具有“肋—板”抗剪单元的多层钢框架静力性能研究
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摘要
《中国建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要(草案)》中指出，在“十五”期间，我国的建筑钢结构应以多层钢结构房屋为突破点，使我国钢结构的发展登上一个新的台阶。
多层钢结构常用的结构体系有框架体系、框架支撑体系和桁架体系。在结构侧移控制方面，与高层钢结构相比，多层钢结构的侧移不像高层那样起主要的控制作用，但又是一个不可忽略的因素。对于结构而言，其侧移起辅助控制作用。本文结合国内外对钢结构围护结构蒙皮效应的研究，针对多层钢结构侧移的特点，将“肋-板”结构的抗剪单元应用在多层钢结构的框架当中，取得了很好的效果。
本文建立了受剪板式薄壁结构的“肋-板”抗剪单元的力学计算模型，对于该计算模型，主要考虑了四个因素对抗剪单元在线弹性范围内静力性能的影响，即杆件规格、受剪板规格、高度方向等分数和宽度方向等分数。结合前面对抗剪单元的研究，将抗剪单元融入到整体平面单榀框架中进行受力计算分析，其中抗剪单元与框架之间采用三种不同的连接方式。通过对各种结构形式最大侧移、结构内力及耗钢量的比较，可以看到将抗剪单元用于多层钢框架结构之后，框架的抗侧移性能满足我们对多层钢结构的要求，同时框架的内力得到了大大的改善，在耗钢量方面也有很大的优势。
In the "Tenth-Five-Year Program" of the Steel Structure Industry of China and the Compendium of the Developing Layout before 2015(drqft), it is referred that during the period of "Tenth-Five-Year Program", the national steel structure industry should lay emphasis on multi-story steel structure in order that the development of the national industry of steel structure climb up to a new stage.
The ordinary structure system adopted in multi-story steel structure has three forms: framed-structure, diaphragm-braced framed-structure and truss-structure. In the aspect of controlling the lateral displacement of the structure, the displacement of multi-story steel structure is not a dominant controlling factor compared with that of high-story steel structure, but it can't be ignored, either. For the whole structure its controlling effect is secondary. Based on the former overseas and domestic study on the sheeting diaphragms effect of fender structure, the "rib-diaphragm"shear model is applied to multi-story steel structure according to its character in this paper, and the result is satisfactory.
This paper brings out the mechanics calculating model of the shear model. Four factors are considered in the linear analysis of the static behavior of the shear model. They are the parting number of height, the parting number of width, the type of pole and the type of shear diaphragm. Combined with the former study, the shear model is applied to the single framework for further analysis, in which three kinds of methods of joint are used. After analyzing the maximum lateral displacement, the internal force and the steel dosage of every kind of structure, it can be concluded that the lateral-resisting mechanics performance of the shear model framework is satisfactory. The internal force of the whole structure is reformed remarkably and the shear model framework is advantageous concerning the steel dosage.
多层钢结构常用的结构体系有框架体系、框架支撑体系和桁架体系。在结构侧移控制方面，与高层钢结构相比，多层钢结构的侧移不像高层那样起主要的控制作用，但又是一个不可忽略的因素。对于结构而言，其侧移起辅助控制作用。本文结合国内外对钢结构围护结构蒙皮效应的研究，针对多层钢结构侧移的特点，将“肋-板”结构的抗剪单元应用在多层钢结构的框架当中，取得了很好的效果。
本文建立了受剪板式薄壁结构的“肋-板”抗剪单元的力学计算模型，对于该计算模型，主要考虑了四个因素对抗剪单元在线弹性范围内静力性能的影响，即杆件规格、受剪板规格、高度方向等分数和宽度方向等分数。结合前面对抗剪单元的研究，将抗剪单元融入到整体平面单榀框架中进行受力计算分析，其中抗剪单元与框架之间采用三种不同的连接方式。通过对各种结构形式最大侧移、结构内力及耗钢量的比较，可以看到将抗剪单元用于多层钢框架结构之后，框架的抗侧移性能满足我们对多层钢结构的要求，同时框架的内力得到了大大的改善，在耗钢量方面也有很大的优势。
In the "Tenth-Five-Year Program" of the Steel Structure Industry of China and the Compendium of the Developing Layout before 2015(drqft), it is referred that during the period of "Tenth-Five-Year Program", the national steel structure industry should lay emphasis on multi-story steel structure in order that the development of the national industry of steel structure climb up to a new stage.
The ordinary structure system adopted in multi-story steel structure has three forms: framed-structure, diaphragm-braced framed-structure and truss-structure. In the aspect of controlling the lateral displacement of the structure, the displacement of multi-story steel structure is not a dominant controlling factor compared with that of high-story steel structure, but it can't be ignored, either. For the whole structure its controlling effect is secondary. Based on the former overseas and domestic study on the sheeting diaphragms effect of fender structure, the "rib-diaphragm"shear model is applied to multi-story steel structure according to its character in this paper, and the result is satisfactory.
This paper brings out the mechanics calculating model of the shear model. Four factors are considered in the linear analysis of the static behavior of the shear model. They are the parting number of height, the parting number of width, the type of pole and the type of shear diaphragm. Combined with the former study, the shear model is applied to the single framework for further analysis, in which three kinds of methods of joint are used. After analyzing the maximum lateral displacement, the internal force and the steel dosage of every kind of structure, it can be concluded that the lateral-resisting mechanics performance of the shear model framework is satisfactory. The internal force of the whole structure is reformed remarkably and the shear model framework is advantageous concerning the steel dosage.
引文
[1] 陈云波，《论钢结构的发展》，中国建材，1999年第2期，页码76-78
[2] 陈富生、邱国华、范重，《高层建筑钢结构设计》，中国建筑工业出版社，2002年7月，页码1-4
[3] 张洁、李国强，《钢结构在我国高层建筑中应用现状的述评(上)》，四川建筑科学研究，1999年第2期，页码7-12
[4] 陈禄如，《中国钢结构的发展和问题》，冶金工业部建筑研究总院院刊，1995年第4期，页码1-4
[5] 赵风华、郭炳军、杜建明，《多层民用建筑钢结构设计》，工程建设与设计，2003年第5期，页码12-15
[6] 《中国建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要(草案)》
[7] 赵风华、李旭、郭炳军，《“东清河商厦”钢结构设计》，河北建筑工程学院学报，2003年3月，第21卷第1期，页码77-80
[8] 罗仁，《多高层建筑钢结构抗侧力体系综述》，钢结构，2001年第3期第16卷总第53期，页码47-49
[9] 黄君芳、黄国平、童根树，《应力蒙皮结构的基本概念》，浙江建筑，1999年第1期，页码22-24
[10] 林醒山、柏树新，《国内外受力蒙皮研究发展概况》，南京建筑工程学院学报，1992年第2期，页码43-49
[11] 柴旭，《受力蒙皮技术研究、应用及发展概况》，冶金工业部建筑研究总院院刊
[12] 沈玉凤、袁国良，《骨架-蒙皮结构的有限元分析》，山东工程学院学报，1995年12月，第9卷第4期，页码12-14
[13] 汤征、张建萍、李海燕，《轻型房屋钢结构中压型板应力蒙皮作用的分析》，工业建筑，2002年第32卷第10期，页码66-68
[14] 完海鹰、王梅、曾荻，《考虑蒙皮效应的高层结构有限元分析》，合肥工业大学学报(自然科学版)，2001年4月第24卷第2期，页码184-188
[15] 宋康、张其林、沈祖炎，《多层钢框架柱的整体稳定分析》，工程力学增刊，1999年，页码450-455
[16] 李少泉，《有侧移刚架弹性屈曲的简化分析》，钢结构，1999年第2期第14卷总第44期，页码26-31
[17] 陈友泉、王彦敏，《轻钢结构蒙皮效应的应用探讨》，建筑结构，2002年第32卷第2期，页码29-33
[18] 林醒山、姬广华、柏树新，《受力蒙皮的有限元分析》，南京建筑工程学院学报，1992年第2期，页码73-81
[19] 施康、邹春曦，《蒙皮对客车车身结构强度和刚度的影响》，机械研究与应用，2000年12月第13卷第4期，页码12-14
[20] 彭靖云、史三元《多层轻钢结构住宅体系设计》，河北建筑科技学院学报，2003年3月第20卷第1期，页码49-52
[21] 朱勇军、张耀春，《蒙皮支撑的C形檩条在静力荷载作用下的性能》，哈尔滨建筑大学学报，1997年6月第30卷第3期，页码23-28
[22] 朱勇军、张耀春、刘锡良，《影响蒙皮支撑梁静力性能的若干因素》，天津大学学报，1999年3月第32卷第2期，页码163-167
[23] 李禄、刘锡良、丁芸孙，《蒙皮支撑的C形檩条在风吸力作用下的性能的理论分析及实验研究》，钢结构，2000年第4期第15卷总第50期，页码18-21
[24] 曹恩志，《门式刚架轻钢结构的预应力研究》，西北工业大学硕士论文，2002年3月
[25] 文兴红，《受力蒙皮结构设计计算原理》，西安建筑科技大学硕士论文，1998年3月
[26] 陈精一、蔡国忠，《电脑辅助工程分析ANSYS使用指南》，中国铁道出版社，2001年4月
[27] 李皓月、周田朋、刘相新，《ANSYS工程计算应用教程》，中国铁道出版社，2003年1月
[28] 刘涛、杨凤鹏，李贵敏、张建、王建国，《精通ANSYS》，清华大学出版社，2003年5月
[29] 任重，《ANSYS实用分析教程》，北京大学出版社，2003年3月
[30] 易日，《使用ANSYS6.1进行结构力学分析》，北京大学出版社，2002年11月
[31] 张平，《MATLAB基础与应用简明教程》，北京航空航天大学出版社，2001年1月
[32] 苏金朋、阮沈勇，《MATLAB6.1实用指南》，电子工业出版社，2002年1月
[33] 慎铁钢，《建筑力学与结构》，中国建筑工业出版社，2002年6月
[34] 龙驭球、包世华，《结构力学教程》，高等教育出版社1996年5月
[35] 黄炎，《弹性薄板理论》，国防科技大学出版社，1992年10月
[36] 陈绍蕃，《钢结构》，西安冶金建筑学院编，中国建筑工业出版社，2000年6月
[37] 丁慎思、王光成、颜卫亨、吴乃森，《钢结构》，西北工业大学出版社，1991年8
[38] 王生楠，《飞行器结构力学》，西北工业大学出版社，1998年12月
[39] 陶梅贞，《现代飞机结构设计》，西北工业大学出版社，1997年2月
[40] 龚尧南，《结构力学基础》，航空工业出版社，1993年11月
[41] 李存权，《结构稳定和稳定内力》，人民交通出版社，2000年3月
[42] 梁立孚、刘石泉、齐辉，《飞行器结构力学》，中国宇航出版社，2003年1月
[43] Bryan E.R., and EI-Dakhakhni W.M., Shear Flexibility and Strength of Corrugated Decks, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 94, ST11, Proc. Paper 6218, Nov,, 1968, pp.2549-2580
[44] Nilson A.H., and Ammar A.R., Finite Element Analysis of Metal Deck Shear Diaphragms, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 100, ST4, Proc. Paper 10467, Apr.,1974, pp. 711-726
[45] Easley J.T., and McFarland D.E., Buckling of Light Gage Corrugated Metal Shear Diaphragms, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 95, ST11, Proc. Paper 6683, July, 1969, pp. 1497-1516
[46] M. Davies, and E.R. Bryan, Manual of Stressed Skin Diaphragm Design, Granada Publishing, 1991
[47] Atrek E., and Nilson A.H., Non-linear Finite Element Analysis of Light Gage Steel Shear Diaphragms, Report No. 363, Department of Structural Engineering, Corneli University,Ithaca, N.Y., Sept., 1976
[48] Cheung Y.K., Finite Strip Method in Structural Analysis, Pergamon Press, N.Y., 1976
[49] Easley J.T., Buckling Formulas for Corrugated Metal Shear Diaphragms, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 101, ST7, Proc. Paper 11429, July, 1975, pp. 1403-1417
[2] 陈富生、邱国华、范重，《高层建筑钢结构设计》，中国建筑工业出版社，2002年7月，页码1-4
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[40] 龚尧南，《结构力学基础》，航空工业出版社，1993年11月
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[43] Bryan E.R., and EI-Dakhakhni W.M., Shear Flexibility and Strength of Corrugated Decks, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 94, ST11, Proc. Paper 6218, Nov,, 1968, pp.2549-2580
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[45] Easley J.T., and McFarland D.E., Buckling of Light Gage Corrugated Metal Shear Diaphragms, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 95, ST11, Proc. Paper 6683, July, 1969, pp. 1497-1516
[46] M. Davies, and E.R. Bryan, Manual of Stressed Skin Diaphragm Design, Granada Publishing, 1991
[47] Atrek E., and Nilson A.H., Non-linear Finite Element Analysis of Light Gage Steel Shear Diaphragms, Report No. 363, Department of Structural Engineering, Corneli University,Ithaca, N.Y., Sept., 1976
[48] Cheung Y.K., Finite Strip Method in Structural Analysis, Pergamon Press, N.Y., 1976
[49] Easley J.T., Buckling Formulas for Corrugated Metal Shear Diaphragms, Journal of the Structural Division, ASCE, vol. 101, ST7, Proc. Paper 11429, July, 1975, pp. 1403-1417
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