新型钢结构小高层住宅抗震耐火性能研究

论文摘要

以小高层住宅建筑的抗震与空间控烟性能为研究背景,开展了新型钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的抗震耗能研究,探讨了合理空间构造形式对住宅建筑室内火灾蔓延和高温烟气流动的影响因素。从力学原理角度,研究了影响钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的抗震耗能的影响因素,通过相关试验研究、数值计算和理论分析,提出了钢框架短肢组合钢板剪力墙结构中各组成构件的合理构造形式,并最终建立了钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的抗震耗能力学模型。利用流体力学原理和火焰、烟气理论模型,将空间构造形式作为主要影响因子,建立了基于火灾安全的住宅建筑空间构造形式的理论模型。针对上述内容本文以试验研究、理论分析、数值计算为方法工具,详细进行了以下几个主要方面的研究工作:(1)钢框架短肢组合钢板剪力墙低周往复试验研究以钢框架短肢组合钢板剪力墙结构形式构建了小高层住宅建筑的单层单跨基本单元。通过低周往复试验,对几种构造形式的框架短肢钢板剪力墙结构单元进行了滞回性能、耗能延性、弹性抗侧刚度的分析比较,最终确立了单元组成元素的基本构造形式,包括:1)三边约束组合钢板墙体;2)实腹式型钢混凝土异形柱单元;3)钢梁单元。通过试验现象分析和试验结果整理,总结了影响三边约束组合钢板剪力墙体和实腹式型钢混凝土异形柱单元力学性能的主要因素。(2)组合钢板的抗剪、抗屈曲及耗能性能试验研究根据初步选型试验研究,对影响三边约束组合钢板剪力墙体力学性能的因素:钢板宽厚比(b/t)、固接边界约束条件、抗屈曲预制墙板开展了8个试件的详细试验研究。根据试验现象和结果分析,结合经典薄板理论,探讨了组合钢板剪力墙的极限承载力、延性耗能的机理。进一步明确了影响参数的指标,为建立三边约束组合钢板剪力墙体力学模型奠定了试验基础。(3)实腹式型钢混凝土异形柱抗震性能研究以轴压比和配箍率为主要影响参数,进行了3个实腹式型钢混凝土异形柱试件的抗震性能试验研究。根据试验结果,对实腹式型钢混凝土异形柱的延续性能、破坏机制进行了讨论。通过抗震性能机理分析,评价了几种异形柱的抗震耗能性能,在实腹式型钢混凝土异形柱的截面形式、合理轴压比、柱内箍筋构造、抗剪栓钉设置、加劲肋间距等5个方面提出设计建议,并为数值模拟分析、恢复力模型、结构整体力学模型提供了开裂荷载、抗侧刚度、刚度退化等指标参数。(4)钢框架短肢组合钢板剪力墙结构抗震耗能力学模型根据试验研究结果和机理分析,对影响组合钢板的抗剪、抗屈曲、抗震耗能因素进行了理论推导和数值计算,建立了构造选型的计算公式;对影响实腹式型钢混凝土异型柱抗震耗能性能的因素进行了数值计算分析,回归了抗剪承载力计算公式。最终分别建立了组合钢板的抗剪与抗屈曲力学模型,组合钢板抗震耗能恢复力模型,实腹式型钢混凝土异型柱抗震耗能力学模型及钢框架短肢组合钢板剪力墙抗侧、极限承载力、耗能力学模型。(5)钢框架短肢组合钢板剪力墙结构体系的构造优化利用人工神经网络的退火算法,对(4)中提出的力学模型进行了整合优化计算,提出了优化后的钢框架短肢组合钢板剪力墙构造形式。根据数值模拟和试验研究,评价了优化后的钢框架短肢组合钢板剪力墙抗震耗能能力。并进行了结构静力弹塑性推覆分析和足尺寸结构模型动力响应数值分析。详细阐述了钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的抗震耗能机理,最终提出了钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的设计方法和选型参数。(6)住宅单元火灾升温规律和烟气流动规律研究基于住宅单元的空间构造特点,对室内火灾升温规律和烟气流动规律进行了试验研究、理论分析和数值计算。通过一典型住宅单元形式,结合火灾和烟气理论模型,总结火灾蔓延和烟气流动的规律。重点探讨了起火位置、门洞尺寸、建筑层高、楼梯间设置及枢纽空间等空间构造形式对火灾蔓延和烟气流动的影响。以建筑火灾安全为目的,建立了住宅单元空间构造的计算模型,以此提出了住宅防火设计参数化计算公式和火灾安全评价指标。对采用钢框架短肢组合钢板剪力墙结构的住宅建筑进行了火灾安全评价并提供了设计建议。该论文有图191幅,表30个,参考文献232篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Extended Abstract
• 目录
• 图清单
• 表清单
• 1 绪论
• 1.1 现有钢结构建筑体系与抗震性能研究现状
• 1.2 建筑空间火灾升温和烟气流动规律研究现况
• 1.3 小高层住宅结构的初步选型
• 1.4 有待解决的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 1.6 研究意义及思路
• 1.7 研究特色及创新
• 2 钢框架短肢组合钢板剪力墙低周往复试验研究
• 2.1 试验方案
• 2.2 结构抗力过程与破坏特征
• 2.3 结构破坏及极限承载力的机理分析
• 2.4 结构耗能性能初步分析
• 2.5 结构抗震耗能单元设计改进
• 3 组合钢板的抗剪、抗屈曲及耗能性能试验研究
• 3.1 试验目的
• 3.2 试验方案
• 3.3 试件抗力过程与破坏特征
• 3.4 试件极限承载能力与耗能能力分析
• 3.5 本章小结
• 4 实腹式型钢混凝土异形柱抗震性能研究
• 4.1 试验方案
• 4.2 试件抗力过程与破坏特征
• 4.3 试件的滞回特性分析
• 4.4 影响实腹式型钢混凝土异形柱抗震性能的因素
• 4.5 实腹式型钢混凝土异形柱的抗震性能评价
• 4.6 本章小结
• 5 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构抗震耗能力学模型
• 5.1 组合钢板的抗剪与抗屈曲力学模型
• 5.2 组合钢板抗震耗能恢复力模型
• 5.3 实腹式型钢混凝土异型柱抗震耗能力学模型
• 5.4 钢框架短肢组合钢板剪力墙力学模型
• 5.5 本章小结
• 6 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构体系的构造优化
• 6.1 结构体系构造设计优化
• 6.2 优化后钢框架短肢组合钢板剪力墙结构试验研究
• 6.3 优化后组合钢板剪力墙结构体系数值模拟分析
• 6.4 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构优化体系推覆分析
• 6.5 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构动力响应数值模拟分析
• 6.6 足尺寸结构模型的动力响应数值模拟分析
• 6.7 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构设计小结
• 7 住宅单元火灾升温规律和烟气流动试验研究
• 7.1 国内外建筑火灾烟气流动规律的预计模型研究
• 7.2 我国民用住宅建筑空间特点及火灾特点
• 7.3 住宅单元火灾高温烟气流动规律的初步理论分析
• 7.4 住宅单元火灾升温及烟气流动试验研究
• 7.5 住宅单元火灾升温及烟气流动特点
• 7.6 住宅单元火灾升温及烟气流动机理
• 7.7 本章小结
• 8 火灾蔓延及烟气流动过程的数值模拟分析
• 8.1 数值模拟分析软件介绍
• 8.2 试验数值模型的材料热工性能
• 8.3 火灾蔓延及烟气流动过程试验的数值模拟分析
• 8.4 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构组成单元的热工性能
• 8.5 SF-CSPSSWS 住宅单元火灾升温及高温烟气流动的影响因素
• 8.6 住宅单元火灾升温及高温烟气流动规律总结
• 9 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构抗震耗能与住宅建筑火灾设防设计建议
• 9.1 钢框架短肢组合钢板剪力墙结构抗震耗能设计建议
• 9.2 住宅建筑火灾设防设计建议
• 9.3 考虑抗火性能的结构体系设计建议
• 10 结论与展望
• 10.1 全文工作研究工作总结
• 10.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集