模块化装配式钢框架结构动力特性分析

作     者：梁晓婕 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王燕

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：模块化装配式钢框架 模块单元 有限元计算模型 动力时程分析 抗震性能 

摘      要：在国家大力发展装配式建筑的背景下,模块化建筑以其生产周期短、机械化程度高、质量可控,绿色环保等独特优势成为我国建筑工业化的研究热点。但鉴于国内对模块化建筑的研究起步较晚,相关研究成果尚不够丰富,因此本文针对模块化建筑的整体结构性能展开研究。(1)本文结合国内外模块化连接节点及结构的研究现状,将模块化板式内套筒连接节点应用于模块化钢框架中,为便于后续的分析与设计,根据模块连接节点的构造特点和传力路径,遵循简化前后节点传力一致的原则,提出了板式内套筒连接节点的简化模型。并采用Abaqus有限元软件从节点和框架两个层面对简化方式的合理性进行验证,证明了节点的简化是合理且偏于安全的。(2)采用Midas/gen2020建立了一栋4层模块化装配式学生公寓的整体结构计算模型,通过对比有无支撑钢框架结构的周期和振型,确定了该学生公寓的基本结构形式为模型两侧布置支撑的模块化钢框架结构体系。对选定的整体结构计算模型进行多遇地震下的反应谱分析和弹性时程分析,得到的顶点位移、层间位移角和应力比等各项力学性能指标均满足现行国家规范要求,且通过弹塑性分析发现罕遇地震下模块梁先于模块柱屈服,说明该模块化结构属于“强柱弱梁体系,在罕遇地震下具有良好的抗震性能。(3)以4层模块化装配式钢框架结构为基础,对其进行参数化建模分析,分别建立不同模块层数和长宽比组合系数计算模型,讨论建筑平面长宽比及层数对结构抗震性能的影响,并提出满足规范要求的模块适用层数和合理长宽比取值范围。对长宽比为1.0、1.5、2.0、2.25、2.5、2.75和3.0的4-10层模块化装配式建筑进行反应谱分析,得到了不同平面长宽比及层数下模型的自阵特性和位移响应。研究表明:(1)模块化结构的基本自振周期与建筑的平面长宽比和层数均有关,当模块层数较低时(小于6层)结构的基本周期随平面长宽比的增加而增大,当模块层数达6层以上时,基本周期随平面长宽比的增大有所减小,但长宽比过大易使得结构沿纵向边跨位置出现模块梁的上下错动,对于6层以下模块建筑,建议长宽比不宜大于2.5,6层以上模块建筑的平面长宽比不宜超过2.25;(2)平面长宽比对结构Y向位移响应影响较大,但对结构X向的顶点位移和层间位移角影响较小,而层数的提高进一步加剧了结构X向和Y向的位移响应,在用钢量为80kg/m～85kg/m的条件下,该模块化建筑的最大层数不宜超过10层;(4)采用Midas/gen2020对长宽比为1.0、1.5、2.0、2.25、2.5、2.75和3.0的4层模型和4-10层长宽比为2.25的模型进行多遇和罕遇地震下的动力时程分析,分析各模型的屈服机制、破坏顺序和抗震性能,研究结果表明:(1)不同长宽比模型的X向层间位移角基本相同,除10层模型外,其余4-9层模型的弹性时程层间位移角和弹塑性时程层间位移角均小于规范限值;(2)罕遇地震作用下,随着模块层数的增加,塑性铰出现位置从结构底部逐渐往上部模块扩展,各模型的塑性铰出现顺序大致为最先出现在底层模块楼面梁,然后出现在一层模块柱底,最后发展到模块屋面梁,除一层模块柱外,绝大多数模块柱仍处于弹性阶段,且模块楼面梁先于屋面梁屈服,避免了下部模块先于上部模块发生破坏导致基础不稳固的现象,符合传统钢结构建筑的破坏模式,并满足“强柱弱梁的设计理念。