蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究畢業(yè)論文.doc

蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究摘 要：蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)是一種將蜂窩梁與實(shí)腹柱或蜂窩柱通過焊接或螺栓連接而成的新型鋼框架結(jié)構(gòu)體系。不但具有傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，而且可以充分利用蜂窩梁節(jié)省鋼材，自重較輕等等優(yōu)點(diǎn)。采用蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)，可以減小柱子與維護(hù)材料的使用，管道由蜂窩孔洞處穿越，可以降低建筑層高。因此，將其利用于多高層建筑中，可以取得較好的綜合效益。由于特殊的制作工藝，在相同抗彎承載力下，蜂窩梁的自重相比普通實(shí)腹鋼梁較輕，從而可以進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)?，F(xiàn)今制約蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)展與應(yīng)用的主要因素在于，蜂窩梁孔洞參數(shù)（包括開孔大小及孔洞位置等）對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能影響規(guī)律尚未明確。迄今為止，國內(nèi)外對蜂窩式鋼結(jié)構(gòu)的研究主要集中于蜂窩梁、蜂窩柱等單一構(gòu)件，對其整體抗震設(shè)計(jì)方法的研究涉及很少，沒有形成系統(tǒng)的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文在蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，利用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析，對不同孔洞形狀，擴(kuò)高比，開孔位置的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能分析，得出合理蜂窩梁開孔位置、擴(kuò)高比的建議取值范圍。具體的研究內(nèi)容及結(jié)論如下：對不同擴(kuò)高比和梁端孔洞位置的單層單跨蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，推導(dǎo)出能使梁端塑性鉸外移的蜂窩梁第一個(gè)孔洞位置設(shè)計(jì)公式；通過對單層單跨和三層兩跨的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，驗(yàn)證了公式的適用性；分析了滿足此公式下蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，對設(shè)計(jì)提出了建議。對單層單跨到三層三跨的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過與實(shí)腹鋼框架進(jìn)行延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)的對比分析，評價(jià)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)具體的抗震性能；通過框架抗震等級與延性的關(guān)系的假設(shè)，推導(dǎo)出在不同抗震等級下不同孔洞形狀的蜂窩梁擴(kuò)高比限值。最后總結(jié)了本文的研究成果，得到了相關(guān)結(jié)論，并提出了蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。關(guān)鍵詞：蜂窩梁；鋼框架；擴(kuò)高比；開孔位置；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 緒論1.1 課題研究背景鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越注重采用材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)合理、承載力大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，蜂窩構(gòu)件正是符合這些要求的一種新型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。蜂窩構(gòu)件是將實(shí)腹的型鋼構(gòu)件進(jìn)行腹板切割后錯(cuò)位焊接而成（見圖1.1），相比原型實(shí)腹鋼構(gòu)件，可以在不增加用鋼量的前提下，將原型鋼高度提高1.31.6倍，增大截面抵抗矩，提高抗彎承載力，節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重，雖然制造費(fèi)用有所增加，但總造價(jià)可以降低15%左右1-2。 圖1.1 蜂窩梁加工過程Fig 1.1 Processing of Cellular beam蜂窩梁的孔洞形式有很多，常見的有圓形孔，六邊形孔，八邊形孔，橢圓形孔（也稱修圓形孔），矩形孔等等，其中以圓形孔和六邊形孔最為常見。我國對蜂窩梁的應(yīng)用較早，早在50年代，我國就已經(jīng)少量應(yīng)用過蜂窩梁3。雖然只是應(yīng)用在檁條、擋雨板等一些次要構(gòu)件之上，但是也為我國蜂窩梁的應(yīng)用和研究開創(chuàng)了先河。近幾年，蜂窩梁的應(yīng)用越發(fā)普遍，特別是在一些大型工程，如湖南會展中心，北京首都機(jī)場新航站樓，杭州蕭山機(jī)場等工程中，都利用了蜂窩梁作為大跨結(jié)構(gòu)梁。然而，這些工程應(yīng)用中，都將蜂窩梁作為次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，或是利用蜂窩梁的美觀效果和自重較輕的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于非主要受力構(gòu)件。國外在蜂窩梁的應(yīng)用過程中，多將其應(yīng)用于多高層框架結(jié)構(gòu)梁，如日本“霞關(guān)大廈”4，英國“Vulcan大樓”5等。將蜂窩梁應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)梁，不但可以利用蜂窩梁的大跨優(yōu)勢，減少維護(hù)結(jié)構(gòu)和柱子的使用，也可以利用蜂窩孔洞穿越設(shè)備管線，從而減小結(jié)構(gòu)高度，增加可利用的建筑高度。制約我國蜂窩梁應(yīng)用范圍的主要原因在于，我國對由蜂窩梁組成的框架結(jié)構(gòu)研究不充分，對于由蜂窩梁和實(shí)腹柱，蜂窩梁和蜂窩柱組成蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，特別是抗震性能的研究較少，以至于對其破壞過程，延性和耗能能力，孔洞參數(shù)的合理取值范圍等等諸多因素，沒有系統(tǒng)的研究和科學(xué)的把握。1.2 課題研究目的和意義蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)是將蜂窩梁與實(shí)腹柱，或蜂窩梁與蜂窩柱連接而成的鋼框架結(jié)構(gòu)體系。鑒于上述蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)可以更好的應(yīng)用于我國的建筑產(chǎn)業(yè)之中。我國是多地震的國家，也是遭受嚴(yán)重地震震害的國家之一，有6度及6度以上地震烈度的地區(qū)約占全國總面積的60%，7度及7度以上的城市約占全國城市總數(shù)的45%6?？拐鹦阅艿膬?yōu)劣是一種新型的結(jié)構(gòu)形式可否推廣應(yīng)用的前提。目前對于蜂窩構(gòu)件和蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的研究，大多局限于靜力分析，也有少量的對蜂窩梁和蜂窩柱在低周反復(fù)荷載作用下的研究成果，但是對于蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究尚不多見。蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)相對于普通鋼框架結(jié)構(gòu)有其特殊性，蜂窩孔洞對框架抗震性能的影響很大。如何確定包括擴(kuò)高比K（蜂窩梁擴(kuò)高后截面高度H與原型鋼截面高度h之比，K=H/h）、蜂窩孔洞位置，蜂窩孔洞形狀在內(nèi)的諸多孔洞參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以及在這些參數(shù)作用下，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能優(yōu)劣，是對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析和設(shè)計(jì)方法研究的關(guān)鍵。本文將利用ANSYS有限元分析軟件，對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性全過程分析，著重分析孔洞參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，研究蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，從而為其工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1.3.1 國外研究現(xiàn)狀國外對蜂窩構(gòu)件和蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究較早。50年代，Allftlish提出費(fèi)氏空腹桁架法7，用來計(jì)算蜂窩梁的正應(yīng)力。1957年，Gibsen和Jenkins利用普通等截面梁等效蜂窩梁，求解蜂窩梁撓度和應(yīng)力，雖然計(jì)算較為復(fù)雜，但是結(jié)果比較精確。1964年，J.Kolosowski曾用彎矩分配法進(jìn)行過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)用空腹桁架計(jì)算得到的撓度值會比實(shí)測值低20%30%，且得到的應(yīng)力值與實(shí)測值有偏差8。1971年，James A.Madle利用彈性力學(xué)中的平面問題求解蜂窩梁的應(yīng)力9。S.L.Srimani和P.K.Oas等先后利用有限元原理，對蜂窩梁進(jìn)行彈性分析10。1973年，M.u.Hosain，w.0.speirs11利用試驗(yàn)手段，研究孔洞對蜂窩梁極限承載力的影響，并且研究了在跨度、擴(kuò)高比一定的前提下，加勁肋對蜂窩梁極限承載力的影響。1975年，A.R.Galambos，M.u.Hosain，W.G.Speirs12應(yīng)用彈性與塑性分析方法，研究蜂窩梁最佳擴(kuò)高比。1976年，Gotoh，Keinosuke13分析了蜂窩孔洞形狀和大小對蜂窩梁應(yīng)力重分布的影響，并對孔洞位置應(yīng)力集中模式進(jìn)行了分析。1981年，S.L.srimnai，S.C.Guhamajumd14研究了八邊形孔蜂窩梁的撓度問題，通過對八邊形孔蜂窩梁進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析，提出了腹板高度增加對蜂窩梁剛度的影響規(guī)律，并提出了蜂窩梁最為經(jīng)濟(jì)的截面高度。1983年，S.L.Srimnai15在前人研究基礎(chǔ)之上，利用彈性與塑性的理論分析方法研究了蜂窩梁最經(jīng)濟(jì)擴(kuò)高比。其中塑性分析只考慮了剪力機(jī)構(gòu)和彎曲機(jī)構(gòu)。1985年，T.Okub，D.A.Nethecrot16對梁墩處承受局部荷載的蜂窩梁進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不能簡單地套用實(shí)腹梁的應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算蜂窩梁，并提出了計(jì)算蜂窩梁應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法。1996年，Walid.Zarour，Richard.Redwood17通過試驗(yàn)研究梁墩腹板屈曲的影響因素。1998年，Richard.Redwood，sevak.oemirdjian18提出了三種計(jì)算方法，以計(jì)算蜂窩梁梁墩處的剪力。2004年，Amin.Mohbekhah19利用有限元分析軟件分析了蜂窩梁的非彈性扭轉(zhuǎn)問題，分析了簡支蜂窩梁在受到梁端不相等的彎矩作用時(shí)，彎矩梯度Cb值對極限彎矩承載力的影響，并提出了可用來評價(jià)Cb值對蜂窩梁極限彎矩影響的公式。2008年，Benediktas Dervinis20通過研究蜂窩梁腹板高厚比對蜂窩梁承載力的影響，提出了一種合理的選擇蜂窩梁截面尺寸的方法。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窩柱平面內(nèi)的穩(wěn)定性問題，提出了影響蜂窩柱平面內(nèi)穩(wěn)定性的因素，并編制了蜂窩柱屈曲荷載的計(jì)算圖表。2011年，Sweedan A M I23繼續(xù)利用有限元分析方法對跨中集中荷載和均勻分布荷載作用下蜂窩梁的平面外穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出蜂窩梁彎矩梯度Cb的影響因素。2011年，Ellobody E24對蜂窩梁的極限荷載、屈曲模式以及側(cè)向荷載對撓度曲線的影響進(jìn)行了分析，得出了蜂窩梁極限荷載和屈曲模式的影響因素。2011年，Pachpor P D、Gupta L M和Deshpande N V25等人利用ANSYS分析了蜂窩梁撓度的影響因素，研究了六邊形孔的開孔率和開孔位置對其的影響。西方國家大多都將蜂窩構(gòu)件的設(shè)計(jì)納入規(guī)范。其中英國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范（BS5950）26，日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會編制的新版H型鋼系列27，前蘇聯(lián)規(guī)范（CH23-81）28中，已經(jīng)包含了蜂窩梁的計(jì)算公式。另外，一些國家規(guī)范（如加拿大規(guī)范CAN/CSA-S16.1-94）中，雖然沒有蜂窩梁的明確提法，但是對于梁腹板上開大孔的情況也作了相關(guān)規(guī)定。前西德和英國都制定了擴(kuò)高比K為1.5的蜂窩構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)。通過對比各國規(guī)范可見，蜂窩梁的應(yīng)力計(jì)算通常都采用改進(jìn)的費(fèi)氏空腹桁架法；對于蜂窩梁撓度計(jì)算，多數(shù)國家采用估算法，少數(shù)國家采用復(fù)雜的費(fèi)氏空腹桁架法；對于蜂窩梁的穩(wěn)定性，多數(shù)國家的規(guī)范近似采用實(shí)腹梁的穩(wěn)定計(jì)算公式，偏于安全的以空腹薄弱位置計(jì)算穩(wěn)定問題。但是，各國的規(guī)范對于蜂窩構(gòu)件復(fù)雜的受力機(jī)理，擴(kuò)高比、開孔率、不同孔洞情況對蜂窩構(gòu)件的影響，蜂窩式壓彎構(gòu)件，蜂窩構(gòu)件的穩(wěn)定性準(zhǔn)確計(jì)算，都沒有做出相應(yīng)規(guī)定。雖然計(jì)算方法較為簡便，但是不適用于復(fù)雜的蜂窩構(gòu)件，也無法滿足現(xiàn)代化的工程需要。1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀截止目前，在蜂窩構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)分別就蜂窩梁的整體受力性能、截面應(yīng)力分布和承載能力、蜂窩式軸壓和壓彎構(gòu)件的平面內(nèi)與平面外穩(wěn)定、蜂窩梁的剛度近似計(jì)算方法、蜂窩柱的承載力分析、蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力性能等方面進(jìn)行了較為廣泛的研究。雖然研究的進(jìn)度，成果落后于西方發(fā)達(dá)國家，但是在一些領(lǐng)域，我國學(xué)者進(jìn)行了許多創(chuàng)造性的研究，獲得了許多國內(nèi)外領(lǐng)先的成果。但總的來看，由于我國尚未制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，目前對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)處于邊研究、邊設(shè)計(jì)、邊應(yīng)用階段。80年代，冶金部建筑研究總院和重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院等單位已經(jīng)進(jìn)行了蜂窩構(gòu)件的試驗(yàn)和理論分析，陳錄如29在費(fèi)氏空腹桁架和西方國家規(guī)范公式基礎(chǔ)上，提出了蜂窩梁的強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定的簡化計(jì)算公式。1998年冶金工業(yè)部建筑研究總院編寫的熱軋H型鋼設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊30中，包含了蜂窩梁的簡單計(jì)算公式，并編制了蜂窩構(gòu)件型號和承載力表格。1994年和1999年，武漢水利電力學(xué)院徐德新31、薛桂玉32對蜂窩型組合梁的強(qiáng)度、撓度、孔洞的影響進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了撓度近似計(jì)算公式。2004年，廣西大學(xué)蘇益生33分析了采用費(fèi)氏空腹桁架法對蜂窩梁進(jìn)行簡化計(jì)算的合理性，得出圓形孔蜂窩梁比六邊形孔蜂窩梁承載力可提高20%。他還提出了梁的最佳擴(kuò)張比、梁橋高度和梁墩寬度取值的建議，編制了蜂窩鋼梁的承載能力表，并且分析得出了六邊形孔和圓形孔蜂窩鋼梁應(yīng)力最大部位。2005年至2008年，中南大學(xué)周朝陽34-39對六邊形孔、圓形孔和修圓孔（臥式似橢圓孔）蜂窩梁的應(yīng)力分析與計(jì)算，等效抗彎剛度的計(jì)算方法進(jìn)行了一系列的分析。文獻(xiàn)34、文獻(xiàn)35和文獻(xiàn)36分別分析了圓形孔和六邊形孔蜂窩梁截面應(yīng)力分布，提出了墩心截面受力區(qū)高度的計(jì)算公式；文獻(xiàn)37、文獻(xiàn)38 和文獻(xiàn)39提出了圓形孔、六邊形孔、橢圓形孔蜂窩梁等效抗彎剛度的計(jì)算方法，再借鑒實(shí)腹式鋼梁的整體穩(wěn)定公式和撓度計(jì)算，可以較為精確的分析蜂窩鋼梁的整體穩(wěn)定性和撓度。2007年，清華大學(xué)郭彥林40對腹板開孔鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析，提出了腹板開洞鋼拱特有的單邊塑性鉸的破壞機(jī)理，根據(jù)等效構(gòu)件的換算長細(xì)比，提出了開洞鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力設(shè)計(jì)方法。2006年至2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張卓、吳迪、武岳、邵永波、劉洪波、謝禮立等人分別對蜂窩梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，楔形蜂窩壓彎和懸臂構(gòu)件進(jìn)行了研究。張卓41分析了純彎狀態(tài)下蜂窩梁腹板的局部穩(wěn)定性，得出孔洞高度和寬度變化對純彎狀態(tài)下的蜂窩梁承載力的影響，并通過高厚比限值分析翼緣對開孔板約束的作用。吳迪42、武岳43研究了跨度、孔間距、開孔率等參數(shù)對圓形孔和六邊形孔蜂窩梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響。同校的邵永波、劉洪波、謝禮立44-45對楔形蜂窩壓彎和懸臂構(gòu)件進(jìn)行了靜力性能分析，得出了楔形蜂窩構(gòu)件的近似計(jì)算模型。2006年，沈陽建筑大學(xué)徐曉霞46在碩士學(xué)位論文蜂窩式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定分析中，通過對實(shí)腹式與蜂窩式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力進(jìn)行對比，提出了針對蜂窩式壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的設(shè)計(jì)方法。同年，沈陽建筑大學(xué)張麗47在碩士學(xué)位論文蜂窩壓彎構(gòu)件平面外的承載力計(jì)算中，通過計(jì)算不同擴(kuò)高比的蜂窩梁彈性彎扭屈曲臨界荷載，分析擴(kuò)高比對其彈性彎扭屈曲臨界彎矩的影響，并提出了在純彎狀態(tài)下的蜂窩梁整體穩(wěn)定計(jì)算式；對比擴(kuò)高前后的蜂窩壓彎構(gòu)件彈性彎扭屈曲臨界荷載，提出擴(kuò)高比和孔洞形狀對其的影響，給出可應(yīng)用于蜂窩式壓彎構(gòu)件平面外穩(wěn)定性計(jì)算的計(jì)算公式。2008年，沈陽建筑大學(xué)耿琳48在碩士學(xué)位論文蜂窩式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定承載力計(jì)算的試驗(yàn)研究中，比較了擴(kuò)高前后蜂窩式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力大小，確定了蜂窩式壓彎構(gòu)件相比實(shí)腹式壓彎構(gòu)件極限荷載的提高幅度；引用了換算長細(xì)比的概念，對格構(gòu)式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出了針對蜂窩式壓彎構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式。2009年，沈陽建筑大學(xué)王健49在碩士學(xué)位論文蜂窩式梁-柱鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析中，對蜂窩式鋼框架進(jìn)行了抗震性能模擬分析，分析了在低周反復(fù)荷載作用下，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力、節(jié)點(diǎn)變形及效應(yīng)對框架層間側(cè)移的影響。分析結(jié)果表明，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。2007年和2009年，北京交通大學(xué)楊慶山50-51采用試驗(yàn)有限元相結(jié)合的方法對腹板開圓孔的節(jié)點(diǎn)與框架抗震性能進(jìn)行分析。研究成果表明，在節(jié)點(diǎn)處腹板區(qū)域開設(shè)圓孔，當(dāng)開設(shè)位置與圓孔尺寸一定時(shí)，對其抗震性能影響較小。而且，腹板開圓孔的鋼框架會在強(qiáng)震作用下，形成標(biāo)準(zhǔn)的延性框架破壞模式。2010年，沈陽建筑大學(xué)孫宏達(dá)52在碩士學(xué)位論文蜂窩式梁-柱鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析中，對蜂窩式鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)研究和模擬分析，分析了蜂窩式鋼框架的抗震性能指標(biāo)。結(jié)果表明，蜂窩式鋼框架具有良好的延性和抗震性能。在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，對多種蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，得出蜂窩式鋼框架在擴(kuò)高比K=1.31.5時(shí)，剛度退化較為均勻，具有良好的延性。同年，沈陽建筑大學(xué)王瑞鋒53在碩士學(xué)位論文蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)靜力性能分析中，對六邊形孔、正方形孔、圓形孔蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型進(jìn)行模擬分析，得出不同孔型的蜂窩梁、蜂窩柱孔洞位置的合理取值范圍，并提出了蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)中蜂窩梁和蜂窩柱截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算公式。同年，沈陽建筑大學(xué)李紅超54在碩士學(xué)位論文蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究，通過對蜂窩式框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究和模擬分析，分析在擴(kuò)高比一致的前提下，梁柱第一個(gè)孔洞位置對蜂窩式框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響。結(jié)果表明，相對于柱上第一個(gè)孔洞，梁上第一個(gè)孔洞的位置對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響更為顯著。當(dāng)梁上第一個(gè)孔洞位置合適時(shí)，可以將塑性鉸由焊縫區(qū)域較集中的節(jié)點(diǎn)域轉(zhuǎn)移至梁端孔洞處，有效地提高節(jié)點(diǎn)延性和抗震性能。1.3.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)外學(xué)者對蜂窩式鋼結(jié)構(gòu)的研究，主要集中于蜂窩梁和蜂窩柱等單獨(dú)的構(gòu)件之上，已經(jīng)就其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等靜力方面，滯回性能、動力特性等動力方面，進(jìn)行了很多卓有成效的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。針對蜂窩式鋼框架這種新型的結(jié)構(gòu)體系，國內(nèi)外僅有本課題組成員進(jìn)行了相關(guān)的研究。但是，要想形成蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，尚有很多研究內(nèi)容需要深入探索。蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)不同于普通鋼框架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于，蜂窩孔洞對蜂窩梁乃至蜂窩式鋼框架的抗震性能影響很大?？锥吹南魅?，勢必造成蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)無法簡單參照普通鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。即使采用普通鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，按照擴(kuò)高之前的蜂窩梁進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，僅僅將蜂窩梁的抗彎承載力提高作為強(qiáng)度儲備，不但無法充分利用蜂窩梁的優(yōu)勢降低造價(jià)，還容易造成蜂窩梁抗彎強(qiáng)度過大而抗剪強(qiáng)度不足，使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不安全。因此，必須根據(jù)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探索蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)特有的設(shè)計(jì)方法。蜂窩孔洞位置，蜂窩梁的擴(kuò)高比，蜂窩孔洞形狀等諸多參數(shù)，是對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。只有確定了這些參數(shù)的具體設(shè)計(jì)方法，才能精確的確定蜂窩梁的構(gòu)造尺寸，繼而利用傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法完成蜂窩鋼框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文即主要研究上述參數(shù)具體的取值方法，并分析利用本文提供的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)形成的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)劣。1.4 增強(qiáng)框架抗震性能的方法一種新型框架結(jié)構(gòu)形式的抗震性能優(yōu)劣，是其能否全面推廣的主要因素之一。影響鋼框架抗震性能的因素有很多，主要為框架柱長細(xì)比、框架柱軸壓比、梁柱板件的寬厚比、梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，隔震和消能減震措施的應(yīng)用等。對上述因素進(jìn)行逐一的改進(jìn)，可以明顯地增強(qiáng)鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。雖然改進(jìn)的方法有很多，但是歸根結(jié)底是增強(qiáng)鋼框架的延性和耗能能力。延性與耗能能力是評價(jià)框架抗震性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)?！案哐有?低彈性承載力”和“低延性-高彈性承載力”是抗震設(shè)計(jì)的兩種主要思路。前者為“耗能或延性”的設(shè)計(jì)思路，主要通過結(jié)構(gòu)的延性性能和耗能能力吸收并耗散地震能量；后者為“彈性承載力超強(qiáng)”的設(shè)計(jì)思路，主要通過彈性承載力抵御地震作用，并通過高阻尼耗散地震能量55。兩種思路對應(yīng)兩種不同的設(shè)計(jì)理念，高地震烈度區(qū)域建議采用前者，低地震烈度區(qū)域建議采用后者。在強(qiáng)震作用下，保持結(jié)構(gòu)仍處在彈性范圍內(nèi)是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是沒有必要的，世界各國規(guī)范都允許在地震作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，這不僅是從經(jīng)濟(jì)方面考慮，也能使結(jié)構(gòu)在地震作用下通過塑性變形吸收消耗能量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御強(qiáng)烈地震的能力。這是抗震設(shè)計(jì)的基本思路，“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”則是在這種思路下的具體措施。1.4.1 框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制在罕遇地震作用下，框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制有四種，分別為梁鉸機(jī)制、柱腳機(jī)制、混合機(jī)制和節(jié)點(diǎn)破壞56。具體的破壞機(jī)制如圖1.2所示。梁鉸機(jī)制：在地震作用下，框架梁端截面先于柱端截面屈服，使塑性鉸首先產(chǎn)生于梁端。在這種機(jī)制下，各層的層間位移變化較為均勻，可以保證在梁端截面無需太大的塑性轉(zhuǎn)動的情況下，使整體框架承受較大的延性位移。梁端截面的塑性轉(zhuǎn)動，不會對整體結(jié)構(gòu)的剛度造成太大影響，并且通過梁端截面的塑性轉(zhuǎn)動，可以形成耗能區(qū)域吸收地震能量，從而保證結(jié)構(gòu)不會發(fā)生倒塌破壞。柱鉸機(jī)制：在地震作用下，薄弱層的框架柱柱端截面首先達(dá)到屈服，形成塑性鉸。在這種機(jī)制下，各層的層間位移變化很不均勻，一般薄弱層的層間位移大于其余樓層，這就要求柱截面有很高的塑性轉(zhuǎn)動能力，否則會在很小的延性位移下，結(jié)構(gòu)即發(fā)生破壞。當(dāng)柱端截面形成塑性鉸后，對整體框架的剛度影響很大，極易造成框架倒塌。混合機(jī)制：在地震作用下，中柱截面和邊節(jié)點(diǎn)的梁端截面同時(shí)達(dá)到屈服，形成塑性鉸?；旌蠙C(jī)制的抗震性能介于梁鉸機(jī)制和柱鉸機(jī)制之間，雖然中柱截面的塑性鉸對整體剛度有一定的影響，但是可以利用邊柱對剛度的貢獻(xiàn)，使結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌。節(jié)點(diǎn)破壞：當(dāng)框架的節(jié)點(diǎn)域抗剪能力較差時(shí)，會造成節(jié)點(diǎn)在地震作用下的剪切破壞。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)破壞還包括梁柱連接焊縫破壞。節(jié)點(diǎn)破壞相當(dāng)于梁柱都發(fā)生破壞，后果最為嚴(yán)重，因而也是抗震設(shè)計(jì)時(shí)最應(yīng)該避免的破壞機(jī)制。 (a) 梁鉸機(jī)制 (b) 柱鉸機(jī)制 (c) 混合機(jī)制 (d) 節(jié)點(diǎn)破壞圖1.2 框架破壞機(jī)制Fig 1.2 Failure mechanism of the Frame鑒于以上幾種破壞機(jī)制的特點(diǎn)，現(xiàn)今國內(nèi)外普遍控制鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下形成梁鉸機(jī)制，即通過設(shè)計(jì)使框架形成“強(qiáng)柱弱梁”的抗震結(jié)構(gòu)體系，從而使剛框架結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。總而言之，形成梁鉸機(jī)制是一種增強(qiáng)框架延性的方法。1.4.2 增強(qiáng)框架延性延性反映了框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后的變形能力。延性越高，框架進(jìn)入塑性后的變形能力越強(qiáng)，在強(qiáng)烈地震作用下，框架能承受的位移越大，在不斷的塑性變形過程中，吸收地震能量，并且不能導(dǎo)致框架倒塌。增強(qiáng)框架的延性方法有很多，圖1.3是美國SAC機(jī)構(gòu)（美國北嶺地震后，由美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）組織成立的聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)，主要成員為加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（SEAOC）、應(yīng)用技術(shù)研究會（ATC）和加州的地震工程研究單位（CU），因此被稱為SAC）所推薦的延性鋼框架破壞形式。此種形式是典型的梁鉸破壞機(jī)制，在地震作用下，梁端截面進(jìn)入塑性，形成塑性鉸，通過塑性鉸的變形吸收地震能量，此時(shí)的框架柱不發(fā)生影響結(jié)構(gòu)剛度和承載力的破壞，從而保證結(jié)構(gòu)不倒塌。要達(dá)到此種延性鋼框架的要求，可以通過降低梁柱剛度比，即減小框架梁剛度或增強(qiáng)框架柱剛度來實(shí)現(xiàn)，或是通過對改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)形式，人為設(shè)定塑性鉸出現(xiàn)位置來實(shí)現(xiàn)。前種方法的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性不好保證，樓板對框架梁剛度的貢獻(xiàn)及承擔(dān)正常使用條件下荷載的要求，使框架梁的剛度往往不能隨意減小，而一味增加框架柱的剛度又會使造價(jià)增高，并且造成過多的材料浪費(fèi)。后一種方法可以很好的實(shí)現(xiàn)地震作用下延性破壞形式，且能在滿足正常使用條件下，不致使造價(jià)提高過多。圖1.3 延性鋼框架破壞形式Fig 1.3 Ductile failure mode of steel frame美國FEMA35057和我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB5001158-59，推薦使用翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)(Reduced Beam Section, RBS)，即常說的狗骨式節(jié)點(diǎn)，來形成延性鋼框架破壞形式。此種方法的原理是將梁端的翼緣進(jìn)行局部削弱，使梁端削弱處的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱，從而使其在地震作用下先于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱屈服，形成塑性鉸，達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”，“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求。此種節(jié)點(diǎn)削弱形式雖然在我國已經(jīng)以規(guī)范的形式進(jìn)行推廣，但是對其應(yīng)用有一定的限制，GB50011-201058規(guī)定一級和二級鋼框架，宜采用骨形連接?？梢姡覈ㄗh在高設(shè)防烈度區(qū)域使用狗骨式節(jié)點(diǎn)。原因在于，翼緣對框架梁抗彎承載力貢獻(xiàn)最大，削弱梁翼緣，不但加工制造較為繁瑣，對框架梁抗彎承載力的削弱也非常大，要得到工程人員和業(yè)主的普遍接受較為困難。除此翼緣削弱以外，利用蜂窩梁本身的腹板削弱，形成削弱式節(jié)點(diǎn)形式，也是一種切實(shí)可行的辦法。蜂窩梁梁端腹板削弱，可以形成局部抗彎承載力降低，在彎矩和剪力的共同作用下，蜂窩梁的蜂窩孔洞部位四個(gè)角部（圖1.4的陰影部位）會相繼出現(xiàn)屈服，形成空腹梁機(jī)制(Vierendeel Mechanism)，這樣會使蜂窩梁梁端孔洞部位的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點(diǎn)。因?yàn)楦拱鍖Ψ涓C梁慣性矩貢獻(xiàn)不大，其抗彎承載力的降低并不像狗骨式一樣難以接受，并且利用蜂窩梁本身的蜂窩孔洞，不會產(chǎn)生二次加工的費(fèi)用，利于施工工廠化和機(jī)械化的要求，考慮到利用蜂窩梁所形成的優(yōu)勢，總體造價(jià)也不會有提高。Chung K F60-61、Liu T CH62等人的研究表明，蜂窩梁腹板削弱后，截面的剪應(yīng)力分布將發(fā)生改變，翼緣承擔(dān)的剪應(yīng)力將增加，所以并不會發(fā)生抗剪承載力大幅下降的情況。可見，利用蜂窩梁腹板孔洞形成延性框架的破壞形式，是值得應(yīng)用和推廣的。圖1.4 蜂窩孔洞塑性區(qū)域Fig.1.4 The plastic zone in cellular holes1.4.3 改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)形式美國北嶺地震63和日本阪神地震64震害研究表明，鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊縫的脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞的主要原因之一。圖1.5是傳統(tǒng)的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式，采用栓焊連接。此種連接形式在地震中破壞的實(shí)例很多，主要是因?yàn)榱阂砭壃F(xiàn)場施焊，焊接質(zhì)量無法保證，梁柱連接處為應(yīng)力最大部位，所以歷次震害都表明，此種連接形式易產(chǎn)生破壞，威脅結(jié)構(gòu)的安全。圖1.5 傳統(tǒng)栓焊連接節(jié)點(diǎn)Fig 1.5 Bolt-weld connection通過對歷次震害的研究，國內(nèi)外推薦了各種改進(jìn)式節(jié)點(diǎn)形式，如圖1.6所示。改進(jìn)式節(jié)點(diǎn)形式的思路有以下幾點(diǎn)：一是采用懸臂梁段（懸臂梁段連接），避免梁柱連接處現(xiàn)場加工，柱與懸臂梁段的連接在工廠進(jìn)行，保證焊接質(zhì)量，懸臂梁段與框架梁的連接在現(xiàn)場進(jìn)行。這樣可以保證在地震作用下，框架梁的破壞位置發(fā)生于現(xiàn)場連接處，避免節(jié)點(diǎn)域破壞；二是翼緣削弱式連接（骨形連接），如前文所述，使地震作用下的塑性鉸產(chǎn)生于梁端削弱處，保護(hù)梁柱連接區(qū)域；三是翼緣加強(qiáng)型連接（蓋板式連接、翼緣板式連接），此種節(jié)點(diǎn)的思路與前一種相反，通過梁柱連接部位的翼緣加強(qiáng)，可以使梁柱連接處強(qiáng)于框架梁其他部位，地震作用下，使加強(qiáng)部位不先于其他部位破壞，保護(hù)梁柱連接區(qū)域；四是梁端腹板開孔型節(jié)點(diǎn)（梁腹板開孔式連接），此種節(jié)點(diǎn)思路與第二種相仿，采用梁腹板開孔，使開孔部位抗彎承載力低于梁柱連接部位，從而在開孔處形成塑性鉸，保護(hù)梁柱連接部位。 (a) 懸臂梁段連接 (b) 骨形連接(c) 梁端擴(kuò)大型連接 (d) 蓋板式連接 (e) 翼緣板式連接 (f) 梁腹板開孔式連接圖1.6 改進(jìn)式節(jié)點(diǎn)形式Fig 1.6 Improved node美國FEMA35057報(bào)告中曾經(jīng)提到過梁腹板開孔式節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn)50和51對梁腹板開圓孔框架和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能分析，表明在框架的梁腹板開設(shè)一定大小的圓孔后，并沒有降低結(jié)構(gòu)的整體剛度，反而能形成延性框架形式，最大塑性區(qū)移至梁腹板削弱處，最大限度的減小了梁柱連接處的轉(zhuǎn)角，能有效的避免梁柱連接焊縫的脆性斷裂，提高了鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。此種結(jié)構(gòu)形式既屬于改進(jìn)型框架節(jié)點(diǎn)，也屬于1.4.2節(jié)提出的增強(qiáng)框架延性的措施，但是，單純的將框架梁端進(jìn)行切割孔洞，不但施工較為繁瑣，也增加了建筑造價(jià)。利用蜂窩梁本身所具有的蜂窩孔洞，也能夠形成此種節(jié)點(diǎn)所能達(dá)到的效果?？梢赃@樣說，梁端形成塑性鉸是蜂窩梁本身所具有的特性之一，本文即探索利用蜂窩孔洞所形成的塑性鉸，構(gòu)成強(qiáng)柱弱梁的抗震結(jié)構(gòu)體系，并確定具體的設(shè)計(jì)方法。1.5 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)蜂窩式鋼框架是由蜂窩梁與實(shí)腹柱，或蜂窩梁與蜂窩柱連接而成。通過前述的蜂窩構(gòu)件優(yōu)點(diǎn)可知，蜂窩式鋼框架特別適用于多高層樓房，無大型吊車的工業(yè)廠房和輕鋼結(jié)構(gòu)等建筑。應(yīng)用蜂窩式鋼框架，滿足工業(yè)化生產(chǎn)和機(jī)械化安裝的要求，符合綠色建筑的理念，值得全面推廣。 (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱 (b) 蜂窩梁與蜂窩柱圖1.7 蜂窩式鋼框架Fig.1.7 Cellular steel frame (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱連接節(jié)點(diǎn) (b) 蜂窩梁與蜂窩柱連接節(jié)點(diǎn)圖1.8 蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)形式Fig 1.8 Frame joints of cellular steel frame1.6 本文的研究內(nèi)容、方法及創(chuàng)新點(diǎn)1.6.1 主要研究內(nèi)容及方法本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以文獻(xiàn)52試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，利用ANSYS有限元分析軟件，建立由蜂窩梁與實(shí)腹柱組成的蜂窩式鋼框架有限元分析模型，對其進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的全過程有限元分析，考慮蜂窩梁的孔洞參數(shù)（包括擴(kuò)高比、孔洞位置、孔洞形狀等）對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，尋找諸多參數(shù)的合理取值建議，為蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。具體的研究內(nèi)容如下：1、對文獻(xiàn)52的試驗(yàn)試件進(jìn)行有限元分析，通過破壞模式、滯回曲線，骨架曲線、延性、剛度退化曲線、耗能能力等與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證有限元建模和分析方法的正確性。2、在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)之上，對兩種孔型（六邊形孔和圓形孔）的蜂窩梁-實(shí)腹柱鋼框架進(jìn)行有限元模擬分析，分析孔洞形狀、擴(kuò)高比、孔洞位置等蜂窩梁參數(shù)對蜂窩式鋼框架梁端塑性鉸位置的影響規(guī)律，建立在擴(kuò)高比，孔洞形狀影響下，可利用蜂窩梁腹板孔洞使框架梁端塑性鉸外移的蜂窩式鋼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圍內(nèi)，蜂窩式鋼框架的抗震性能。3、在梁端孔洞位置的合理取值范圍內(nèi)，分析層數(shù)和跨數(shù)對蜂窩式鋼框架延性和耗能能力的影響規(guī)律，建立蜂窩式鋼框架抗震性能分析的典型模型，并利用此典型模型，分析擴(kuò)高比、孔洞形狀等參數(shù)對蜂窩式鋼框架耗能能力和延性的影響規(guī)律?；诳拐鹦阅茉O(shè)計(jì)的要求，提出不同抗震等級鋼框架對延性要求的假設(shè)，在此基礎(chǔ)之上，提出不同抗震等級和孔洞形狀條件下蜂窩梁擴(kuò)高比限值。4、基于以上成果，對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議與參考，并對下一步研究指明方向。1.6.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)本文研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）本文通過分析蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸產(chǎn)生位置的影響因素，首次探討利用蜂窩梁開孔造成的腹板削弱，使框架梁端塑性鉸由梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移至蜂窩梁端第一個(gè)孔洞位置的可行性，并分析蜂窩梁的孔洞形狀、擴(kuò)高比、開孔位置等參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸的影響，得出蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)基于孔型形狀和擴(kuò)高比的合理孔洞位置取值公式。（2）本文通過國內(nèi)外規(guī)范的研究，特別是對我國抗震規(guī)范中多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋不同抗震等級的構(gòu)造規(guī)定與國外規(guī)范的對比分析，首次提出抗震等級與框架延性系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系假設(shè)。并通過此種關(guān)系，分析并得出蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)蜂窩梁在不同抗震等級下的合理擴(kuò)高比限值。第二章 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型2.1 引言目前，最為常用的有限元分析軟件有ABAQUS，ANSYS，MIDAS，SAP2000等等65。本文主要采用ANSYS非線性有限元分析軟件進(jìn)行有限元模擬分析。ANSYS是一款具有強(qiáng)大的有限元分析功能的計(jì)算軟件，采用APDL(ANSYS Parametric Design Language)參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語言，可以快速方便地建立有限元分析模型，較精確分析非線性問題，利用其所具有的后處理功能，可以方便直觀地提取所需的計(jì)算結(jié)果66-72。利用有限元分析軟件，可在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，通過對有限元模型進(jìn)行模擬分析來解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析問題。特別是對于鋼結(jié)構(gòu)這種具有材料單一，各向同性等特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，更加可以利用有限元模擬分析，代替大量的試驗(yàn)工作。本文主要利用ANSYS中APDL程序設(shè)計(jì)語言編制命令流，對低周反復(fù)荷載作用下的蜂窩式鋼框架模型進(jìn)行有限元分析。本章主要通過與已有試驗(yàn)成果對比，建立基于試驗(yàn)的蜂窩式鋼框架正確的有限元分析模型，為下文深入地分析與研究提供可靠的有限元理論基礎(chǔ)。2.2 蜂窩式鋼框架抗震性能試驗(yàn)簡介為了研究蜂窩式鋼框架在低周反復(fù)荷載作用下的破壞模式，受力機(jī)理和抗震性能，課題組于2010年10月在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室完成了蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究，根據(jù)要求對單層單跨蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)對蜂窩式鋼框架在地震作用下的滯回性能、延性、剛度退化、吸耗能能力、節(jié)點(diǎn)域變形、破壞位置及形態(tài)進(jìn)行研究。2.2.1 試件材料力學(xué)模型試驗(yàn)蜂窩式鋼框架試件采用Q235鋼材制作，材料屬性試驗(yàn)試件如圖2.1所示。試件在沈陽建筑大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得試件材料性能平均值見表2.1。（a）材性試驗(yàn)試件加工圖 （b）材性試驗(yàn)試件圖 （c）試驗(yàn)設(shè)備圖2.1 材性試驗(yàn)試件及試驗(yàn)設(shè)備圖Fig 2.1 Specimen and test equipment表2.1 材料性能Table 2.1 Material properties鋼材牌號鋼板厚度/mm平均屈服強(qiáng)度fy/MPa平均極限強(qiáng)度fu/MPa彈性模量E/MPaQ235B6325444.442.08621058255.56395.832.038410512268.98420.372.01581052.2.2 試件尺寸設(shè)計(jì)本試驗(yàn)試件采用兩榀跨度為2340mm的蜂窩式鋼框架（命名為A榀和B榀）組成空間結(jié)構(gòu)體系，框架間距1200mm，層高為1600mm，柱腳加焊8mm靴梁。試驗(yàn)主要分析蜂窩梁與蜂窩柱組成的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能，特別是梁柱開孔參數(shù)對其抗震性能的影響，因而梁柱皆為蜂窩構(gòu)件。蜂窩梁采用切割后錯(cuò)位焊接的方式制作，原型鋼為HW10010068，控制擴(kuò)高比為K=1.5。梁端第一個(gè)孔洞中心距柱翼緣間距為208mm，中部蜂窩孔心間距為174mm。蜂窩柱采用鉆孔的方式制作，原型鋼為HM185125812，以60mm為半徑切割兩個(gè)圓形孔洞，圓心距柱底端分別為900mm和1240mm。梁柱采用焊接節(jié)點(diǎn)，焊條型號為E43。為保證梁柱連接的鋼性，節(jié)點(diǎn)處焊接邊長90mm三角形隅撐。表2.2 框架梁柱截面參數(shù)Table 2.2 Section parameters of beam and column名稱構(gòu)件名稱擴(kuò)高前截面尺寸/mm開孔形式開孔尺寸/mm蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)框架梁H10510068正六邊形邊長58框架柱H185125812圓形半徑602.2.3 加載裝置和加載制度試驗(yàn)加載裝置如圖2.2所示。每榀框架通過錨栓固定在地面上，并在試件平面內(nèi)加裝約束裝置，防止試驗(yàn)過程中，框架柱腳發(fā)生位移，影響試驗(yàn)結(jié)果。兩榀框架之間通過20mm厚鋼板連接，兩榀框架柱之間還通過焊接505角鋼形成X型柱間支撐，以保證框架的平面外穩(wěn)定性。采用堆載方式在鋼板上施加荷載，模擬實(shí)際的樓面荷載，根據(jù)蜂窩梁極限承載力的50%確定，總豎向荷載為47kN。兩榀框架節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置兩臺250kN作動器（分別命名為1號作動器和2號作動器）用以施加水平荷載。試驗(yàn)全程采用位移控制，框架的屈服位移約為y=10mm，初始加載位移為5mm，框架水平位移30mm之前每級循環(huán)增加5mm，每周期循環(huán)2次，水平位移30mm之后每級循環(huán)增加10mm，直至試件破壞，加載過程由計(jì)算機(jī)控制。（a）試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d裝置圖 （b）現(xiàn)場試驗(yàn)裝置圖 （c）試驗(yàn)作動器裝置圖 （d）柱腳固定裝置圖 （e）柱間支承圖2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)裝置圖Fig 2.2 Test model and test equipment實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)下述情況可判定框架破壞73：(1)框架側(cè)向位移增加過