非均勻雪荷載下輕鋼結構的安全性研究

來源: www.126151.tw 發布時間:2016-06-17 論文字數:38273字
論文編號: sb2016061415382115700 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是工程論文,本文的主要探究內容為:以實際工程的輕型門式鋼架廠房為研究對象,以其作為基礎模型,通過改變廠房的屋面坡度,參考取用中國、美國、加拿大、歐洲荷載規范。
1  緒論 
 
1.1  研究背景
近些年,由于氣候的自然變化和全球變暖,強降水、暴風、干旱、暴雪災害等極端天氣事件在我國時有發生,過去需要幾十年上百年出現的嚴重自然災害,現在幾乎每年都會出現,這種天氣的異常變化不但給人民的生產、生活以及社會經濟帶來了嚴重的不利影響,更是對建筑的安全性提出了嚴峻的考驗。隨著我國的經濟發展的需要,大量的制造業基地在我國如雨后春筍般的建立起來,輕鋼結構的廠房更是在這樣的快速發展的社會經濟中得到了大量的運用,鑒于輕鋼結構具有重量輕、節省材料、施工周期短,工程造價低,綠色環保節能等優點,幾乎取代了其他結構形式的廠房。 但是,由于我國《建筑結構荷載規范》中對雪荷載屋面分布系數考慮因素較少,并且隨著設計電算化的發展以及市場的大量需求,越來越多的設計、施工企業參與競爭,使得這類建筑在設計、施工時自身存在很多的缺陷和不足,從而危及結構的安全,這點在近些年的雪災中表現的尤為明顯,給社會生命財產造成了重大的損失。雖然通常輕鋼結構的破壞是由于偶然過大的雪荷載造成的,但是隨著這種偶然事件頻率的增多,我們應該總結經驗教訓將這種暴雪災害造成的危害降到最低,因此研究輕鋼結構在雪荷載下的安全可靠性還是非常有必要的。 
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1.2  輕鋼結構介紹
鋼結構是當前社會非常流行的一種結構形式,我國也是最早采用的鐵制構件作為承重結構的國家之一,遠在秦朝時期就有用鐵作為承重構件的記錄。到了近代也常被用做結構的受力構件使用,如著名的大渡河鐵索橋、云南的元江橋等,但是由于我國腐朽的封建制度的束縛,我國近幾百年在科學技術方面漸漸的被西方趕上,到了近現代更是遠遠落后于西方,我國一直到 19 世紀的末期開始發展使用現代的鋼結構,新中國成立之后開始了大規模的應用,各種復雜高質量的鋼結構建筑才得以大量的發展。鋼結構建筑的多少,標志著一個國家或一個地區的經濟實力和經濟發達程度。進入 2000 年以后,我國國民經濟顯著增長,國力明顯增強,鋼產量成為世界大國,在建筑中提出了要“積極、合理地用鋼”,從此甩掉了“限制用鋼”的束縛,鋼結構建筑在經濟發達地區逐漸增多。特別是 2008 年前后,在奧運會的推動下,出現了鋼結構建筑熱潮,強勁的市場需求,推動鋼結構建筑迅猛發展?,F在眾多的鋼結構被廣泛的應用在了工農業、商業、體育館、住宅等建筑上。 輕鋼結構是一種非常年輕且富有生命力的建筑結構形式,在當今新建的建筑中廣泛流行。輕鋼結構在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中的定義為主要的維護構件由輕型屋蓋和輕型外墻的單層實腹式門式剛架結構。另外,在其他的一些文獻中,規定了劃分為輕鋼結構的參考值,如鋼結構每平米的造價、建筑的外尺寸、構件的重量等??偨Y起來,目前絕大多數參考資料中,輕鋼結構是指以輕型焊接或者高頻焊接型鋼、輕型冷彎薄壁型鋼、薄壁鋼管、薄鋼板、輕型熱軋型鋼以及前面所提各構件拼接、焊接而成的組合構件等為主要的受力構件,并且大量采用輕質維護隔離材料的單層或者多層鋼結構[7]。 當代的輕鋼結構誕生于二十世紀初期,后來由于在戰爭中對機庫以及軍營快速建設的需要,使其在二戰時期得到了快速的發展,二戰后又出現的門式剛架結構,以及六十年代的輕質維護結構使其大量的在建筑中得到運用。輕鋼結構在西方國家發展較早,其在設計理念及施工工藝方面一直處于領先的地位,其構件標準化及工廠化的程度也達到了很高的水平,目前在國外新建建筑中占據了很大的比重。相比之下,我們國家起步較晚,一直到 1980 年以后才在我國家大規模的應用,而后大量的科研院所及施工企業都投入到了輕鋼結構的研發中去,與其相配套的各種生產及施工水平也隨著技術的發展而日漸成熟。隨著改革開放程度的加深,在九十年代許多國外的廠家也認識到了我國鋼結構市場的重要性,越來越多的技術和生產線在我國得到運用也相對的促進了我國輕鋼結構發展。通過學習引進國外型鋼生產線再加上自主研發輕型門式剛架結構的生產設備,在國內正在迅速崛起一批有實力的輕鋼結構生產廠家[8]。 
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2  有限元軟件的介紹
 
2.1  有限元軟件 ABAQUS 簡介 
ABAQUS 是一款功能強大的有限元模擬分析軟件,由于其在土木工程、機械工程、冶金工程、水利工程等諸多方面的通用性,因此被各國的科研以及工程人員廣泛采用。尤其是在非線性分析的領域,它能將結構、流體、聲學、熱傳學、電學、以及,熱電耦合、聲固耦合等諸多方面融合到一體,可以處理復雜的結構力學及固體力學系統,特別是在非常大的復雜問題和模擬高度的非線性問題上它都能輕松應對。它不但能完成單一的構件分析,而且還可以完成系統級別的整體分析和研究,能夠分析極其龐大的復雜模型而且其分析結果非常精確。 ABAQUS 擁有非常龐大的單元庫,可模擬各種較為復雜的幾何形狀。且還擁有龐大的材料模型庫,用戶可以根據需要進行選擇包括混凝土、金屬、聚合材料、橡膠等各種材料模型。種類繁多的各種單元以及豐富多彩的材料模型使其能滿足各類工程的各種需要。另外 ABAQUS 軟件還會根據使用中的不足,不斷更新改進軟件,保證其與時俱進。在使用上,ABAQUS 的操作界面簡捷明了、分組明確、便于操作和快速掌握[24]。 
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2.2 ABAQUS 的組成及功能簡介 
ABAQUS 主要的分析模塊由三部分組成:ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit以及 ABAQUS/CAE。它的集成工作是一個復雜的系統,主要包括了模型的建立、交互式作業的提交、對計算的過程進行監控以及對得出的計算結果進行處理評估等。 ABAQUS 產品是一款使用簡易、方便的模擬軟件,在高科技產品的研發過程中發揮了巨大的作用,下面圖 2.1 為該產品集成處理的簡要框架。 以此框架為基礎,本小節將簡要介紹 ABAQUS 的三個常用的分析模塊。ABAQUS/Standard 模塊屬于一種通用的分析模塊,其求解領域廣泛,可以在線性和非線性求解時用于應對各種問題的處理,亦是我們在處理工程問題中經常會用到的一個模塊。 在應對大規模的計算問題時,ABAQUS 提供了并行的稀疏矩陣求解器,其可以進行一般過程分析和線性攝動過程分析。由于它對每一個版本都進行了反復的測試,保證了軟件在工作過程中的穩定性和質量。 現有的前后處理器與 ABAQUS/Standard 強大的分析能力結合,具有特有的解決問題的優勢,在某種情況下用戶往往只能選擇這款軟件作為問題處理的首選,通過ABAQUS,用戶可以把有限元的求解來進行集成求解,并且我們可以借助 ABAQUS 強大的功能在原有的工作流程基礎上對其進行改進。 
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3  工程實例及模型參數的確定 ...... 22 
3.1  工程概況 ...... 22 
3.2  工程設計軟件介紹 ............ 25 
3.3 PKPM 及理論設計 .......... 25
3.4  工程模擬模型基本參數的確定 ......... 38 
3.5  本章小結 ...... 39 
4  有限元軟件模擬及數據分析 ....... 40 
4.1  非均勻雪荷載值的確定 .... 40 
4.1.1  對比中、美、歐、加規范中雪荷載取值方法及區別 ......... 40 
4.1.2  本案例中非均勻雪荷載的取值 ...... 41 
4.2  有限元模型及模擬方案 ......... 43
4.3  非均勻雪荷載對門式剛架廠房的安全性影響 ......... 44
4.4  非均勻雪荷載下安全隱患的解決方案 ........... 57
5.1  結論 ............ 64 
5.2  展望 .......... 64 
 
4  有限元軟件模擬及數據分析 
 
4.1  非均勻雪荷載值的確定 
建筑結構荷載是由永久、可變和偶然三部分荷載組成的。雖然雪荷載只是可變荷載中的一部分,但雪荷載在結構使用期間,其值隨時間變化,而且其變化與平均值相比是不可以忽略不計的荷載。 在對建筑雪荷載進行統計時需要考慮的因素非常多,包括房屋和屋頂的幾何形狀、朝向、采暖情況,風速、周圍環境以及地形、地勢等的影響,在我國通常會把這些因素簡化成為一個系數rμ (屋面積雪分布系數)。國外在考慮這些因素對于其雪荷載影響方面做得研究相比較于國內要更加細致些,這點從其不同規范中的雪荷載計算公式就可以看出。各國的雪荷載計算思路是一致的,其取值都是在基本雪壓的基礎上再乘以一些相關的系數,但是細心比較后又可以發現其中有許多的不同之處,我國的規范公式中考慮的影響因素最少,僅考慮了屋面形狀和坡度的影響,另外還有諸如周圍環境、屋內熱傳導、結構重要性尚沒有考慮到,說明我國規范的雪荷載統計及計算方面相比其他規范還是不夠成熟的。所以通過其他荷載來對我國的建筑進行檢驗是十分有必要的。 
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結論 
 
輕型鋼結構在雪災中暴露出的脆弱性,使得輕鋼結構在雪荷載下的受力及變形成為一個重要的研究方向。輕型門式剛架又為目前最為普遍使用的輕鋼結構,因而本文選取輕型門式剛架作為研究對象具有其現實意義。本文通過理論計算確立了有限元分析的基本模型,在此基礎上建立了屋面坡度不同的 7 組結構模型,對其分別施加了中國規范下的均勻荷載和中、美、歐、加規范下的非均勻荷載。通過對模擬的應力、應變數據分析整理,找出鋼結構在非均勻雪荷載下其剛架柱、鋼架梁、屋面檁條、屋面板的受力及變形規律。通過整理分析,本文的主要結論如下: 
(1)在我國的荷載規范下,與均勻雪荷載所受內力相比,在非均勻雪荷載下會使柱子的底端和頂端的內力減小,產生有利的影響,同樣在美、歐、加規范下柱子底端所受應力也有同樣的趨勢,但是在柱子頂端由于美、歐、加的屋面積雪捕捉率較高,在屋面坡度小于 15°時其柱頂端所受應力會高于我國規范下所得值,并且呈現出隨著屋面坡度的降低,內力快速升高的趨勢。與均勻雪荷載所受應變相比,非均勻雪荷載會使剛架柱的側向位移減小,從而有力于抵抗風荷載等因素造成的側向位移。 
(2)在我國的荷載規范下,與均勻雪荷載所受內力相比,鋼架梁的兩端在非均勻雪荷載下內力值會高于均勻雪荷載下所得到的內力,而鋼架梁的跨中則要低于均勻雪荷載下得到的內力,并且其變化都呈現了在屋面坡度 0~15°時內力快速下降,15°~30°漸趨平緩。與均勻雪荷載所受應變相比,非均勻雪荷載會使鋼架梁的跨中位移增大,而且跨中位移的差值會隨著屋面坡度的增加而增加。 
(3)在我國的荷載規范下,與均勻雪荷載所受內力相比,當屋面坡度小于 20°時,非均勻雪荷載產生的內力會更高,但是其值遠未達到其控制應力。與均勻雪荷載所受應變相比,非均勻雪荷載會使檁條以及屋面板的位移增加,且在屋面坡度 20°以上時尤為明顯,且屋面及檁條位移最大值的位置,會隨著屋面坡度的增加向屋面一側的兩邊轉移。
(4)本文提出的兩套避險方案各有優劣,雖然都能達到減少結構內力及變形的目的,但是相比于構件強化方案,采用分災耗能結構能更加節省工程材料,達到良好的經濟性,鑒于我國推廣綠色節能環保建筑的要求,建議盡量采用使用分災耗能構件的方案。  
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參考文獻(略)

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