蜂窝式钢框架结构设计方法研究毕业论文

蜂窝式钢框架结构设计方法研究摘 要：蜂窝式钢框架结构是一种将蜂窝梁与实腹柱或蜂窝柱通过焊接或螺栓连接而成的新型钢框架结构体系。不但具有传统钢框架结构的技术优势，而且可以充分利用蜂窝梁节省钢材，自重较轻等等优点。采用蜂窝式钢框架结构，可以减小柱子与维护材料的使用，管道由蜂窝孔洞处穿越，可以降低建筑层高。因此，将其利用于多高层建筑中，可以取得较好的综合效益。由于特殊的制作工艺，在相同抗弯承载力下，蜂窝梁的自重相比普通实腹钢梁较轻，从而可以进一步降低结构的地震反应。现今制约蜂窝式钢框架结构发展与应用的主要因素在于，蜂窝梁孔洞参数（包括开孔大小及孔洞位置等）对蜂窝式钢框架结构的整体抗震性能影响规律尚未明确。迄今为止，国内外对蜂窝式钢结构的研究主要集中于蜂窝梁、蜂窝柱等单一构件，对其整体抗震设计方法的研究涉及很少，没有形成系统的蜂窝式钢框架结构设计方法。本文在蜂窝式钢框架结构拟静力试验的基础之上，利用通用有限元分析软件ANSYS进行模拟分析，对不同孔洞形状，扩高比，开孔位置的蜂窝式钢框架结构进行在低周反复荷载作用下的抗震性能分析，得出合理蜂窝梁开孔位置、扩高比的建议取值范围。具体的研究内容及结论如下：对不同扩高比和梁端孔洞位置的单层单跨蜂窝式钢框架结构进行模拟分析，推导出能使梁端塑性铰外移的蜂窝梁第一个孔洞位置设计公式；通过对单层单跨和三层两跨的蜂窝式钢框架结构进行抗震性能分析，验证了公式的适用性；分析了满足此公式下蜂窝式钢框架结构的抗震性能，对设计提出了建议。对单层单跨到三层三跨的蜂窝式钢框架结构进行分析，并通过与实腹钢框架进行延性系数和等效粘滞阻尼系数的对比分析，评价蜂窝式钢框架结构具体的抗震性能；通过框架抗震等级与延性的关系的假设，推导出在不同抗震等级下不同孔洞形状的蜂窝梁扩高比限值。最后总结了本文的研究成果，得到了相关结论，并提出了蜂窝式钢框架结构需要进一步研究的主要内容。关键词：蜂窝梁；钢框架；扩高比；开孔位置；抗震性能；有限元分析AbstractCellular steel frame structure is a new steel frame structure which makes the cellular beam and solid web or cell column connected by welding or bolting. It not only has technical advantages of the traditional steel frame structure, but also can take full use of the cellular beams to save steel and reduce weight etc. Selection of cellular steel frame structure, can reduce the use of columns and maintenance materials. Pipeline going through the cellular holes, can reduce the building storey. Visible, applied it in high-rise buildings, can obtain better economic and social benefits.As a special production process, in the same flexural capacity, the cellular beam weight lighter than ordinary solid web beams, which can further reduce the seismic response. Now, the main fator of restricting cellular steel frame structure development and application is the regularity affect of cellular beam hole parameters (including the hole size and hole location, etc). on the overall seismic performance of cellular steel frame is unclear. So far, domestic and foreign researchers most are concentrated on the cellular beams, columns and other individual components, but research on the overall cellular framework for seismic design is little, and systematic cellular steel frame design methods hasnt formed.In this paper, on the basis of steel frame structure in the cellular quasi-static test，the finite element analysis was used to do simulation analysis. And use the finite element method to anysis seismic performance of different hole shapes, expansion ratio, hole location of cellular steel frame structure under the effect of cyclic loading effects in the cyclic loading, and matain the cellular beam hole location, the expansion ratio recommended value formula. Specific research content and conclusions are as follows:Simulation analysis on different expansion ratio and beam hole location of the single-layer, single-span cellular steel frame structure, derived design formulas of cellular beam first hole location which can make the beam plastic hinge outward moving. Through the single-layer, single-span and three -layer, two-span cellular steel frame structure seismic performance analysis to verify the usefulness of the formula. On the basis of meeting this formula, analysis the seismic performance cellular steel frame, and put forward design suggestions.Analysis from the single-layer, single-span to three -layer, two-span cellular steel frame structure, and comparison of solid-web steel frame ductility coefficient and the equivalent viscous damping coefficient, evaluation of specific seismic performance cellular steel frame structure. Through the presume of frame shear level and ductilitys relationship, derived the limits of cellular beam expansion ratio under different seismic levels.Finally, this paper summarizes the results of research, draws relevant conclusions, and proposes the main content of further study which cellular steel frame structure requires.Key words: cellular beam; steel frame; expansion ratio; hole location; seismic performance; finite element analysis第一章 绪论1.1 课题研究背景钢结构的应用越来越注重采用材料强度高、结构形式经济合理、承载力大的结构或构件，蜂窝构件正是符合这些要求的一种新型钢结构构件。蜂窝构件是将实腹的型钢构件进行腹板切割后错位焊接而成（见图1.1），相比原型实腹钢构件，可以在不增加用钢量的前提下，将原型钢高度提高1.31.6倍，增大截面抵抗矩，提高抗弯承载力，节省钢材，减轻结构自重，虽然制造费用有所增加，但总造价可以降低15%左右1-2。 图1.1 蜂窝梁加工过程Fig 1.1 Processing of Cellular beam蜂窝梁的孔洞形式有很多，常见的有圆形孔，六边形孔，八边形孔，椭圆形孔（也称修圆形孔），矩形孔等等，其中以圆形孔和六边形孔最为常见。我国对蜂窝梁的应用较早，早在50年代，我国就已经少量应用过蜂窝梁3。虽然只是应用在檩条、挡雨板等一些次要构件之上，但是也为我国蜂窝梁的应用和研究开创了先河。近几年，蜂窝梁的应用越发普遍，特别是在一些大型工程，如湖南会展中心，北京首都机场新航站楼，杭州萧山机场等工程中，都利用了蜂窝梁作为大跨结构梁。然而，这些工程应用中，都将蜂窝梁作为次要结构构件，或是利用蜂窝梁的美观效果和自重较轻的优点，应用于非主要受力构件。国外在蜂窝梁的应用过程中，多将其应用于多高层框架结构梁，如日本“霞关大厦”4，英国“Vulcan大楼”5等。将蜂窝梁应用于框架结构梁，不但可以利用蜂窝梁的大跨优势，减少维护结构和柱子的使用，也可以利用蜂窝孔洞穿越设备管线，从而减小结构高度，增加可利用的建筑高度。制约我国蜂窝梁应用范围的主要原因在于，我国对由蜂窝梁组成的框架结构研究不充分，对于由蜂窝梁和实腹柱，蜂窝梁和蜂窝柱组成蜂窝式钢框架结构的力学性能，特别是抗震性能的研究较少，以至于对其破坏过程，延性和耗能能力，孔洞参数的合理取值范围等等诸多因素，没有系统的研究和科学的把握。1.2 课题研究目的和意义蜂窝式钢框架结构是将蜂窝梁与实腹柱，或蜂窝梁与蜂窝柱连接而成的钢框架结构体系。鉴于上述蜂窝式钢框架结构的优点，蜂窝式钢框架结构可以更好的应用于我国的建筑产业之中。我国是多地震的国家，也是遭受严重地震震害的国家之一，有6度及6度以上地震烈度的地区约占全国总面积的60%，7度及7度以上的城市约占全国城市总数的45%6。抗震性能的优劣是一种新型的结构形式可否推广应用的前提。目前对于蜂窝构件和蜂窝式钢框架结构的研究，大多局限于静力分析，也有少量的对蜂窝梁和蜂窝柱在低周反复荷载作用下的研究成果，但是对于蜂窝式钢框架结构体系的抗震性能研究尚不多见。蜂窝式钢框架结构相对于普通钢框架结构有其特殊性，蜂窝孔洞对框架抗震性能的影响很大。如何确定包括扩高比K（蜂窝梁扩高后截面高度H与原型钢截面高度h之比，K=H/h）、蜂窝孔洞位置，蜂窝孔洞形状在内的诸多孔洞参数对蜂窝式钢框架结构抗震性能的影响，以及在这些参数作用下，蜂窝式钢框架结构的整体抗震性能优劣，是对蜂窝式钢框架结构进行抗震性能分析和设计方法研究的关键。本文将利用ANSYS有限元分析软件，对蜂窝式钢框架结构进行非线性全过程分析，着重分析孔洞参数对蜂窝式钢框架结构的影响规律，研究蜂窝式钢框架结构的设计方法，从而为其工程设计与应用提供参考。1.3 国内外研究现状分析1.3.1 国外研究现状国外对蜂窝构件和蜂窝式钢框架结构的应用与研究较早。50年代，Allftlish提出费氏空腹桁架法7，用来计算蜂窝梁的正应力。1957年，Gibsen和Jenkins利用普通等截面梁等效蜂窝梁，求解蜂窝梁挠度和应力，虽然计算较为复杂，但是结果比较精确。1964年，J.Kolosowski曾用弯矩分配法进行过计算，发现用空腹桁架计算得到的挠度值会比实测值低20%30%，且得到的应力值与实测值有偏差8。1971年，James A.Madle利用弹性力学中的平面问题求解蜂窝梁的应力9。S.L.Srimani和P.K.Oas等先后利用有限元原理，对蜂窝梁进行弹性分析10。1973年，M.u.Hosain，w.0.speirs11利用试验手段，研究孔洞对蜂窝梁极限承载力的影响，并且研究了在跨度、扩高比一定的前提下，加劲肋对蜂窝梁极限承载力的影响。1975年，A.R.Galambos，M.u.Hosain，W.G.Speirs12应用弹性与塑性分析方法，研究蜂窝梁最佳扩高比。1976年，Gotoh，Keinosuke13分析了蜂窝孔洞形状和大小对蜂窝梁应力重分布的影响，并对孔洞位置应力集中模式进行了分析。1981年，S.L.srimnai，S.C.Guhamajumd14研究了八边形孔蜂窝梁的挠度问题，通过对八边形孔蜂窝梁进行试验和理论分析，提出了腹板高度增加对蜂窝梁刚度的影响规律，并提出了蜂窝梁最为经济的截面高度。1983年，S.L.Srimnai15在前人研究基础之上，利用弹性与塑性的理论分析方法研究了蜂窝梁最经济扩高比。其中塑性分析只考虑了剪力机构和弯曲机构。1985年，T.Okub，D.A.Nethecrot16对梁墩处承受局部荷载的蜂窝梁进行试验。试验结果表明，不能简单地套用实腹梁的应力计算公式计算蜂窝梁，并提出了计算蜂窝梁应力的设计方法。1996年，Walid.Zarour，Richard.Redwood17通过试验研究梁墩腹板屈曲的影响因素。1998年，Richard.Redwood，sevak.oemirdjian18提出了三种计算方法，以计算蜂窝梁梁墩处的剪力。2004年，Amin.Mohbekhah19利用有限元分析软件分析了蜂窝梁的非弹性扭转问题，分析了简支蜂窝梁在受到梁端不相等的弯矩作用时，弯矩梯度Cb值对极限弯矩承载力的影响，并提出了可用来评价Cb值对蜂窝梁极限弯矩影响的公式。2008年，Benediktas Dervinis20通过研究蜂窝梁腹板高厚比对蜂窝梁承载力的影响，提出了一种合理的选择蜂窝梁截面尺寸的方法。2008年至2009年，Sweedan A M I, El-Sawy K M, Martini M I21,22利用有限元分析方法研究了蜂窝柱平面内的稳定性问题，提出了影响蜂窝柱平面内稳定性的因素，并编制了蜂窝柱屈曲荷载的计算图表。2011年，Sweedan A M I23继续利用有限元分析方法对跨中集中荷载和均匀分布荷载作用下蜂窝梁的平面外稳定性进行了研究，得出蜂窝梁弯矩梯度Cb的影响因素。2011年，Ellobody E24对蜂窝梁的极限荷载、屈曲模式以及侧向荷载对挠度曲线的影响进行了分析，得出了蜂窝梁极限荷载和屈曲模式的影响因素。2011年，Pachpor P D、Gupta L M和Deshpande N V25等人利用ANSYS分析了蜂窝梁挠度的影响因素，研究了六边形孔的开孔率和开孔位置对其的影响。西方国家大多都将蜂窝构件的设计纳入规范。其中英国钢结构规范（BS5950）26，日本钢结构协会编制的新版H型钢系列27，前苏联规范（CH23-81）28中，已经包含了蜂窝梁的计算公式。另外，一些国家规范（如加拿大规范CAN/CSA-S16.1-94）中，虽然没有蜂窝梁的明确提法，但是对于梁腹板上开大孔的情况也作了相关规定。前西德和英国都制定了扩高比K为1.5的蜂窝构件标准。通过对比各国规范可见，蜂窝梁的应力计算通常都采用改进的费氏空腹桁架法；对于蜂窝梁挠度计算，多数国家采用估算法，少数国家采用复杂的费氏空腹桁架法；对于蜂窝梁的稳定性，多数国家的规范近似采用实腹梁的稳定计算公式，偏于安全的以空腹薄弱位置计算稳定问题。但是，各国的规范对于蜂窝构件复杂的受力机理，扩高比、开孔率、不同孔洞情况对蜂窝构件的影响，蜂窝式压弯构件，蜂窝构件的稳定性准确计算，都没有做出相应规定。虽然计算方法较为简便，但是不适用于复杂的蜂窝构件，也无法满足现代化的工程需要。1.3.2 国内研究现状截止目前，在蜂窝构件和结构的研究领域，国内学者已经分别就蜂窝梁的整体受力性能、截面应力分布和承载能力、蜂窝式轴压和压弯构件的平面内与平面外稳定、蜂窝梁的刚度近似计算方法、蜂窝柱的承载力分析、蜂窝式钢框架梁柱节点的静力性能等方面进行了较为广泛的研究。虽然研究的进度，成果落后于西方发达国家，但是在一些领域，我国学者进行了许多创造性的研究，获得了许多国内外领先的成果。但总的来看，由于我国尚未制定相应的设计和施工规范，目前对蜂窝式钢框架结构处于边研究、边设计、边应用阶段。80年代，冶金部建筑研究总院和重庆钢铁设计研究院等单位已经进行了蜂窝构件的试验和理论分析，陈录如29在费氏空腹桁架和西方国家规范公式基础上，提出了蜂窝梁的强度、挠度、稳定的简化计算公式。1998年冶金工业部建筑研究总院编写的热轧H型钢设计应用手册30中，包含了蜂窝梁的简单计算公式，并编制了蜂窝构件型号和承载力表格。1994年和1999年，武汉水利电力学院徐德新31、薛桂玉32对蜂窝型组合梁的强度、挠度、孔洞的影响进行了理论分析和试验验证，提出了挠度近似计算公式。2004年，广西大学苏益生33分析了采用费氏空腹桁架法对蜂窝梁进行简化计算的合理性，得出圆形孔蜂窝梁比六边形孔蜂窝梁承载力可提高20%。他还提出了梁的最佳扩张比、梁桥高度和梁墩宽度取值的建议，编制了蜂窝钢梁的承载能力表，并且分析得出了六边形孔和圆形孔蜂窝钢梁应力最大部位。2005年至2008年，中南大学周朝阳34-39对六边形孔、圆形孔和修圆孔（卧式似椭圆孔）蜂窝梁的应力分析与计算，等效抗弯刚度的计算方法进行了一系列的分析。文献34、文献35和文献36分别分析了圆形孔和六边形孔蜂窝梁截面应力分布，提出了墩心截面受力区高度的计算公式；文献37、文献38 和文献39提出了圆形孔、六边形孔、椭圆形孔蜂窝梁等效抗弯刚度的计算方法，再借鉴实腹式钢梁的整体稳定公式和挠度计算，可以较为精确的分析蜂窝钢梁的整体稳定性和挠度。2007年，清华大学郭彦林40对腹板开孔钢拱的平面内稳定承载力进行了分析，提出了腹板开洞钢拱特有的单边塑性铰的破坏机理，根据等效构件的换算长细比，提出了开洞钢拱平面内稳定极限承载力设计方法。2006年至2009年，哈尔滨工业大学张卓、吴迪、武岳、邵永波、刘洪波、谢礼立等人分别对蜂窝梁强度、刚度和稳定性，楔形蜂窝压弯和悬臂构件进行了研究。张卓41分析了纯弯状态下蜂窝梁腹板的局部稳定性，得出孔洞高度和宽度变化对纯弯状态下的蜂窝梁承载力的影响，并通过高厚比限值分析翼缘对开孔板约束的作用。吴迪42、武岳43研究了跨度、孔间距、开孔率等参数对圆形孔和六边形孔蜂窝梁强度、刚度和稳定性的影响。同校的邵永波、刘洪波、谢礼立44-45对楔形蜂窝压弯和悬臂构件进行了静力性能分析，得出了楔形蜂窝构件的近似计算模型。2006年，沈阳建筑大学徐晓霞46在硕士学位论文蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定分析中，通过对实腹式与蜂窝式压弯构件平面内稳定极限承载力进行对比，提出了针对蜂窝式压弯构件的强度、刚度和平面内稳定承载力的设计方法。同年，沈阳建筑大学张丽47在硕士学位论文蜂窝压弯构件平面外的承载力计算中，通过计算不同扩高比的蜂窝梁弹性弯扭屈曲临界荷载，分析扩高比对其弹性弯扭屈曲临界弯矩的影响，并提出了在纯弯状态下的蜂窝梁整体稳定计算式；对比扩高前后的蜂窝压弯构件弹性弯扭屈曲临界荷载，提出扩高比和孔洞形状对其的影响，给出可应用于蜂窝式压弯构件平面外稳定性计算的计算公式。2008年，沈阳建筑大学耿琳48在硕士学位论文蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定承载力计算的试验研究中，比较了扩高前后蜂窝式压弯构件平面内稳定极限承载力大小，确定了蜂窝式压弯构件相比实腹式压弯构件极限荷载的提高幅度；引用了换算长细比的概念，对格构式压弯构件平面内稳定计算公式进行修正，提出了针对蜂窝式压弯构件的平面内稳定计算公式。2009年，沈阳建筑大学王健49在硕士学位论文蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析中，对蜂窝式钢框架进行了抗震性能模拟分析，分析了在低周反复荷载作用下，蜂窝式钢框架结构的延性、耗能能力、节点变形及效应对框架层间侧移的影响。分析结果表明，蜂窝式钢框架结构具有良好的抗震性能。2007年和2009年，北京交通大学杨庆山50-51采用试验有限元相结合的方法对腹板开圆孔的节点与框架抗震性能进行分析。研究成果表明，在节点处腹板区域开设圆孔，当开设位置与圆孔尺寸一定时，对其抗震性能影响较小。而且，腹板开圆孔的钢框架会在强震作用下，形成标准的延性框架破坏模式。2010年，沈阳建筑大学孙宏达52在硕士学位论文蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析中，对蜂窝式钢框架进行试验研究和模拟分析，分析了蜂窝式钢框架的抗震性能指标。结果表明，蜂窝式钢框架具有良好的延性和抗震性能。在试验基础之上，对多种蜂窝式钢框架结构进行有限元模拟分析，得出蜂窝式钢框架在扩高比K=1.31.5时，刚度退化较为均匀，具有良好的延性。同年，沈阳建筑大学王瑞锋53在硕士学位论文蜂窝式钢框架梁柱节点静力性能分析中，对六边形孔、正方形孔、圆形孔蜂窝式钢框架节点计算模型进行模拟分析，得出不同孔型的蜂窝梁、蜂窝柱孔洞位置的合理取值范围，并提出了蜂窝式钢框架节点中蜂窝梁和蜂窝柱截面的正应力和剪应力计算公式。同年，沈阳建筑大学李红超54在硕士学位论文蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能研究，通过对蜂窝式框架节点进行试验研究和模拟分析，分析在扩高比一致的前提下，梁柱第一个孔洞位置对蜂窝式框架节点的抗震性能影响。结果表明，相对于柱上第一个孔洞，梁上第一个孔洞的位置对节点抗震性能的影响更为显著。当梁上第一个孔洞位置合适时，可以将塑性铰由焊缝区域较集中的节点域转移至梁端孔洞处，有效地提高节点延性和抗震性能。1.3.3 国内外研究现状总结总结国内外研究现状可以看出，国内外学者对蜂窝式钢结构的研究，主要集中于蜂窝梁和蜂窝柱等单独的构件之上，已经就其强度、刚度、稳定性等静力方面，滞回性能、动力特性等动力方面，进行了很多卓有成效的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。针对蜂窝式钢框架这种新型的结构体系，国内外仅有本课题组成员进行了相关的研究。但是，要想形成蜂窝式钢框架结构体系的系统设计方法，尚有很多研究内容需要深入探索。蜂窝式钢框架结构不同于普通钢框架结构的主要特点在于，蜂窝孔洞对蜂窝梁乃至蜂窝式钢框架的抗震性能影响很大。孔洞的削弱，势必造成蜂窝式钢框架结构无法简单参照普通钢框架结构的设计方法进行设计应用。即使采用普通钢框架结构的设计方法，按照扩高之前的蜂窝梁进行强度、刚度和稳定性验算，仅仅将蜂窝梁的抗弯承载力提高作为强度储备，不但无法充分利用蜂窝梁的优势降低造价，还容易造成蜂窝梁抗弯强度过大而抗剪强度不足，使设计结果偏于不安全。因此，必须根据蜂窝式钢框架结构的特点，探索蜂窝式钢框架结构特有的设计方法。蜂窝孔洞位置，蜂窝梁的扩高比，蜂窝孔洞形状等诸多参数，是对蜂窝式钢框架结构进行抗震设计的关键。只有确定了这些参数的具体设计方法，才能精确的确定蜂窝梁的构造尺寸，继而利用传统钢框架结构的设计方法完成蜂窝钢框架的结构设计。本文即主要研究上述参数具体的取值方法，并分析利用本文提供的设计方法进行设计形成的蜂窝式钢框架结构的抗震性能优劣。1.4 增强框架抗震性能的方法一种新型框架结构形式的抗震性能优劣，是其能否全面推广的主要因素之一。影响钢框架抗震性能的因素有很多，主要为框架柱长细比、框架柱轴压比、梁柱板件的宽厚比、梁柱连接节点构造形式，隔震和消能减震措施的应用等。对上述因素进行逐一的改进，可以明显地增强钢框架结构的抗震性能。虽然改进的方法有很多，但是归根结底是增强钢框架的延性和耗能能力。延性与耗能能力是评价框架抗震性能优劣的重要指标。“高延性-低弹性承载力”和“低延性-高弹性承载力”是抗震设计的两种主要思路。前者为“耗能或延性”的设计思路，主要通过结构的延性性能和耗能能力吸收并耗散地震能量；后者为“弹性承载力超强”的设计思路，主要通过弹性承载力抵御地震作用，并通过高阻尼耗散地震能量55。两种思路对应两种不同的设计理念，高地震烈度区域建议采用前者，低地震烈度区域建议采用后者。在强震作用下，保持结构仍处在弹性范围内是非常不经济的，也是没有必要的，世界各国规范都允许在地震作用下结构出现塑性变形，这不仅是从经济方面考虑，也能使结构在地震作用下通过塑性变形吸收消耗能量，增强结构抵御强烈地震的能力。这是抗震设计的基本思路，“强柱弱梁”、“强节点弱构件”则是在这种思路下的具体措施。1.4.1 框架结构的破坏机制在罕遇地震作用下，框架结构的破坏机制有四种，分别为梁铰机制、柱脚机制、混合机制和节点破坏56。具体的破坏机制如图1.2所示。梁铰机制：在地震作用下，框架梁端截面先于柱端截面屈服，使塑性铰首先产生于梁端。在这种机制下，各层的层间位移变化较为均匀，可以保证在梁端截面无需太大的塑性转动的情况下，使整体框架承受较大的延性位移。梁端截面的塑性转动，不会对整体结构的刚度造成太大影响，并且通过梁端截面的塑性转动，可以形成耗能区域吸收地震能量，从而保证结构不会发生倒塌破坏。柱铰机制：在地震作用下，薄弱层的框架柱柱端截面首先达到屈服，形成塑性铰。在这种机制下，各层的层间位移变化很不均匀，一般薄弱层的层间位移大于其余楼层，这就要求柱截面有很高的塑性转动能力，否则会在很小的延性位移下，结构即发生破坏。当柱端截面形成塑性铰后，对整体框架的刚度影响很大，极易造成框架倒塌。混合机制：在地震作用下，中柱截面和边节点的梁端截面同时达到屈服，形成塑性铰。混合机制的抗震性能介于梁铰机制和柱铰机制之间，虽然中柱截面的塑性铰对整体刚度有一定的影响，但是可以利用边柱对刚度的贡献，使结构不致发生倒塌。节点破坏：当框架的节点域抗剪能力较差时，会造成节点在地震作用下的剪切破坏。对于钢结构来说，节点破坏还包括梁柱连接焊缝破坏。节点破坏相当于梁柱都发生破坏，后果最为严重，因而也是抗震设计时最应该避免的破坏机制。 (a) 梁铰机制 (b) 柱铰机制 (c) 混合机制 (d) 节点破坏图1.2 框架破坏机制Fig 1.2 Failure mechanism of the Frame鉴于以上几种破坏机制的特点，现今国内外普遍控制钢框架结构在强震作用下形成梁铰机制，即通过设计使框架形成“强柱弱梁”的抗震结构体系，从而使刚框架结构具有更好的抗震性能。总而言之，形成梁铰机制是一种增强框架延性的方法。1.4.2 增强框架延性延性反映了框架结构在进入塑性后的变形能力。延性越高，框架进入塑性后的变形能力越强，在强烈地震作用下，框架能承受的位移越大，在不断的塑性变形过程中，吸收地震能量，并且不能导致框架倒塌。增强框架的延性方法有很多，图1.3是美国SAC机构（美国北岭地震后，由美国联邦应急管理局（FEMA）组织成立的联合研究机构，主要成员为加州结构工程协会（SEAOC）、应用技术研究会（ATC）和加州的地震工程研究单位（CU），因此被称为SAC）所推荐的延性钢框架破坏形式。此种形式是典型的梁铰破坏机制，在地震作用下，梁端截面进入塑性，形成塑性铰，通过塑性铰的变形吸收地震能量，此时的框架柱不发生影响结构刚度和承载力的破坏，从而保证结构不倒塌。要达到此种延性钢框架的要求，可以通过降低梁柱刚度比，即减小框架梁刚度或增强框架柱刚度来实现，或是通过对改进框架节点形式，人为设定塑性铰出现位置来实现。前种方法的经济性和实用性不好保证，楼板对框架梁刚度的贡献及承担正常使用条件下荷载的要求，使框架梁的刚度往往不能随意减小，而一味增加框架柱的刚度又会使造价增高，并且造成过多的材料浪费。后一种方法可以很好的实现地震作用下延性破坏形式，且能在满足正常使用条件下，不致使造价提高过多。图1.3 延性钢框架破坏形式Fig 1.3 Ductile failure mode of steel frame美国FEMA35057和我国建筑抗震设计规范GB5001158-59，推荐使用翼缘削弱型节点(Reduced Beam Section, RBS)，即常说的狗骨式节点，来形成延性钢框架破坏形式。此种方法的原理是将梁端的翼缘进行局部削弱，使梁端削弱处的抗弯承载力低于梁柱节点域和框架柱，从而使其在地震作用下先于梁柱节点域和框架柱屈服，形成塑性铰，达到“强柱弱梁”，“强节点弱构件”的设计要求。此种节点削弱形式虽然在我国已经以规范的形式进行推广，但是对其应用有一定的限制，GB50011-201058规定一级和二级钢框架，宜采用骨形连接。可见，我国建议在高设防烈度区域使用狗骨式节点。原因在于，翼缘对框架梁抗弯承载力贡献最大，削弱梁翼缘，不但加工制造较为繁琐，对框架梁抗弯承载力的削弱也非常大，要得到工程人员和业主的普遍接受较为困难。除此翼缘削弱以外，利用蜂窝梁本身的腹板削弱，形成削弱式节点形式，也是一种切实可行的办法。蜂窝梁梁端腹板削弱，可以形成局部抗弯承载力降低，在弯矩和剪力的共同作用下，蜂窝梁的蜂窝孔洞部位四个角部（图1.4的阴影部位）会相继出现屈服，形成空腹梁机制(Vierendeel Mechanism)，这样会使蜂窝梁梁端孔洞部位的抗弯承载力低于梁柱节点。因为腹板对蜂窝梁惯性矩贡献不大，其抗弯承载力的降低并不像狗骨式一样难以接受，并且利用蜂窝梁本身的蜂窝孔洞，不会产生二次加工的费用，利于施工工厂化和机械化的要求，考虑到利用蜂窝梁所形成的优势，总体造价也不会有提高。Chung K F60-61、Liu T CH62等人的研究表明，蜂窝梁腹板削弱后，截面的剪应力分布将发生改变，翼缘承担的剪应力将增加，所以并不会发生抗剪承载力大幅下降的情况。可见，利用蜂窝梁腹板孔洞形成延性框架的破坏形式，是值得应用和推广的。图1.4 蜂窝孔洞塑性区域Fig.1.4 The plastic zone in cellular holes1.4.3 改进框架节点形式美国北岭地震63和日本阪神地震64震害研究表明，钢结构在强烈地震作用下，梁柱节点区域焊缝的脆性破坏是钢结构建筑破坏的主要原因之一。图1.5是传统的钢框架梁柱节点连接形式，采用栓焊连接。此种连接形式在地震中破坏的实例很多，主要是因为梁翼缘现场施焊，焊接质量无法保证，梁柱连接处为应力最大部位，所以历次震害都表明，此种连接形式易产生破坏，威胁结构的安全。图1.5 传统栓焊连接节点Fig 1.5 Bolt-weld connection通过对历次震害的研究，国内外推荐了各种改进式节点形式，如图1.6所示。改进式节点形式的思路有以下几点：一是采用悬臂梁段（悬臂梁段连接），避免梁柱连接处现场加工，柱与悬臂梁段的连接在工厂进行，保证焊接质量，悬臂梁段与框架梁的连接在现场进行。这样可以保证在地震作用下，框架梁的破坏位置发生于现场连接处，避免节点域破坏；二是翼缘削弱式连接（骨形连接），如前文所述，使地震作用下的塑性铰产生于梁端削弱处，保护梁柱连接区域；三是翼缘加强型连接（盖板式连接、翼缘板式连接），此种节点的思路与前一种相反，通过梁柱连接部位的翼缘加强，可以使梁柱连接处强于框架梁其他部位，地震作用下，使加强部位不先于其他部位破坏，保护梁柱连接区域；四是梁端腹板开孔型节点（梁腹板开孔式连接），此种节点思路与第二种相仿，采用梁腹板开孔，使开孔部位抗弯承载力低于梁柱连接部位，从而在开孔处形成塑性铰，保护梁柱连接部位。 (a) 悬臂梁段连接 (b) 骨形连接(c) 梁端扩大型连接 (d) 盖板式连接 (e) 翼缘板式连接 (f) 梁腹板开孔式连接图1.6 改进式节点形式Fig 1.6 Improved node美国FEMA35057报告中曾经提到过梁腹板开孔式节点，文献50和51对梁腹板开圆孔框架和节点进行了抗震性能分析，表明在框架的梁腹板开设一定大小的圆孔后，并没有降低结构的整体刚度，反而能形成延性框架形式，最大塑性区移至梁腹板削弱处，最大限度的减小了梁柱连接处的转角，能有效的避免梁柱连接焊缝的脆性断裂，提高了钢框架结构的抗震性能。此种结构形式既属于改进型框架节点，也属于1.4.2节提出的增强框架延性的措施，但是，单纯的将框架梁端进行切割孔洞，不但施工较为繁琐，也增加了建筑造价。利用蜂窝梁本身所具有的蜂窝孔洞，也能够形成此种节点所能达到的效果。可以这样说，梁端形成塑性铰是蜂窝梁本身所具有的特性之一，本文即探索利用蜂窝孔洞所形成的塑性铰，构成强柱弱梁的抗震结构体系，并确定具体的设计方法。1.5 蜂窝式钢框架结构蜂窝式钢框架是由蜂窝梁与实腹柱，或蜂窝梁与蜂窝柱连接而成。通过前述的蜂窝构件优点可知，蜂窝式钢框架特别适用于多高层楼房，无大型吊车的工业厂房和轻钢结构等建筑。应用蜂窝式钢框架，满足工业化生产和机械化安装的要求，符合绿色建筑的理念，值得全面推广。 (a) 蜂窝梁与实腹柱 (b) 蜂窝梁与蜂窝柱图1.7 蜂窝式钢框架Fig.1.7 Cellular steel frame (a) 蜂窝梁与实腹柱连接节点 (b) 蜂窝梁与蜂窝柱连接节点图1.8 蜂窝式钢框架节点形式Fig 1.8 Frame joints of cellular steel frame1.6 本文的研究内容、方法及创新点1.6.1 主要研究内容及方法本文从实际应用出发，以文献52试验研究为基础，利用ANSYS有限元分析软件，建立由蜂窝梁与实腹柱组成的蜂窝式钢框架有限元分析模型，对其进行低周反复荷载作用下的全过程有限元分析，考虑蜂窝梁的孔洞参数（包括扩高比、孔洞位置、孔洞形状等）对蜂窝式钢框架结构抗震性能的影响，寻找诸多参数的合理取值建议，为蜂窝式钢框架结构的设计和工程应用提供参考。具体的研究内容如下：1、对文献52的试验试件进行有限元分析，通过破坏模式、滞回曲线，骨架曲线、延性、刚度退化曲线、耗能能力等与试验结果进行对比，验证有限元建模和分析方法的正确性。2、在总结前人研究成果的基础之上，对两种孔型（六边形孔和圆形孔）的蜂窝梁-实腹柱钢框架进行有限元模拟分析，分析孔洞形状、扩高比、孔洞位置等蜂窝梁参数对蜂窝式钢框架梁端塑性铰位置的影响规律，建立在扩高比，孔洞形状影响下，可利用蜂窝梁腹板孔洞使框架梁端塑性铰外移的蜂窝式钢框架梁端孔洞位置的合理取值公式，并分析在此梁端孔洞位置范围内，蜂窝式钢框架的抗震性能。3、在梁端孔洞位置的合理取值范围内，分析层数和跨数对蜂窝式钢框架延性和耗能能力的影响规律，建立蜂窝式钢框架抗震性能分析的典型模型，并利用此典型模型，分析扩高比、孔洞形状等参数对蜂窝式钢框架耗能能力和延性的影响规律。基于抗震性能设计的要求，提出不同抗震等级钢框架对延性要求的假设，在此基础之上，提出不同抗震等级和孔洞形状条件下蜂窝梁扩高比限值。4、基于以上成果，对蜂窝式钢框架结构设计提供建议与参考，并对下一步研究指明方向。1.6.2 主要创新点本文研究的主要创新点如下：（1）本文通过分析蜂窝式钢框架结构梁端塑性铰产生位置的影响因素，首次探讨利用蜂窝梁开孔造成的腹板削弱，使框架梁端塑性铰由梁柱节点区域转移至蜂窝梁端第一个孔洞位置的可行性，并分析蜂窝梁的孔洞形状、扩高比、开孔位置等参数对蜂窝式钢框架结构梁端塑性铰的影响，得出蜂窝式钢框架结构基于孔型形状和扩高比的合理孔洞位置取值公式。（2）本文通过国内外规范的研究，特别是对我国抗震规范中多高层钢结构房屋不同抗震等级的构造规定与国外规范的对比分析，首次提出抗震等级与框架延性系数之间的对应关系假设。并通过此种关系，分析并得出蜂窝式钢框架结构蜂窝梁在不同抗震等级下的合理扩高比限值。第二章 蜂窝式钢框架结构有限元分析模型2.1 引言目前，最为常用的有限元分析软件有ABAQUS，ANSYS，MIDAS，SAP2000等等65。本文主要采用ANSYS非线性有限元分析软件进行有限元模拟分析。ANSYS是一款具有强大的有限元分析功能的计算软件，采用APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化程序设计语言，可以快速方便地建立有限元分析模型，较精确分析非线性问题，利用其所具有的后处理功能，可以方便直观地提取所需的计算结果66-72。利用有限元分析软件，可在试验基础之上，通过对有限元模型进行模拟分析来解决复杂的结构分析问题。特别是对于钢结构这种具有材料单一，各向同性等特点的结构形式，更加可以利用有限元模拟分析，代替大量的试验工作。本文主要利用ANSYS中APDL程序设计语言编制命令流，对低周反复荷载作用下的蜂窝式钢框架模型进行有限元分析。本章主要通过与已有试验成果对比，建立基于试验的蜂窝式钢框架正确的有限元分析模型，为下文深入地分析与研究提供可靠的有限元理论基础。2.2 蜂窝式钢框架抗震性能试验简介为了研究蜂窝式钢框架在低周反复荷载作用下的破坏模式，受力机理和抗震性能，课题组于2010年10月在沈阳建筑大学结构工程试验室完成了蜂窝式钢框架结构抗震性能试验研究，根据要求对单层单跨蜂窝式钢框架结构进行拟静力试验。试验对蜂窝式钢框架在地震作用下的滞回性能、延性、刚度退化、吸耗能能力、节点域变形、破坏位置及形态进行研究。2.2.1 试件材料力学模型试验蜂窝式钢框架试件采用Q235钢材制作，材料属性试验试件如图2.1所示。试件在沈阳建筑大学材料力学实验室进行拉伸试验，测得试件材料性能平均值见表2.1。（a）材性试验试件加工图 （b）材性试验试件图 （c）试验设备图2.1 材性试验试件及试验设备图Fig 2.1 Specimen and test equipment表2.1 材料性能Table 2.1 Material properties钢材牌号钢板厚度/mm平均屈服强度fy/MPa平均极限强度fu/MPa弹性模量E/MPaQ235B6325444.442.08621058255.56395.832.038410512268.98420.372.01581052.2.2 试件尺寸设计本试验试件采用两榀跨度为2340mm的蜂窝式钢框架（命名为A榀和B榀）组成空间结构体系，框架间距1200mm，层高为1600mm，柱脚加焊8mm靴梁。试验主要分析蜂窝梁与蜂窝柱组成的蜂窝式钢框架结构抗震性能，特别是梁柱开孔参数对其抗震性能的影响，因而梁柱皆为蜂窝构件。蜂窝梁采用切割后错位焊接的方式制作，原型钢为HW10010068，控制扩高比为K=1.5。梁端第一个孔洞中心距柱翼缘间距为208mm，中部蜂窝孔心间距为174mm。蜂窝柱采用钻孔的方式制作，原型钢为HM185125812，以60mm为半径切割两个圆形孔洞，圆心距柱底端分别为900mm和1240mm。梁柱采用焊接节点，焊条型号为E43。为保证梁柱连接的钢性，节点处焊接边长90mm三角形隅撑。表2.2 框架梁柱截面参数Table 2.2 Section parameters of beam and column名称构件名称扩高前截面尺寸/mm开孔形式开孔尺寸/mm蜂窝式钢框架结构框架梁H10510068正六边形边长58框架柱H185125812圆形半径602.2.3 加载装置和加载制度试验加载装置如图2.2所示。每榀框架通过锚栓固定在地面上，并在试件平面内加装约束装置，防止试验过程中，框架柱脚发生位移，影响试验结果。两榀框架之间通过20mm厚钢板连接，两榀框架柱之间还通过焊接505角钢形成X型柱间支撑，以保证框架的平面外稳定性。采用堆载方式在钢板上施加荷载，模拟实际的楼面荷载，根据蜂窝梁极限承载力的50%确定，总竖向荷载为47kN。两榀框架节点处，设置两台250kN作动器（分别命名为1号作动器和2号作动器）用以施加水平荷载。试验全程采用位移控制，框架的屈服位移约为y=10mm，初始加载位移为5mm，框架水平位移30mm之前每级循环增加5mm，每周期循环2次，水平位移30mm之后每级循环增加10mm，直至试件破坏，加载过程由计算机控制。（a）试验模型加载装置图 （b）现场试验装置图 （c）试验作动器装置图 （d）柱脚固定装置图 （e）柱间支承图2.2 试验模型及试验装置图Fig 2.2 Test model and test equipment实验过程中出现下述情况可判定框架破坏73：(1)框架侧向位移增加过程中，在极限荷载出现之后，荷载下降至极限荷载的85%以上；(2)框架侧向位移增加过程中，即使荷载没有下降至极限荷载的85%，结构位移突然增大，结构整体失稳；(3)上述两种情况均未发生，但试件局部破坏严重，不适宜继续加载。2.3 建立有限元模型2.3.1 单元的选取在薄壁钢构件的有限元分析中，一般采用壳体单元或者三维实体单元进行分析。本文采用SHELL181单元（4节点壳体单元，适用于薄到中等厚度的壳体结构)建立蜂窝式钢框架结构的有限元模型进行分析。SHELL181为四节点壳单元，其单元形状如图2.3所示。每个节点有六个自由度，分别是三个平动自由度ux、uy、uz和三个转动分量x、y、z。壳单元支持线性分析、材料塑性、应力刚化、大应变和大变形分析，适合分析薄板、中厚板壳结构，适合于求解结构的非线性问题。ANSYS软件的单元性质表明：使用该单元不推荐选择三角形的单元形状，本文中的节点模型均使用四边形单元进行有限元建模。此外，如果使用四边形单元，为得到较准确的计算结果，单元长边与短边之比不得超过20，最大夹角不得超过155o。SHELL181单元包含了横向剪切变形效果49。图2.3 SHELL181单元模型Fig 2.3 Element model of SHELL1812.3.2 材料属性本文在进行有限元分析时，根据试验材料的拉伸试验结果，将钢材的应力应变曲线简化为三折线模型形式，选用多线性随动强化模型（MKIN），材料为各向同性，考虑包辛格效应（Bauschinger effect），采用Von Mises屈服准则及相应的塑性流动法则来指明当等效应力超过材料屈服应力时将发生塑性变形及塑性应变的方向。2.3.3 基本模型的建立基本模型采用先建关键点，连接成线，再由线生成面的建模方法。为了较为精确的模拟蜂窝孔洞位置处的塑性铰形成过程，并分析材料在轴力和剪力联合作用下的抗弯能力，在模拟中考虑几何非线性和材料非线性74。 图2.4 试验蜂窝式钢框架有限元建模模型Fig 2.4 Finite Element Modeling of cellular steel frame2.3.4 边界条件和加载制度为使有限元分析与试验结果相吻合，应该按照试验的实际情况设置模型边界条件和进行加载。试验中蜂窝式钢框架试件柱脚通过螺栓固定在地面，并且使用千斤顶和分配梁进行固定，可以视为柱脚刚接，有限元模型采用约束柱脚六个方向的自由度模拟刚接柱脚。试验中两榀蜂窝式钢框架采用斜支撑和梁上钢板保证平面外稳定，有限元模型采用约束节点和框架梁Z向的自由度模拟平面外稳定，使其只在平面内运动。施加边界条件如图2.5所示。 (a) 节点域 (b) 柱脚图2.5 有限元模拟边界条件Fig 2.5 Boundary conditions有限元分析的加载过程与试验相同，在梁上施加均布荷载以模拟试验过程中的堆载，通过在梁柱节点处施加位移的方式模拟在试验过程中以位移控制下的框架水平荷载，且位移施加方式与试验相同：即以屈服位移y（y=10mm）的倍数分级施加，由0.5y开始加载，每滞回一次增加0.5y，直至模型破坏。框架抗震性能分析与静力分析不同，破坏判定受承载力与变形两个因素共同影响，参照前文试验过程中框架模型破坏的判定准则，提出模拟破坏的判定准则：(1)框架侧向位移增加过程中，在极限荷载出现之后，荷载下降至极限荷载的85%以后；(2)框架侧向位移增加过程中，即使荷载没有下降至极限荷载的85%，结构位移突然增大，结构整体失稳；(3)框架侧向位移增加过程中，虽然荷载没有下降至极限荷载的85%，也没有出现下降段，结构也没有发生整体失稳，但是有限元非线性计算不收敛无法计算下去。有限元模拟分析计算中，若满足以上三条中任意一条即可认为框架模型达到极限承载力，模型破坏。2.4 有限元结果与试验结果对比分析利用ANSYS的通用后处理器（POST1）及时间历程后处理器（POST26）可以提取框架在任何加载过程中的应力云图、变形、在加载过程中各节点的内力变化情况以及荷载的变化情况等数据。通过提取的有限元模拟结果与试验结果进行对比分析，寻找正确的有限元分析方法。2.4.1 破坏形式对比在有限元模拟过程中，0y0.5y循环过程中蜂窝式钢框架没有出现屈服；0.5y1y循环过程中梁端第一个孔洞孔角处的腹板出现屈服，其他部位应力较小。1y2y过程中，孔角部位屈服范围增大。2y3y过程中节点域和柱脚应力增大明显，但是未出现屈服。3y4y过程中，孔洞部位变形加大，柱脚翼缘屈服。4y5y过程中孔洞剪切变形明显，有限元迭代不收敛而退出。模拟的