（结构工程专业论文）轻型铝合金活动房屋结构的足尺试验研究.pdf

轻型铝合金活动房屋结构的足尺试验研究 学生姓名：孙艳军 专 业：结构工程 指导老师：张茂功高工 摘要 为了提高我军的野营住房水平，总后建筑工程研究所研制和开发了一种装配 式轻型铝合金结构活动房。为了真实了解轻型铝合金结构活动房屋的力学性能， 对活动房屋结构进行了足尺试验研究。 运用正位试验方法对轻型铝合金活动房屋进行了承载力试验，研究了结构 在：9 级、1 0 级、l l 级风荷载作用下的静力响应；2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c m 厚 雪荷载作用下的静力响应；1 1 级风荷载和4 0 c m 厚雪荷载作用下的静力响应。 采用有限元分析软件对结构进行了理论分析和计算。考虑：活动房的梁 柱节点和柱底节点是用连接件通过螺栓连接的，属于半刚性连接，采用弹簧单元 模拟结构的半刚性节点；屋面板和墙板是插在活动房骨架的翼缘内，采用耦 合屋面板和墙板与骨架之间的部分自由度的方法，模拟复合板和骨架的相互作 用。 在试验和理论分析的基础上，分析了活动房屋结构的受力机理，破坏形态与 位置，荷载一位移曲线等方面，对活动房屋结构进行了评价。揭示了结构的薄弱 位置及破坏原因，为结构性能的改善提供了理论依据。 关键词：活动房屋；铝合金结构；足尺试验；风荷载；雪荷载； 半刚性连接；有限元分析；耦合； t e s tr e s e a r c ho nf u l l - s c a l el i g h t a l u m i n u m a l l o ym o b i l eb u i l d i n gs t r u c t u r e n a m e ：s u ny a n j u n s p e c i a l t y ：s t e e ls t r u c t u r e s i n s t r u c t o r ：z h a n gm a o g o n g a b s t r a c t a s s e m b l yt y p el i g h ta l u m i n u ma l l o ys t r u c t u r ea c t i v i t yr o o mw a sd e v e l o p e db yt h e t o t a ll o g i s t i cc o n s t r u c t i o nr e s e a r c hi n s t i t u t ei no r d e rt or a i s eo u ra n n y sc a m ph o u s i n g l e v e l f u l l s c a l et e s t so na c t i v i t yr o o mw e r ec a r r i e di no r d e rt og r a s pt h em e c h a n i c a l b e h a v i o ro fs u c hs t r u c t u r e t h eb e a r i n gc a p a c i t ye x p e r i m e n tt oa s s e m b l yt y p el i g h ta l u m i n u ma l l o ys t r u c t u r e a c t i v i t yr o o mw a sc a r r i e dw i t hr i g h t i n gl o c a t i o nm e t h o d t h es t r u c t u r ew a ss t u d y u n d e rs e v e r a lk i n d so fs i t u a t i o n sa sf o l l o w s ：s t a t i cr e s p o n s eu n d e r 9 、1 0 、1 1l e v e l o fw i n dl o a d i n g ；s t a t i cr e s p o n s eu n d e r2 0 c m 、4 0 c m 、6 0 c mt h i c ks n o wl o a d i n g ； s t a t i cr e s p o n s eu n d e r1 1l e v e lo f w i n dl o a d i n ga n d4 0 c mt h i c ks n o wl o a d i n g t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o nt ot h es t r u c t u r ew e r ec a r r i e du s e dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e c o n s i d e r sf o l l o w i n gs i t u a t i o n ：t h eb e a m - c o l u m n j o i n t sa n dt h ec o l u m nb a s eo fc y l i n d e rj o i n t so ft h ea c t i v i t yr o o mi sc o n n e c t e dw i t h t h eb r i d g e p i e c et h r o u g h t h eb o l df a s t e n i n g , w h i c hb e l o n g st ot h es e m i - r i g i d c o n n e c t i o na n du s e dt h es p r i n gu n i ts i m u l a t i o ns t r u c t u r et h es e m i r i g i dn o d e ；t h e r o o f i n gb o a r da n dt h ew a l lp l a t ea l ei n s e r ti nt h ea c t i v i t yr o o m m u t u a lf u n c t i o no ft h e c o m p o u n db o a r da n dt h es k e l e t o nw a ss i m u l a t e sb yt h ec o u p l i n gr o o f i n gb o a r da n d t h ew a l lp l a t ea n dt h es k e l e t o np a r t i a ld e g r e eo ff r e e d o m b a s e do ns t r u c t u r a lt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r , f a i l u r e m o d e ，l o a d d i s p l a c e m e n tp l o tw a sa n a l y z e da n dt h ea c t i v i t yr o o mw a sd i s c u s s e d t h e w e a k n e s sp o s i t i o na n dd e s t r u c t i o nr e a s o no fs u c hr o o mw a sp o i n t e do u t , a n dt h ew o r k o f f e r sr e f e r e n c ef o ri m p r o v et h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fa c t i v i t yi o o m k e yw o r d s ：m o b i l eb u i l d i n g ；a l u m i n u ma l l o ys t r u c t u r e ；f u l l - s c a l et e s t ：s n o wl o a d ； w i n dl o a d ；s e m i r i g i dj o i n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：c o u p l i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：k 艳霉7 触侔彳月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 做储签名：硼晕州年月7 日 导师签名： 少一绰么月7 日 第一章绪论 1 i 军用活动房屋的概述 提起帐篷一训，人人皆知。帐篷足一种便于携带的，能够遮风、挡内、保盎、 防寒的临时场所。主要用于军队的野营训练和作战，也广泛用于旅游，野外施工 等领域。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，帐篷逐渐被各式各样的活 动房屋所取代。活动房屋即保留了帐篷的各种优点，又提高了舒适性和耐久性。 活动房屋与传统的临时工棚和固定房屋相比，根本区别在于它能够重复拆迁和架 设，无论从经济还是实用上看，均具有较大的优越性。它能快速提供使用和节约 维修费用，同时还具有标准设计、结构简单、工厂加工、一房多用和适应性、机 动性强等特点。 活动房屋按运输和搬迁方式的不同，基本上可分为拆装运输和整体运输两大 类型“。前者系由标准模件或简单及复杂的预制构件装配组合而成的活动房屋， 能多次拆迁和重新组装。其构件通常在现场或工厂预制，运往用地即可架设。优 点是使用空间大，居住舒适且取材广，造价低、便于运输、缺点是装配需花费一 定人力和时间，有时还需配备相应的起吊设备：对房屋地基有一定要求；需额外 配备屋内有关设施；机动性较整体运输的活动房屋差。以前由于经济技术等条件 的制约，国内主要研制和开发拆装运输类活动房屋嘲。，现在整体运输类活动房 屋也有了较大的发展。 整体运输类活动房屋，即整个房体，包括构架、墙体、屋顶、地板、门、窗 以及内部必要的空调、照明、给水等设备都是在工厂预制或装配好的。并可整体 运往现场而且即时就能投入使用的一类活动房屋。整体运输类活动房又分集装箱 式和移动( 车载) 式活动房屋，在外形、结构和运输方式上均与集装箱类似，只 是前者可脱离运载工具而独立存在，后者则可装在越野汽车或火车底盘上。优点 是集装箱式活动房屋不仅可用车辆运输，而且可以空运、海运；结构稳固、抗震、 抗风、防护性能好；展开撤收快。移动( 车载) 式活动房屋的突出优点是机动伴 随能力强。缺点是造价高。其中集装箱式活动房还需配备专用装卸和运输设备。 活动房屋的设计要求考虑适于战区的任何地形和环境条件，而且要按模数设 计并使构件能够互相更换，以便非熟练工迅速装配和拆除。目前活动房屋的研究 重点是结构和材料两个方面。结构方面，尽量选取受力合理、形式简单，体积小、 便于搭设与撤收的结构形式；材料方面，以提高结构强度、减轻房屋重量、改善 活动房的保温隔热性能为目标。一般活动房屋多选用轻质高强的型钢和铝合金作 结构用材，采用金属蒙皮夹心板、轻型薄波纹金属板以及复合材料等作维护板材。 1 2 军用活动房屋的研究进展 目前我军已经装备和使用的活动房有8 0 1 型双坡式活动房和c a f 4 0 型野营 通用和专用方舱等。 8 0 1 型双坡式活动房，属于装配式结构，由钢结构框架及围护板材组成。钢 架分立柱人字架斜梁水平拉杆等。围护结构为木框架内填充蜂窝纸双面贴防水纤 维板的夹心板，用螺栓，辅以卡接片连接固定。这种活动房屋自重较大、构件种 类较多、耐久性较差、不能满足快速的搭设和撤收的要求。 c a f 4 0 型野营通用和专用方舱，均为集装箱式结构活动房，采用标准型军 事通用玻璃钢方舱改装而成，通用方舱最多居住6 人，专用方舱供首长办公指挥 和住宿使用。这种活动房屋造价较高，使用面积较小，不适于大量推广使用。 1 3 轻型铝合金结构活动房屋的介绍 活动房由高强度轻质铝合金骨架和铝蒙皮聚氨酯夹芯复合板拼装而成。 采用无损耗连接方式，零散件少，房架采用折叠结构，拆装快，特别适合野外拆 装的l 临时性房屋；采用互换性标准结构件，可围建不同使用面积和用途的房屋： 各种板块夹芯料采用保温、防火性能好的聚氨酯泡沫，体轻、使用安全可靠。形 体：双坡顶全插板式结构，实物外形见图1 - 1 。 1 3 1 活动房屋材料的选用 图l - l 轻型铝合金结构活动房屋 2 为了减轻活动房屋整体的质量、方便架设与撤收、改善保温与隔热性能、提 高耐久性，房屋骨架采用了铝合会结构，墙板和屋面板采用了铝蒙皮聚氨酯 央芯复合板。 铝合金结构诞生于二十世纪血十年代的欧美国家，主要应用于桥梁及房屋 工程“”，其技术来源于当时的航空航天业。桥梁方面，较早建成铝合金桥梁的 国家有加拿大、美国、英国及日本，其跨度可达9 0 米以上。房屋方面，主要是 平面刚架、铝弯顶结构及空间网架结构体系，如二十世纪五十年代建成的荷兰 k i e u w e g e i n 办公大楼大厅的铝合金网架，其覆盖面积达4 5 0 0 平方米；美国海军 在南极建造的铝合金巨蛋建筑直径达5 0 米；然而由于技术及造价上的原因，随 后几十年，铝合金结构进入了一个沉滞时期。但随着铝合金材料、制造、连接、 计算技术的发展及工程造价的降低，近几十年来铝合金结构在民用建筑上的应用 越来越广泛。 在国内，铝合金材料最早应用于航天航空业，现在也是主要方面。在我国的 建筑结构领域，铝合金结构最早应用于9 0 年代，结构形式主要为网架和穹顶结 构。国内只有少数几座大跨度建筑采用了铝合金网壳和网架，如1 9 9 6 年建成的 天津市平津战役纪念馆为我国首幢铝合金三角形网格单层球面网壳旧，上海马戏 城的高达3 2 米的铝钛合金圆球形网壳屋顶”1 等。其中中国建筑设计研究院参与 设计和施工的北京航天城1 8 5 8 平方米全铝合金空间网架结构，该全铝螺栓球节 点网架结构是首次设计与建造”1 ，为国内乃至国外首创。 铝合金应用于活动房屋结构有许多优点： ( i ) 铝材料耐腐蚀性能好、维护费用低。当暴露在大气介质中时，其表面极 易形成一层极其致密的a l 。0 3 膜。a 1 ：0 3 膜的化学性质十分稳定，即使膜表层被划 伤破坏，新的膜很快又会产生，从而起到极好的隔离保护作用。可使活动房适用 于海岛等一些处于较强腐蚀环境。 ( 2 ) 铝材料无磁，能使活动房用于航天航空、天文及雷达站等有特殊要求场 合。 ( 3 ) 铝材料具有易回收、再处理成本低、再利用率高、回收剩余价值高、环 境保护效果好的优点。有利于节约资源。 ( 4 ) 铝材料经表面处理后外观柔美，铝结构的装饰效果可与不锈钢媲美，而 造价低于不锈钢结构。可以减少装饰环节，降低活动房屋的造价。 ( 5 ) 良好的挤压性能：铝材可以挤压成任何设计的形状，因此可以提供任何形 状的型材产品，可以满足各种类型的活动房屋结构设计的要求。 ( 6 ) 铝合金具有重量轻、强度较高等优点。经过热处理，铝镁硅系合金的强 度可以提高到五。= 2 5 0 n r a m 4 ；铝锌和铝铜系合金的强度可以达到五：- - - - 3 5 0 4 0 0 n m m 。2 。它们的强度相当于钢材，但自重却仅为后者的1 3 。这些高强铝合 金的出现，使活动房屋构件的轻型化和小型化实现了可能。 ( 7 ) 低温性能良好：铝合金在低温条件下强度不降低，某种合金如铝镁合金在 低温时强度还可以得到提高，因此在铝合金中，不必规定临界温度，铝合金对低 温时或室温时脆性断裂的敏感性小于钢材。这种铝合金特别适用于高寒地区的活 动房屋。 早在5 0 年代，欧美各国也开展了对铝合金结构的研究。这些研究包括：对铝 及铝合金材料的材性研究、铝合金结构安全度原理的研究、铝合金结构的连接及 结构构件的强度等许多方面嗍。在7 0 年代，e c c s 铝合金委员会已经对铝合金结构 构件的稳定性这一课题进行了广泛的探讨和研究，为了探讨铝合金材料的力学性 能、力学缺陷和力学缺陷对构件稳定性的影响，即，考虑构件起始的初弯曲、荷 载作用的初偏心及可能存在于构件截面上的残余应力等缺陷对轴心受压构件稳 定承载力的影响。该委员会已经就这一方面的问题进行了理论分析和试验研究。 通过对大量的试验结构构件进行统计分析，确定了作为工作型材的铝合金构件的 特征。其次，通过采用计算机模拟的数值解析，来确定结构构件的稳定承载力。 费拉和马佐拉尼通过以数值分析的方法以精确模拟实际结构的性能。此外，弗雷 和马森尼特也进行了类似的模拟方法。在试验的基础上，借助于计算机及分析程 序，通过采用数值分析的方法，研究了具有初始缺陷的轴心受压构件的稳定承载 力。而e c c s 委员会应用了这些研究成果，并根据这些研究成果制定了铝合金轴心 受压构件的柱子曲线，与此同时，美国、德国等国家也进行了相应的研究。如今， 美国铝业协会制定了铝合金结构规范“”，同时英国、意大利，瑞典( s v r ) 、法 国、德国等国的规范也都已经出版。 在我国，建筑铝结构处于起步阶段，且多用于空间网架结构中，由于国内缺 少有关铝结构的设计，施工及验收等一系列的规范或手册，因此设计施工部门均 4 参照国内钢结构和机械制造行业铝合金方面相关的规定，同时也参考了美国和欧 洲国家关于铝合会结构方面设计，施工的做法。同济大学李明、沈祖炎等和上海 现代建筑设计集团姚念亮对铝合会结构轴压卡t 进行了一系列试验研究“，得 出了相对长细比大于1 时得热处理铝合金轴心压卡t 得计算公式，并且编制了上海 市标准，铝合金格构结构技术( 暂行) 规程。西安交通大学刘文辉、林缄光、 罗小燕、余红霞、王志骞等对铝合余工字形和圆形轴心压杆“”“”、工字形铝合 金偏压杆件“”和铝合会薄板及其加劲肋“”进行了研究，拟合出了一些实用计算 公式。同济大学曾银枝和中国建筑科学研究院结构所得郝成新、钱基宏等对大跨 度铝合金穹顶网壳结构进行了试验研究【”“，提出了铝合金穹顶结构的设计方 法。这些研究成果均对铝合金结构在实际工程中的应用起到了重要的推动作用。 但是目前还未形成国家规范。 1 3 2 活动房屋结构的特点 活动房屋由基础、房架、板块、附件等四部分组成。房架采用折叠结构，展 开时用螺栓紧固折叠点。在房架对接处，通过螺栓和托板连接整榀房架。整榀房 架展开状态见图1 - 2 。墙板，屋面板，门窗板均插在房架的凹槽内。插板示意图 见图卜3 。房架柱用螺栓固定在地圈梁上，地圈梁通过地桩锚固在一块经夯实的 平地上。 图1 - 2 整榀房架1 螺栓2 托板 图1 - 3插板示意图 由于活动房的梁柱节点和柱底节点是用连接件通过螺栓连接，梁和柱的壁 厚较薄，连接处的刚度较小，只能传递梁和柱之间以及柱和地圈梁之间的部分弯 矩，故属于半刚性连接。为了真实反映活动房的实际工作状态，应考虑节点的半 刚性问题。事实上，在荷载作用下，没有一种连接是完全刚接或理想铰接的。因 为完全刚性连接具有一定的柔度；而理想铰接也具有一定的刚度。譬如，对理想 铰接框架性能的研究已表明“”，受重力荷载作用的主梁将传递一部分“固端”弯 矩给外柱，若不考虑这种实际上己由“铰接”提供的转动约束，主梁的设计相应 地会是保守的；而对于一些九层以上的高层框架，这种简化分析可能使框架过早 失稳。因此，为了正确地估计框架的实际受力性能，应考虑实际半刚性连接的影 响。 。 早在七十年前，工程界就开始意识到半刚性连接对于钢框架结构反应的重要 影响。w i l s o n 和m o o r e ( 1 9 1 7 ) 首次研究了铆钉连接的柔度。在上世纪三十年代， 英国、加拿大和美国的一些学者都对梁柱连接弯矩一转角关系( m 一0 曲线) 进行 了研究，试图为半刚性连接设计提供数据和资料。到了二十世纪七十年代之后， 随着高强度螺栓的普遍使用，半刚性连接性能的研究更引起了广泛的重视。目前 国内外关于连接性能的研究方法，可以归纳为下列的几类： ( 1 ) 实验测定法o ” 实验测定法就是通过大量的连接性能的全过程实验来验证半刚性连接钢框 架的静、动力性能。它是迄今为止，连接性能的全过程试验是目前唯一公认的获 得连接真实获得m 一口曲线的有效方法。从上世纪7 0 年代以来，以华人科学家 陈惠发( w f c h e n ) 为首的一大批科研工作者在这方面做的大量卓有成效的工作， 基本上弄清了半刚性连接的工作机理和性能特征，并且建立了一些半刚性连接 m 一口关系曲线的数据库。( a ) n e t h e r c o t 数据库，n e t h e r c o t 对1 2 种类型的连 接试验进行了统计和分析，总计8 0 0 多个试验试件，它们来源于7 0 多篇论文或 试验报告。( b ) k i s h i 和t h e n ( 1 9 9 8 ) 数据库，他们收集了8 种连接类型的3 0 3 种 完整适用的脉口性能曲线，并将全部数据存入计算机，建立了试验数据库。 ( e ) 6 0 v e r d h a n 数据库，6 0 v e r d h a n ( 1 9 8 3 ) 从1 9 5 0 年以后所作的试验中搜集了大 量的连接数据。在计算机上按数据库的形式对弯矩一转角数据进行编辑，并对每 种连接提出几种计算公式。针对每种连接，现有的试验弯矩一转角曲线与现有的 6 弯矩一转角曲线进行比较，并讨论这些公式的有效性及缺点，同时向设计者提出 有关应用这些公式的建议。 由于连接性能的仝过程试验工作帚大，费用昂贵，况且实际使用的连接类型 千差万别，每种连接所包含的影响因素和参数又很多，不可能做到包罗万象的试 验。各国的实验资料综合起来似乎很多，但分散到各类连接上，能真正用于工程 设计的简单、实用、可靠的m 一口曲线仍待进一步的研究。 ( 2 ) 曲线拟合法 研究表明，在梁柱连接中，弯矩一转角关系最能反映连接的变形和承载力性 能。因此，从二十世纪三十年代起研究人员就陆续提出了多种表示半刚性梁柱连 接m 一口关系的拟和曲线模型。b a t h o 首先提出以初始刚度为整个加载过程连接 刚度值的单线性模型。l i o n b e r g e r 和w e a v e r 、丁洁民和沈祖炎提出了双线性模 型。r a z z a q 还提出了分段式模型。这些直线模型公式简单，使用方便，但计算 精度差，尤其是刚度在折点处产生跳跃，使m 一口曲线不连续。为了克服直线模 型的缺陷，f r y e 和m o o r e 提出了多项式模型，它与试验值吻合较好，但所得切 线刚度有时会出现负值。j o n e s 等人提出了分段三次样条函数模型，它能给出很 好的拟合曲线，但拟合数据量大，使用不方便。此外，c o l s o n 和l o u v e a u 、a n g 和m o r r i s 、k i s h i 和c h e n 等人分别提出了略有差异的幂函数模型；l u i 和c h e n 、 y e e 和m e l o h e r s 提出了多参数指数模型；k i s h i 和c h e n 又提出了改进的指数函 数模型。幂函数和指数函数模型能较正确、完整地拟合实验曲线，比其它模型要 好。 拟合曲线模型能将连接性能以显式表示，有利于设计计算使用。但曲线拟合 方程是建立在试验基础之上的，拟合参数又是建立在某些特定试验的基础之上， 实验数据的不足，势必难以保证曲线拟合方程对任意连接都适用或准确。目前， 曲线拟合法是最主要的半刚性连接性能研究的方法。 ( 3 ) 解析法伽嘲 解析法计算连接的弯矩一转角曲线有两种途径：一种是将连接中的主要部件 分离出来，在某些假定的基础上，获得荷载一变形关系的表达式，通过几个部件 表达式的协调计算获得m 一目曲线：另一种是对主要部件单独进行试验，以获得 实测荷载一变形曲线和拟合表达式，再通过协调计算求出连接的m 一目曲线。解 7 析法分析清楚，计算简单，但只能适用于简单连接或主要部件受力很明确的连接。 计算中的人为假定可以使计算成为可能，也可能出现较大偏差。 ( 4 ) 塑性分析法啪1 ， 为了弥补试验数据的不足，全面正确地掌握半刚性连接的性能，理论分析是 必不可少的。因此，p a c k e r 等人用塑性铰线法对端板、t 型钢和柱子翼缘受连接 螺栓拉力作用时的塑性铰线分布情况进行了研究，获得了受影响区域的宽度和极 限荷载值。b a b l a 等人分析了柱翼缘屈服线机构。塑性分析法在连接的强度和设 计方法研究中使用很普遍，可以计算连接或连接中某个部位的极限承载力，但不 能求出任何变形性能。 ( 5 ) 有限单元法 l i p s o n 等人( 1 9 7 8 ) 用有限元法计算了腹板单角钢连接。计算模型只考虑外伸 肢的平面变形问题和弹塑性性能。t a r r y 等人( 1 9 8 1 ) 用有限元法计算了单侧外伸 端板连接，由于未考虑材料的塑性性能，与实际相差较大。m a x w e l l 等人( 1 9 8 1 ) 采用薄板弯曲单元，用有限元法分析了外伸端板和上下翼缘角钢连接，考虑了材 料的弹塑性性能、板件的双向弯曲。由于未考虑剪切变形和柱子节点区域的变形， 理论曲线高于试验值。p a t e l 等人( 1 9 8 5 ) 在用有限元计算焊接与螺栓混和连接时， 采用了二维平面有限元，并将螺栓模拟为三根拉压杆单元。t s c h e 咖e r n e g g 等人 ( 1 9 8 8 ) 采平面应力单元计算了外伸端板连接性能计算模拟包括了梁和柱子整体 单元，忽略了板件的双向弯曲变形。 有限元法可以计算各种复杂的连接类型，全面考虑各种因素的影响和各种非 线性问题，对于梁柱连接性能的研究从理论上和计算方法上都是一个重大的发 展。但目前的有限元计算模型多按整体构造，模型中包含了梁和柱子，并以二维 平面问题计算，这样，网格数目多，要耗费大量机时，也不利于进行影响因素分 析和参数分析。 活动房屋中梁柱节点和柱底节点不同于传统意义上钢结构和轻钢结构的连 接节点，属于新的连接形式，无法用曲线拟合发和塑性分析发等研究方法对其进 行分析，故本文通过进行梁柱节点和柱底节点试验，初步确定了节点的m 一目关 系曲线，由于实际工作中荷载较小以及活动房的反复拆装的要求，假设m 一口的 关系为线性，在有限元分析中采用节点的初始刚度来表示半刚性节点的刚度。 s 1 4 结构足尺试验的研究现状 结构试验是研究和发展土木工程结构新材料、新体系、新施工工艺以及探 索结构计算分析、设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术创新等 方面起着重要作用。结构的试验研究一般有两类：一类是精确加工的小模型试验； 另一类是针对特定工程进行的足尺真型结构试验汹1 。 在科学研究和工程实践中，整体结构的试验一般是将实际结构按相似原理缩 为1 2 1 2 0 的小模型作为试验对象进行研究，这种方法比较简单，试验得出的 结果基本上可以说明结构的实际工作情况，所以大部分工程均采用这种方法进行 试验研究。 足尺真型试验的试验对象是实际结构( 实物) 或者是按实物结构足尺复制的 结构或构件。以往对单根构件的足尺试验做得较多，试验对象就是一根梁、一块 板或一榀屋架之类的实物构件。而对整体结构由于技术及经济等方面的原因极少 进行足尺试验研究。至多是在结构的制作安装现场针对某种工况进行简单的受荷 测试，例如对于工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载能力试验等均在实际结构上 加载量测，另外在高层建筑上直接进行风振测试和通过环境随机振动测定结构动 力特性等。而整体结构的足尺试验研究并不多见。 轻型铝合金结构活动房屋采用插板结构，属于新型结构形式。无经验可以参 考，只有通过足尺试验研究，才能真实反映结构的力学性能。 1 5 本课题的研究目的和内容 本课题的研究目的：通过对轻型铝合金活动房屋结构的足尺试验研究和有限 元分析，检验原型结构是否满足设计荷载要求，并确定结构的极限承载力，对比 活动房骨架和整体结构的承载特性。根据试验与理论分析结果的比较，验证结构 的合理性和可靠性，为这种结构的应用和推广，提供理论和试验依据。 本课题的具体研究内容如下： ( 1 ) 对活动房屋进行足尺真型试验研究。本活动房屋的墙板和屋面板与骨架 的连接方式较为特殊，属于新型结构形式，只有进行足尺寸试验才能真实反映房 屋结构的力学性能。采用重力加载法模拟雪荷载；采用液压加载法模拟风荷载， 对整体房屋结构进行了足尺试验研究。为了分析墙板和屋面板在整体活动房屋受 力时的作用，分别进行了房屋骨架和房屋整体在雪荷载和风荷载作用下的试验， 9 以及房屋整体在雪荷载和风荷载共同作用下的破坏试验，研究结构在荷载作用下 的整体变形和内力分布情况。 ( 2 ) 有限元理论分析。利用有限元计算程序a n s y s 分别建立房屋骨架和房 屋整体的有限元模型，用弹簧单元来模拟结构的半刚性连接，用耦合部分复合板 和房屋骨架的自由度来模拟两者之间的共同工作效应，分别计算了在风荷载和雪 荷载作用下结构的整体变形和内力分别情况。并与结构试验的结果进行了对比分 析。 ( 3 ) 结构受力机理及评价：将试验分析结果与理论研究结果进行对比分析， 分析了活动房屋结构的受力机理，破坏形态与位置，荷载一位移曲线等方面，对 活动房屋结构进行了评价。揭示了结构的薄弱位置及破坏原因，为结构性能的改 善提供了理论依据。 1 0 第二章铝合金活动房屋结构的试验研究 2 1 铝合金活动房屋结构试验目的 本试验的研究目的是：检验原型结构是否满足设计荷载要求，真实了解结构 的力学性能，并确定结构的极限承载力，找出结构最不利承载位置。对比活动房 骨架和整体结构的承载特性，为活动房实际承载能力分析提供依据。 2 2 试验结构的荷载计算 本活动房主要用于海拔3 0 0 0 - 5 0 0 0 米的西部高原地区以及边防海岛等地区。 高原地区常年气温低、降雪量大，风力较大；海岛地区常年风力较大由于活动 房属于临时性房屋，其本身的质量很小，因而引起的地震反映可忽略不计。因此 在进行活动房屋的设计时，风荷载和雪荷载是轻型铝合金活动房屋结构的控制荷 载。 对于试验中活动房屋结构雪荷载计算时积雪厚度的取值，参考了各地的积雪 情况，同时结合活动房屋的实际使用情况，确定对结构进行积雪厚度为2 0 c m 、 4 0 c m 及6 0 c m 的模拟雪载试验，从而研究活动房屋结构的抗雪载能力。 对于本文试验中活动房屋结构风荷载计算时风力等级的取值，参考了各地的 风压情况，同时结合活动房屋的实际使用情况，确定对结构进行风力等级为9 级、1 0 级及11 级的模拟风荷载试验，从而研究活动房屋结构的抗风载能力。 2 2 1 雪荷载计算： 根据建筑结构荷载规范g b 5 0 0 0 9 - 2 0 0 1 中求得雪荷载标准值； s i = 所 ( 2 1 ) 式中吼雪荷载标准值( k n m 2 ) ； 以屋面积雪分布系数； 活动房屋面坡度口- - - - 1 8o h 6 0 ”j - - - - - 3 5 舢；在设计雪荷 载( 2 0o f l 厚) 作用下最大应力是6 1 6 m p a 、最大竖向位移是2 2 2 眦 l 1 8 0 - - 3 1 眦；最大应力在屋架下弦与梁交接处。最大应力是铝合金屈服强度的3 2 ， 蛭一目币q 堪 最大水平位移是容许位移的4 5 0 ，最大竖向位移是容许位移的7 2 。活动房杆 件的强度满足要求，但骨架的横向刚度较弱，水平位移是容许位移的4 5 倍。 从活动房整体试验结果可以看出：( 1 ) 活动房在设计风荷载( 9 级风) 作用 下最大应力是2 2 9 m p a最大水平位移是2 0 9 姗 l 1 8 0 = 3 1m m ；最大应力在屋架下弦与梁交接处。最大应 力是铝合金屈服强度的5 1 ，最大水平位移是容许位移的1 1 3 ，最大竖向位移 是容许位移的1 6 7 。活动房杆件的强度满足要求，但由于活动房整体刚度较弱， 水平位移与竖向位移均超出容许位移的要求。 从活动房骨架试验与活动房整体试验结果对比( 见表2 - 1 ) 可以看出：风荷 载作用下，安装上复合板后，杆件的应力减小了6 5 7 ；水平位移减小了8 6 7 。雪荷载作用下，安装上复合板后，杆件的应力减小了2 1 4 ；竖向位移增 加了4 。由此可见，安装上复合板后，房屋整体刚度大大增强，承载能力也显 著提高，在进行房屋设计是要充分考虑复合板对房屋的巨大作用，从而节约材料、 降低工程造价。 表2 一l 在风、雪荷载作用下，骨架试验与整体试验结果的比较 骨架与整体试骨架与整体试 项目骨架风载整体风载骨架雪载整体雪载 验风载对比验雪载对比 构件最大 6 6 72 z 96 5 7 薯6 1 64 8 42 1 4 内力 构件最大 1 5 6 92 0 98 6 7 水平位移 构件最大 2 2 22 3 - 3 6 竖向位移 在破坏试验时，最大应力是6 0 3 m p a 、最大水平位移是1 1 0 7 咖 h 6 0 = 3 5 衄；最大竖向位移是1 4 8 眦 l 1 8 0 = 3 1 咖；最大应力在屋架下弦与梁交接 处。最大应力是铝合金屈服强度的2 9 ，最大水平位移是容许位移的3 1 6 ，最 大竖向位移是容许位移的4 7 。 由以上可以看出，在极限衙载下，绐构打件也朱屈服，而结构整体的水平位 移较大，超出结构容许位移3 倍。因此在设计时主要考虑因素的是活动房整体的 刚度。 2 7 节点试验 节点一端固定在基础上，在另一端用倒链施加拉力。利用衍载传感器测量 拉力，百分表测量转角。进行6 个梁柱节点试验和3 个柱底节点试验。梁柱节点 试验见图2 3 2 ，柱底节点试验见图2 3 3 。梁柱节点试验弯距一转角曲线见图 2 3 4 ，柱底节点弯距一转角曲线试验图2 3 5 。( 图中横轴为转角，单位r a d ，竖轴 为弯距，单位k n * m ) 。 图2 3 2 梁柱节点试验 图2 3 3 柱底节点试验 图2 3 4 梁柱节点试验弯距一转角曲线 图2 3 5 柱底节点试验弯距一转角曲线 由于结构的荷载较小，和活动房反复拆装的要求，假设节点的弯距一转角曲 线呈线性关系。用初始刚度来表示节点全部加载范围内的连接特性。通过节点试 验得出了梁柱连接的初始刚度为大约为1 2 0 1 2 n m r a d ，柱底连接的初始刚度 大约为1 3 1 0 n m r a d 。 第三章有限元理论分析 1 9 6 5 年第一次出现有限元这个名词。到今天各种大型通用有限元软件在工 程上的广泛应用。有限元经历了四十多年的发展历史，其理论和算i 去都已经f 1 趋 完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假象的离散为有限数 目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以利用对离散体进行分析所得出的 满足工程精度的近似结果来替代，这样，就可以解决很多实际工程需要解决而理 论分析又无法解决的复杂问题。 目前流行的c a e 分析软件主要有n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、a b a q u s 、i a r c 、 c o s m o s 等。”。a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元 软件，已广泛应用于机械制造，交通，土木水利工程，电子工程、兵器、能源等 各个领域。”。 本文采用a n s y s 软件，用等效荷载替代自然界中的风、雪，进行结构的静 力分析。 3 1 有限元分析方法的基础 3 1 1 有限元分析过程 有限单元法的分析过程概括起来可以分为以下5 个主要步骤m 1 ： 1 结构的离散化 将要分析的结构分割成有限个单元，并在单元体的指定点设置结点，使相邻 单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它来代替原来 的结构，也就是将给定的物理系统分割成等价的有限单元系统。 2 选择位移模型 分析时，假定位移是坐标的某种简单的函数，通常选择多项式作为位移模式， 至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑到单元的自由度和解的收敛性要求。 根据所选定的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系 式，其矩阵方程是： = 【) ( 3 1 1 1 ) 式中：厂卜一单元任一点的位移列阵； 【】形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数； p r 单元的结点位移列阵。 3 推导单元刚度矩阵。 利用几何方程将单元中任一点的应变用待定结点位移来表示的单元应变矩 阵方程；利用物理方程导出用单元结点位移表示的单元应力矩阵方程；利用虚需 位移或最小势能原理建立单元刚度方程。 4 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。 包括两个方面：一是将各个单元的刚度矩阵集合成整个结构的刚度矩阵；二 是将作用于各单元的等效结点力列阵，集合成总的荷载列阵一般而言，集合所 依据的理由是要求所有相邻的单元在公共结点处的位移相等。于是得到整个结构 的平衡方程： k 弦) = 妒 式中：扩 结构综合等效结点荷载列阵： p 结构整体位移列阵； 区】结构整体刚度矩阵。 这样得出物理系统的基本方程后，还需要考虑其边界条件或初始条件，才能 得到整个方程的解。 5 解方程组求解未知结点位移和计算单元应力。 对线性问题，整体刚度方程式将是一组线性方程组，一般是高阶方程组。采 用高斯消去法、三角分解法、雅可比迭代法、高斯一赛德尔迭代法等。对于非 线性问题，整体刚度方程式将是一组非线性方程组，采用n e w t o n r a p h s o n 法、 增量弧长法等。解出结构的位移后，可以进一步计算结构的应力。 3 。1 2 半刚性连接的有限元分析 在活动房样品中，梁与柱子是通过角板用螺栓连接的：柱子与地圈梁是用螺 栓连接的，均为半刚性连接。因此，建立半刚性连接单元的刚度矩阵进行分析。 4 0 3 1 2 1 半刚性连接杆件单元刚度方程 在刚性连接杆件的单元刚度方程基础上，对方程进行修正，从而得到半刚性 连接杆件单元的刚度方程。 取个曲端带有半刚性连接的卡1 件单元”“，承受端弯矩m 。、m 。以及轴力 的作用，如图3 1 所示。可将两端有限刚度模拟为转动弹簧，它们的存在将 分别引起杆端a 和杆端b 有相对转角既和。现取r 。和r 。来分别表示连接a 和连接b 的转动刚度。连接的转动变形，即节点和柯端之间的相对转角，可表示 为： 钆= m _ r ；2 m 日r 口 ( 3 1 2 1 ) n 仁一 m n 图3 - 1 半刚性连接杆件单元 式中，m 。和m 。分别为杆件a 端和杆件b 端的端弯矩。如果取吼和以分别为 杆件a 端及杆件b 端的结点转角，考虑到连接的柔性，杆件的转角位移方程可修 正为： ”外一一鲁 + 九( 岛一剀 炉斗卜针九卜剀 式中e i 为杆件的弯曲刚度；l 为杆件的长度。丸丸九为稳定函数，当轴 力n 较小时，有谚= 九= 4 ；九= 2 。这时，杆件的转角位移方程就简化成为通 常一阶结构分析所用的梁的转角位移方程。可以将( 3 一卜2 2 a ) 和( 3 1 2 2 b ) 两式写为： 销以一等 + z ( 专) 4 1 即孚针4 ( 以一剀 解式( 3 1 2 3 a ) 和( 3 1 2 3 b ) 得到： m 。= i e l 妇+ s 0 8 8 1 m b - = t e lb j 1 8 a + s 。8 0 式中 = 如等) 旷如等) s “剐j j2 i 式中 五= f + 到l r ) f k + 等) 一( 笥皓) ( 3 - 1 - 2 3 b ) ( 3 - i - 2 - 4 a ) ( 3 - 1 - 2 - 4 b ) ( 3 - i - 2 - 5 a ) ( 3 - i - 2 - 5 b ) ( 3 - i - 2 - 5 c ) ( 3 - 1 - 2 - 6 ) 将式( 3 1 2 4 a ) 和( 3 卜2 - 4 b ) 转换成一个含六个自由度的平面框架杆件， 如图3 - 2 所示。由杆端力a ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 与杆件内力p 、m 和m 口的 关系式( 3 一卜2 9 ) 、杆件变形“、吼和铭与杆端位移d j ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 的关系式( 3 1 2 1 0 ) 以及式( 3 1 2 - 1 1 ) 可以推出该单元的刚度方程： p = k l d ( 3 1 2 7 ) 式中p 、d 分别为单元在单元坐标系下的杆端力列向量和杆端位移列向量； p , dz p l d 。卜 p , d ， p , d i 订” l a l 图3 - 2 平面刚架单元 k = 爿e 上 o o 0 g 。坞) 等 1oo o 三三 工三 olo 一1oo o一三一三 三 0o1 式中是杆件结点相对平移。 针 卧詈 e j 5 ”了 对 警 。 鼢 o p 工 o o p 工 o 1驸1 1 磋 。一三。心 三 i ld 。 土oo 一三k 工工 j | 。 0 s q 协 0 s is u k b l j 称 一g ，坞) 等了e 1 ( 3 - 1 - 2 - 8 ) ( 3 - 1 2 9 ) ( 3 - 1 - 2 - 1 0 ) ( 3 - 1 - 2 - 1 1 ) 当有非节点荷载作用时，单元刚度方程( 3 - 1 - 2 - 8 ) 可改为： p = 忌d + p f ( 3 1 2 1 2 ) 式中p