f f e r e n tr e i n f o r c e d c o n c r e t es t r u c t u r e sb ye x t r ab e n d i n gb a r sa n dc a l c u l a t i o no ft h es t r u c t u r eu n d e rh o r i z o a t a l e a r t h q u a k ea c t i o n s ，t h er e s u l t ss h o w t h ef r e ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sn e ws t r u c t u r e t h i r d ， b yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es t r u c t u r a lr e s p o n s e st og r a v i t yl o a d s 、t h e 山东建筑大学硕士学位论文 s t r u c t u r a lm o d es h a p e 、t h es t r u c t u r a lr e s p o n s e st oe a r t h q u a k ea c t i o n sc a nb es i m u l a t e d w i t ht h em o d e lt e s tr e s u l t s ，a n s y sm o d e lc a l c u l a t i o nc o r r e s p o n d sw e l l ，w es i m p l yk n o w o ft h e s ea s e i s m i cb e h a v i o ro ft h en e ws t r u c t u r e t h er e s u h sc o u l dp r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o n a n dr e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a t c ho nt h e s ek i n d so fs t r u c t u r e s 。 k e yw o r d s ：b a t t e n e dp l a t eb e a ms t r u c t u r e , l o n g - s p a ns t r u c t u r e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ，a n t i s e i s m i cc a l c u l a t i o no fb u i l d i n gs t r u c t u r e ，f r a m es t r u c t u r e v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：二袤臣日期盈z 2 ! 乡 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存， 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期2 1 1z 垄：圭p e t , 垮i 颦。厶。兰圣， 鸯 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 人类建房的目的不仅需要一个外壳( 墙与屋顶) 以遮避风霜雨雪、防御猛禽走兽，更为 获得一个内部空间以从事生产或生活活动。所以开辟空间是建筑的基本主题。根据使用 需要对活动空间提出特定的功能要求，例如活动场所的宽阔、高低、封闭或开敞、物质 环境需求、交通联系、服务供应等等。 符合功能要求的使用空间是由结构骨架开辟出来的。为人们清晰可见的结构空间， 是实现所需活动空间不可缺少的唯一手段。建筑师在构思的整个过程中，不仅应想到结 构具有的空间性，而且还要考虑并决定用什么结构型式来构成所需活动空问。一个好的 建筑设计要通过适宜的结构型式来开辟活动空间，才具备付诸实现的可能性。结构空问 是否满足功能要求? 其适合程度如何? 这些都是建筑与结构专业双方所关心的共同问 题。 结构空间既是活动空间存在的物质基础，必然受到当时当地人力、物力与技术水平 的限制。采用什么材料作结构与围护层? 用材料做成什么样的基本构件? 用这些基本构 件去搭出什么样的空间形式? 这些都是结构专业要考虑的主题。也可以说，材料、构件、 形式，是结构空间使用价值的决定因素。 空间是建筑的主角。历代对建筑功能的空间需求由小跨到中跨到大跨、由封闭到开 阔到通透，要求在不断变化，标准在逐步提高，每当建筑功能提出新的空间尺度需要时， 首当其冲的是与旧结构体系的楼屋盖及内墙柱梁发生矛盾。在满足新空间要求的前提下， 使用什么材料，采用什么承荷传力的结构体系，既经济又合理地解决上述矛盾，这是结 构设计的首要任务。在当今这个时代，高大宽阔无阻的内部空间，能给人一种新的空间 感受，已成为人们关心、喜爱的新课题。其中之一是内部空间趋向开朗与自由不拘【1 1 。 现在结构的高度与跨度越来越大且仍有逐渐增长的趋势，使结构成为许多建筑物的 基本成分，达到非常重要的地位，控制着建筑的造型、美观与造价特别高大的建筑更 是如此依赖于结构，以致结构本身就是其建筑表现。这时，不正确的结构方式、不恰当 使用材料或施工工艺，都可能明显损害建筑美观。因此，设计现代的多、高层建筑与中、 大跨度建筑，需要正确选择结构体系。 现在多层或高层建筑工程的结构设计中，框架形式占有很大比例。框架的设计早已 成为常觌问题，但是，当房屋的跨度较大时，框架设计仍会遇到困难。因为梁的截面高 山东建筑大学硕士学位论文 度与其跨度有关，当框架的跨度较大，梁柱截面也较大时，不仅结构自重大，而且也占 用太多建筑空间，以至于不太合理甚至完全不允许。许多情况下，为了使大跨度框架满 足空间和荷载的要求，人们在为设计经济合理的梁结构型式方面做了以下很多工作： 1 一般小跨梁多为等截面，中、大跨梁为使材尽其用。可适应弯矩图的变化，设计 采用变截面梁，如双坡薄腹梁、鱼腹式吊车梁、梁式桁架、折板梁等等。 2 梁可以设计为单向梁，也可以设计为双向的井字梁。用两个方向受力的梁来共同 承担荷载，每一方向梁的负荷减少，内力与挠度也小，所以配筋减少，梁高也可适当( 比 单向梁) 减少。 3 利用预应力技术设计梁，这样可以使结构变形减少，自重进一步降低，进而可以 加大梁的跨度。 这些设计都是被动地接受结构的内力状态，没有能够主动地动态地处理结构。另外 上述设计也很容易受现有施工技术、材料要求等所限，不能很好地实现设计要求。由此 山东建筑大学赵玉星教授提出一种动态地处理结构的方法，通过适当设置附加剪弯杆( 缀 板) ，大幅度减小框架中的弯矩峰值，使框架受力性能大大改善，从而梁柱截面可以比 较小，减小结构自重，以使得能够加大结构的跨度，获得理想的空间。受均布力作用增 设剪弯杆( 缀板) 的框架结构弯矩图与受均布力作用的普通框架结构弯矩图相比有了明 显的变化，见图1 1 所示。赵玉星教授等人提出缀板梁结构【2 5 】并在实际工程中多次成功 应用，主要是作为承受竖向荷载的体系。赵玉星、韩克胜等人于2 0 0 0 年7 月2 2 日、2 3 日两 天在原山东建筑工程学院结构工程试验室进行了缀板梁结构承受竖向荷载的模型试验 【6 】，完全验证了对此新结构的理论分析结论，为实际工程应用奠定了坚实的基础，文献 f 2 1 中简单提及了这次模型试验2 0 0 3 年，谢群等人在这次模型试验的基础上，再次进行 了缀板梁结构承受竖向荷载的试验唧。至于水平荷载，f h 于结构设置了缀板，框架沿竖 直方向的刚度分布不规则，所以不用作抗震设防工况下的水平抗侧力的主要体系会合理 一些。2 0 0 4 年，张鑫教授等人承担了山东某大学电气工程学院的试验楼增层工程i “，原 有四层增至六层，跨度为1 9 4 m 。该工程由于无法设置其他的水平抗侧力体系，只能选择 缀板梁框架作为结构中唯一的水平抗侧力体系。以此工程应用为背景，张鑫教授对缀板 梁框架的水平抗侧力性能进行了试验研究，其研究成果也构成了张鑫教授的同济大学博 士学位论文【舯。张鑫教授通过一榀缀板梁框架承受水平荷载的试验，阐述了这种新型结 构的一些静力学性能，表明了该结构具有较好的水平抗侧移变形能力及耗能能力。 2 山东建筑大学硕士学位论文 川川儿i i l i j “l i 川川川“川l j “川 力刀 图1 1 普通框架与增设剪弯杆框架在均布力作用下弯矩对比图 1 2 缀板梁结构 1 2 1 缀板梁结构介绍 山东建筑大学硕士学位论文 莱芜文化中心，地下1 层，上部6 层，要求1 8 m 跨度的空间，使得每榀框架都有5 根1 8 m 跨度的长梁，如图1 2 所示。为了优化结构性能，明显地减小梁的断面，在梁的适当部位 设置了4 块板构件，即图1 2 中的虚线。此板件的作用是调节优化梁系的内力状态，不是 像柱或墙那样从上面的梁向下面的梁传递荷载，将这样的构件称为缀板，缀板和这5 根梁 共同形成的这一局部体系称为缀板梁结构。 1 一梁；2 一缀板 图1 25 根大粱组成的缀板梁结构 1 2 2 缀板梁结构优化理论 缀板梁结构，是以准则法结构优化理论为基础的l 堋。结构设计中，工程师总会力求 性能好、用料省、造价低、施工方便，这是结构优化的朴素意识。众所周知，结构优化 按方法来说，一般可分为两类，一类是建立目标函数并使用数学规划法求解设计变量的 方法，另一类是确定优化准则并寻求最优解的准则法优化方法。事实上，在建筑结构方 面，数学规划法优化在实际应用时显出一些不足，相比之下，准则法优化的实用性就强 一些，尽管准则法优化往往只能够得到近似最优解。例如：网架、非单层网壳等桁架类 拉压杆钢结构的一些实际设计中，有时使用满应力准则优化方法。结构的优化过程，实 质上都是一个调节调整的过程，调整结构逼近最优状态。一般桁架类结构的调整，是调 整各杆件的断面面积，去逼近满应力状态或其他最优状态；各构件受弯和剪的一般框架 类结构，已有的一些优化方法也几乎都是调整各杆段的截面，以达到同态设计或其他最 优状态，但是实践证明，这种优化价值甚微，所得到的最优状态与优化前的状态没有多 4 山东建筑大学硕士学位论文 大差别。对于本文所讨论的梁系结构，下面将提出一种调节方法和一种优化准则，以形 成种方便实用的准则优化方法。 1 2 3 缀板梁结构的调节弯矩方法和机理 对于梁系或者框架类结构，在荷载给定情况下，构件的布置及节点构造才是决定内 力分布的主要因素。如图1 3 所示以悬挑的一个楼层为例，在未予调节情况下，弯矩分布 如图1 4 ，梁中最大弯矩0 5 口，2 ；如果在楼层的端部设置一根与梁同样刚度的竖杆，弯矩 分布被调节如图1 5 所示，梁固定端弯矩为0 3 4 2 ，比调节前0 5 q 1 2 的小了3 2 ，另一 端的弯矩为o 1 5 轴f 2 。 图1 3 悬挑楼层 图1 4 来被调节的悬期铗层弯矩图 山东建筑大学硕士学位论文 图1 5 端部设置缀板时悬挑楼层弯矩图 附加设置的这根竖杆，主要承受弯矩和剪力，虽是竖向的，但并非像柱那样通过它 从上层梁向下层梁传递荷载，它的作用是调节梁的弯矩分布。这类杆件我们前面取名为 缀板，相应的整个结构叫做缀板梁结构。需要指出的是不仅缀板的位置显著地影响着弯 矩调节效果，缀板的刚度( 实际上是相对于梁的刚度，这里我们取，为缀板刚度与梁的刚 度的比值) 也有影响。梁如果像图1 6 那样在梁的中部设置一根与梁同样刚度的竖杆，弯 矩分布将与图1 5 完全不同，梁固定端弯矩为o 3 2 9 8 q 1 2 ，缀板左侧的梁断面弯矩为 o 0 9 0 1 8 q 1 2 。 1 1 图1 6 在距梁端0 6 f 处设置缀板时悬执楼层弯矩图 以图1 6 所示缀板位置为例，缀板与梁的刚度之比卢取不同值时的不同调节效果见表 p o 0 5o 2 0o 5 01 0 02 0 0 粱固定端的弯矩( q l z ) o 4 1 6 40 3 6 0 3o 3 3 8 60 3 2 9 80 3 2 5 0 缀板左侧梁截面的弯矩 o 0 0 3 6 0o 0 5 9 7 00 0 8 1 3 80 0 9 0 1 8o 0 9 4 9 5 ( q 1 2 ) 6 山东建筑大学硕士学位论文 综上所述，缀板梁体系的优化手段是适当地设置和调整缀板。通过设置缀板，弯矩 的峰值显著减小，计算表明，结构的刚度也显著增加。缀板使得原来的弯矩峰值减小了， 但是峰值断面数目却增多了，图1 4 的每根梁有一个峰值断面，图1 5 的每根梁有两个峰值 断面，图1 6 的每根梁有三个峰值断面。 弯矩峰值显著减小，因而可以减小构件断面尺寸，从而节省用料减轻自重，这容易 理解。但是弯矩峰值断面增多，有更多部位产生了较大的弯曲变形，结构刚度反而显著 增加，这似乎不合规律可以从材料效能利用率的角度来解释，图1 4 那样每根梁仅有一 个峰值断面，说明仅在这一个断面处材料能够充分发挥作用，其他大量材料的潜力并未 发挥出来；而图1 6 那样每根梁有三个峰值断面，就有更多的材料充分地发挥了效能，这 就是减少材料及自重并且刚度性能更好的原因。 1 2 4 缀板梁结构的优化准则 优化准则是极其重要的。决定着优化的意义和价值。优化调整到怎样的状态才是最 优。缀板梁结构的优化手段是通过设置缀板来减小弯矩峰值和增加峰值断面的个数，按 照同态设计准则和满应力准则的思想，显然每根梁上的各弯矩峰值相等就是最优状态， 因为这样各断面可以相同强度储备或同时达到极限。例如图1 5 所示每根梁左端的弯矩峰 值等于右端的弯矩峰值就是最优状态。当然，严格来说，还应考虑轴力因素，弯矩相同 轴力不同，其状态也不同，但是，从实用角度来说，仅考虑弯矩相同就可以取得相当好 的效果，操作也方便。换句话说，每根梁上有多个弯矩峰值并相等可以作为优化准则， 这样的优化准则也可以称为向峰值准则1 5 1 。 事实上，使每根梁上的各弯矩峰值完全相等往往比较困难，但是，每根梁上的各弯 矩峰值不相等但较接近，就可获得良好效果。以图1 7 所示承受均布荷载q 的梁为例。 _ 。j 叶 _ ，三斗 髯喇嘲 图1 7 受均布荷栽q 的梁 7 山东建筑大学硕士学位论文 梁两端和跨中的弯矩分别为：左端m 。一贮1 2 ，右端m 。- 百q 1 2 ，跨中点m c - 百q 1 2 。如图 1 8 所示在梁中设置一个缀板( 为讨论简便起见，考虑此缀板为刚性) 以调节内力，缀板到 a 点的距离为设置缀板之后，可以出现5 个弯矩峰值，分别为左端膨。、右端肘。、 跨中点m 。、d 点左侧m 。、d 点右侧m 。以f 。为参变量得到这5 个弯矩峰值的表达式 后，可绘出上述5 个弯矩峰值随缀板移动而变化的规律曲线如图1 。9 所示，可以看出，i i 取 0 2 1 与0 2 5 1 之间的某个值时，梁中最大弯矩下降了3 0 以上，而且5 个弯矩峰值比较接 近，说明梁中弯矩比较均匀，内力分布比较合理，为最优状态。 图1 8 中间设置刚性缀板的两端固定梁 m 2 海 孵l ： ，m慨 ， o l” ”6 “ 鲐、喉 图1 9 五个弯矩峰值随变化规律图 综上所述缀板梁结构，是基于准则法这一结构优化理论的创新结构形式，从准则法 结构优化理论出发，提出了弯剪构件结构体系的优化准则和优化手段，提出的优化准则 是每根梁上的多个弯矩峰值相等，优化手段是设置附加剪弯杆( 缀板) 并以其位置和刚度 为主要设计变量进行优化。 8 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 工程实例 山东邮政技术中心，如图1 ，1 0 所示，地上1 2 层，其中厅是一个跨度1 8 m 、高1 0 多米( 从 第1 层到第3 层) 的共享大空间。此厅上方的第4 层到第1 2 层，在1 8 m 的跨度内，两端各有 一个小房阔。中部为一个大厅。第4 层至第1 2 层的结构处理，需要通过转换层大梁或桁架 传递荷载。每层都需要1 8 m 跨度的梁转换层大梁或桁架不仅笨重复杂，而且按照本工程 的建筑空间要求，无法做成转换层。实际采用的做法是：每层设梁，梁断面尺寸取为 8 0 0 m m x 4 0 0 m m ，在第3 层梁至第1 2 层梁之间设置了两根附加剪弯杆，第4 楼层的上下两根 梁之间的剪弯杆。剪弯杆的水平截面1 8 0 m mx 2 8 0 0 m m 。如图1 1 1 所示。 图1 1 0 山东邮跋技术中心外貌 9 山东建筑大学硕士学位论文 图1 1 1 增设剪弯杆后的框架 山东莱芜交警一大队综合楼。该工程的核心部分长2 7 m ，宽1 3 5 m ；这一部分的底层 为大空问，中间不许设柱；第2 层为内廊式布置两排小房间；第3 层为大空间，中闻不许 设柱实际做法是，在第l 层梁和第2 层梁之间设置了层间剪弯杆，断面尺寸为；第1 层楼 面梁的断面尺寸为3 5 0 r a mx 6 0 0 m m ，第2 层楼面梁断面尺寸为3 0 0 r a mx 6 0 0 m m ，层间剪弯 杆的断面尺寸为2 5 0 m m x l l o o m m 。如图1 1 2 所示。 图1 1 2 附加缀板后的结构图 山东建筑大学硕士学位论文 前面已提到的莱芜文化中心，主要立面如图1 1 3 所示，地下1 层，上部6 层，要求1 8 m 跨度的空间，使得每榀框架都有5 根1 8 m 跨度的长梁为了优化结构性能，明显地减小梁 的断面，在梁的适当部位设置了4 块缀板，此板件的作用是调节优化梁系的内力状态，不 是像柱或墙那样从上面的梁向下面的梁传递荷载，缀板和这5 根梁共同形成的这一局部体 系称为缀板梁体系。设置缀板使得受力状态大大改善，4 根梁的断面为4 0 0 m m x 8 0 0 m m ， 1 根梁的断面为4 0 0 m m x 7 5 0 m m ，很轻巧。非预应力，普通钢筋混凝土。 图1 1 3 菜芜文化中心 济南阳光1 0 0 国际新城的一幢建筑，是澳大利亚某机构进行方案设计的。此建筑中有 一处悬挑1 5 m 的楼层。按照要求，这一段悬挑的楼层，其墙体都是透明的玻璃墙，墙体 是不能做成外伸悬挑大梁用于承载的，只能将楼面做成悬挑的梁板；而且，或许是出于 防火的考虑，明确要求用混凝土结构，不得用钢结构。但是，悬挑1 5 m 的混凝土梁板， 按照通常的做法是很困难的，或者是相当笨重的。为了解决这1 ：问题，采用了缀板梁体 系。承载范围9 m 宽并且悬挑1 5 m 的梁，断面尺寸仅9 0 0 m m x 9 0 0 m m ，而且是普通钢筋混 凝土，没有采用预应力或其他复杂做法，以方便施工，并保证良好的延性利于抗震，效 果良好。 还有其他一些工程采用了这种缀板梁结构，都取得了很好的效果 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容 缀板梁结构作为一种新的结构形式，对它的结构整体性能以及结构构件的受力特点 应有全面的深入的了解，不能盲目地依照一些框架杆件技术规范进行设计，特别是在结 构抗震设计时。因为当一个结构或结构物受到随时问变化的动荷载与仅受到不随时间变 化的静荷载时所表现的力学现象不同。一个量值为p 。的静荷载作用于结构时，可能远不 至于使结构产生破坏，但同样幅值的动荷载作用于同样的结构时，就完全有可能使该结 构产生破坏。即使不造成结构破坏，由于动荷载引起的结构振动也有可能影响结构正常 的工作【1 l l 。所以动荷载作用下的结构受力情况是复杂的，也是很有必要去研究的。 笔者在此硕士学位论文中，针对缀板梁结构的水平抗侧力问题，特别是比照同济大 学张鑫博士在其学位论文嘲中的试验研究，用力学理论分析的方法对该课题进行探讨， 以考察此种结构遭遇地震时地震作用究竟是怎样分布的，是否是张鑫博士试验中所施加 的水平力分布规律，结构的水平变形分布是否是试验中所出现的水平变形分布规律。如 果结构遭遇地震时地震作用按照某种不利的情况分布，那末试验中模型所表现的较好性 能就降低了说服力，应该非常重视。本人分析认为，缀板梁体系在抗震设防情况下的地 震作用效应分布不甚合理。文献 8 3 仅从变形与耗能情况而全面肯定缀板梁体系作为水平 抗侧力体系是有欠缺的。为了进一步探讨该缀板梁结构在水平荷载作用下的力学性能， 了解该结构形式的抗震机理，为了进一步推广应用缀板梁结构提供有益的理论基础和工 程经验。笔者下面的主要总结和研究工作有： 1 水平方向低周反复荷载作用下缀板梁结构的试验总结与分析； 2 缀板梁结构一榀框架的动力特性力学分析； 3 缀板梁结构的a n s y s 有限元动力响应计算分析。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章水平荷载作用下缀板梁结构的试验研究 稍候要通过分析张鑫博士所做缀板梁结构一榀框架在水平荷载作用下的试验得到的 试验数据i s 来初步了解这种新型结构的抗震性能，因此本章主要对水平荷载作用下缀板 梁结构试验中的试件制作、试验加载方案、试验加载装置、试验加载制度等一些试验背 景做些简要的说明【1 厶堋，以便大家更清楚地理解张鑫博士所做的水平荷载作用下一榀缀 板梁结构框架试验 2 1试件制作 试验框架模型按1 ：3 比例制成。总高度为5 7 5 米，四层。跨度为6 米。模型尺寸如 图2 1 所示。 框架截面配筋如图2 2 所示： 图2 1 模型尺寸 主绺 2 2 坜婚骚 3 = 34 = 4至= 至 图2 2 截面配筋图 材料的力学性能 框架模型内钢筋均为i 级光面钢筋，混凝土强度等级为c 4 0 ，主筋保护层厚度为2 0 毫米。另外所用材料的实测力学性能指标如下表2 1 。 表2 1材料力学性能表 屈服强度极限强度 弹性模量 ( n r a m 2 ) 枷 ( 1 旷n ，m m 2 ) m 1 03 4 54 4 5 2 1 钢筋0 1 2 3 9 56 8 02 1 0 6 54 6 05 0 52 1 混凝士 f c = 3 4 8 o 3 5 山东建筑大学硕士学位论文 钢筋混凝土强度模型的相似常数见表2 2 。 表2 2模型相似常数 线尺寸角位移钢筋面积应变应力弹性模量集中力线荷载 弯矩 模型1 3 1 1 9 111 1 91 3 1 ，2 7 实际结构 1l1l111 1l 2 2 试验加载方案 试验采用低周反复加载方式施加水平荷载。为了合理地选定施加水平荷载所用的拉 压千斤顶，试验前先用“拟弱柱法”估计层间极限承载力。假定底层框架柱的上、下两 端均出现塑性铰，这样计算该层各柱柱端的极限弯矩后即可得出该层的极限承载力。由 于“拟弱柱法”可以较高地估计出极限承载力，这样所选用的千斤项可满足试验的要求。 柱的极限承载力计算方法公式为 m 。一4 ，。伪。一口，) + o 5 n h 。0 一n i a 。，0 ) 式中：九钢筋强度标准值； 允一混凝土抗压强度标准值； 一考虑地震组合时相应于设计弯矩的轴力。一般可取重力荷载代表值作用 ) 轴力