围护结构对单层钢结构预制工业厂房抗震性能影响研究

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单层钢结构厂房围护结构常用的压型钢板可利用本身的刚度参与结构整体受力并传递剪力,能明显加强整体结构刚度,提高结构整体空间性能,因此在实际工程设计有必要考虑围护结构对单层钢结构厂房抗震性能的影响。从近年来单层厂房的震害情况以及设计资料可以发现,结构设计较少考虑围护结构的作用,导致地震作用下发生超出设计预期的结构破坏形式,因此有必要开展考虑围护结构的单层工业厂房抗震性能研究。本文以某现役典型单层钢结构工业厂房为研究对象,对其结构动力特性进行了现场实测和数值模拟分析,基于主体结构参数分析数据建立了单层钢结构厂房基本周期拟合公式。在此基础上,利用反应谱法、静力弹塑性分析(Pushover)和动力时程分析以及采用基于增量动力分析(IDA)的易损性分析方法,研究了围护结构对单层厂房抗震性能的影响规律。本文的主要工作和成果如下:(1)首先开展了单层钢结构厂房的现场动力特性测试,建立了考虑围护结构的精细有限元模型,通过与实测结果的对比,验证了厂房建模策略的合理性。在此基础上,去除精细有限元模型中的围护结构构件,形成简化有限元模型,与实测动力特性进行了对比分析。对围护结构以及结构主体参数进行参数化分析,结果表明,考虑围护结构对整体厂房结构周期产生较大变化,而围护结构参数变化对结构周期影响较小,可以忽略;主体结构参数对厂房结构周期影响较大。提出了基于主体结构设计参数的结构基本周期经验公式,预测公式最大误差在10%左右,可为实际工程抗震设计计算提供参考。(2)对考虑围护结构的精细有限元模型和仅含主体结构的简化有限元模型,分别进行地震反应谱分析、弹性动力时程分析、Pushover和弹塑性动力时程分析,对比分析了单层钢结构厂房的柱顶位移、基底剪力、塑性铰发展顺序和协同工作性能等,进而考察了围护结构对单层钢结构厂房抗震性能的影响。计算结果发现,围护板在X向(一榀内)提供较大刚度贡献,减少柱顶位移,提高整体性,均匀分配内力;Y向(榀间)由于主体厂房刚度较大,仅能提高整体性。(3)首先阐述了IDA和易损性分析方法的基本概念及分析方法,对精细和简化有限元模型分别施加ATC-63推荐的22条远场地震波,对其进行了IDA分析,对比两类结构在地震作用下响应异同。在此基础上对两种模型进行易损性分析,采用结构抗倒塌储备系数对两种模型在相同地震动作用下的抗倒塌性能进行评估,研究了围护结构对厂房结构抗倒塌性能的影响,结果发现不考虑围护结构的厂房倒塌概率更大,并且抗倒塌能力相比精细模型降低了15%。
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