本科毕业论文---单层平面索网玻璃幕墙结构损伤条件下动力性能研究.doc

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北京建筑工程学院硕士学位论文分类号TU3 学号 110814020607 学位论文单层平面索网玻璃幕墙结构损伤条件下动力性能研究 Dynamic Responses of Damaged Monolayer Cable Net Glass Curtain Wall 指导教师姓名北京建筑工程学院申请学位级别硕士论文提交日期 2008年11月专业名称结构工程论文答辩日期 2008年12月学位授予单位和日期北京建筑工程学院 2009年3月答辩委员会主席评阅人北京建筑工程学院硕士学位论文北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日北京建筑工程学院硕士学位论文目录摘要..................................................................................................................1 第一章绪论.......................................................................................................3 1.1引言............................................................................................................3 1.2主要技术特点............................................................................................4 1.3应用和研究现状........................................................................................5 1.3.1 国外..................................................................................................5 1.3.2 国内..................................................................................................6 1.4 课题的提出...............................................................................................8 1.5本文研究的内容........................................................................................8 第二章试验研究...............................................................................................10 2.1 引言.........................................................................................................10 2.2 试件的设计与制作.................................................................................10 2.2.1试件的设计.....................................................................................10 2.2.2试件的主要材料性能指标.............................................................11 2.3 试验概况.................................................................................................12 2.3.1试验工况.........................................................................................12 2.3.2测点布置.........................................................................................12 2.3.3试验装置.........................................................................................13 2.3.4加载制度.........................................................................................14 2.4试验结果分析..........................................................................................14 2.4.1加速度时程曲线.............................................................................14 2.4.2频谱特征曲线.................................................................................15 2.4.3自振频率.........................................................................................15 2.4.4阻尼比.............................................................................................16 2.5小结..........................................................................................................17 第三章试验模型基于有限元的模态分析.........................................................18 3.1引言..........................................................................................................18 I 北京建筑工程学院硕士学位论文 3.2 ANSYS模态分析的基础理论 .............................................................18 3.2.1 模态分析的基础理论....................................................................18 3.3 有限元模型的设计、建立及求解.......................................................19 3.3.1 设计说明........................................................................................19 3.3.2 有限元模型的建立及求解............................................................19 3.3.2.1单元选择......................................................................................19 3.3.2.2计算模型......................................................................................21 3.3.2.3求解..............................................................................................22 3.4动力特性..................................................................................................23 3.4.1结构自振特性.................................................................................23 3.4.2结构振型特性.................................................................................29 3.5计算结果和试验结果的比较..................................................................32 3.6小结..........................................................................................................34 第四章基于ANSYS的地震动力响应分析...........................................................36 4.1 瞬态动力学的基础理论.........................................................................36 4.1.1基础理论.........................................................................................36 4.1.2 地震反应方程的直接积分法——Newmark-β方法 ..................37 4.1.3 收敛准则........................................................................................39 4.2地震波的选取..........................................................................................40 4.3地震波频谱特性......................................................................................40 4.4 初始结构的动力特性分析.....................................................................41 4.4.1 足尺模型的尺寸及设计参数........................................................41 4.4.2动力特性分析.................................................................................42 4.5 多遇地震作用下结构反应特性.............................................................44 4.5.1多遇地震作用下位移时程响应.....................................................44 4.5.2多遇地震作用下跨中索力时程响应.............................................45 4.6 罕遇地震作用下结构反应特性.............................................................45 4.6.1 罕遇地震作用下结构位移时程响应............................................45 4.6.2 罕遇地震作用下跨中索力时程响应............................................46 II 北京建筑工程学院硕士学位论文 4.7 参数分析.................................................................................................47 4.7.1 索直径变化的影响........................................................................47 4.7.2玻璃面板厚度对于结构动力性能的影响.....................................51 4.7.3边索预应力损失情况下.................................................................55 4.7.4中索预应力损失情况下.................................................................59 4.7.5中间纵横索预应力损失情况下.....................................................62 4.7.6玻璃破损位置的影响.....................................................................66 4.7.7 爪件高度的影响............................................................................70 4.8小结..........................................................................................................73 第五章结论与展望.............................................................................................74 5.1结论..........................................................................................................74 5.2展望..........................................................................................................74 参考文献...............................................................................................................76 致谢.....................................................................................................................79 III 北京建筑工程学院硕士学位论文摘要近年来，单层平面索网玻璃幕墙以其结构简捷、轻盈美观、通透性好等优点深受许多建筑师的青睐，得到了广泛的应用。本文在大量查阅国内外文献的基础上分析了单层平面索网玻璃幕墙领域中亟需研究问题。鉴于建筑节能的理念深入人心，所以必不可免的对原有建筑进行改造和加固；同时，已经建成的玻璃幕墙经过长时间的使用必须对其进行检修，但是对于玻璃幕墙进行加固方面的研究不多。本文进行了 4.15m×4.15 m的单层平面索网玻璃幕墙的试验研究。研究在不同损伤条件下，该结构的动力性能，并找出变化规律。在此基础上，用有限元软件ANSYS对某一大型单层索网幕墙进行变参数分析，得出有关动力性能的变化规律。并进行了不同损伤条件下的地震作用动力时程分析，研究结构在不同损伤下的抗震性能，得出相应的变化规律。关键词：单层平面索网玻璃幕墙；结构损伤；动力性能；抗震性能 1 北京建筑工程学院硕士学位论文 Abstract Recently, monolayer cable net glass curtain wall was widely used because of it’s merits, such as simple structure、light and beauty、good transmittance, which obtain the love of architects. Basing on the referring to large numbers of literatures, in this paper, problems which need investigate immediately about monolayer cable net glass curtain wall are analysed . For the viewpoint of bilding energy-saving was accepted by Increasing people, so inevitably old buildings will be renovated and Strengthened; meanwhile, the glass curtain walls used a long time must be unkeeped, but the researchs was few on the glass curtain wall strengthen.A piece of monolayer cable net glass curtain wall was fabricated to put to test ,which size was 4.15m×4.15m.Under different damages, the dynamic responses of the structure are analysed and variety regularity are obtained. Further more, different parameters are carried by the large finite ele ment software ANSYS, aseismic responses are analysed, variety regularit y are obtained. Keywords：monolayer cable net glass curtain wall; structural damages; dynamic responses; aseismic responses 2 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 1.1引言[8][11] 玻璃幕墙是近代科学技术发展的产物，是现代主义高层建筑时代(1950-1980) 的显著特征。最初具有代表性的“玻璃盒子”是 50 年代初建成的纽约利华大厦和联合国大厦。此后几十年间，玻璃幕墙由于其自身的美学特点被建筑师广泛采用，很多著名的建筑都采用了玻璃幕墙为外装饰，如芝加哥的西尔斯大厦（110 层，442米）、汉.考克大厦（100层、344米）。我国 20世纪 80年代以来，我国在一些大中城市和沿海开放城市，开始在公共建筑物，如商场、宾馆、写字楼、体育馆和机场等引入玻璃幕墙，长城饭店是我国第一栋使用玻璃幕墙的星级酒店。进入 20世纪 90年代，又成功地从国外引进了建筑玻璃点式连接技术，目前，已完成的著名的工程包括：上海歌剧院、北京植物园、南京国际会展中心、南京文化艺术中心等。目前我们已经充分掌握，玻璃幕墙的设计、制作、安装等工艺，玻璃幕墙技术在我国开始走向成熟，并展示出其广阔的应用前景。单层平面索网玻璃幕墙是悬索结构点支式玻璃幕墙中的一种类型。玻璃面板支承在纵横相交的预应力单层平面索网结构之上，该结构的组成形式可以是一个单索网结构单元，也可以由多个单索网结构组成。该结构体系极大地节省了支撑结构所用的空间，它颠覆了传统的玻璃幕墙形式，是一种全新的结构体系，已建成的保利大厦二期即采用该种幕墙形式。它以建筑结构简捷、轻盈美观、通透性好、支撑结构艺术表现力强等优点深受许多建筑师的青睐，因此该种幕墙体系展现了广泛的应用空间。但是由于多种原因，玻璃幕墙技术储备明显落后于生产实际情况，表现如下几个方面：传统思潮认为玻璃幕墙属于附属结构，不重视其理论分析，但是在很多时候幕墙体系本身以及其所处的环境的力学性能是很复杂的，同时又由于幕墙行业的快速发展，因此造成了理论方面的滞后。在分析玻璃面板时，我们缺少合适的强度理论，通常简单的套用薄板理论，抗风和抗震方面所做工作亦是有限的，缺少适合工程设计的理想公式等。这些因素造成了我国幕墙相关法规的落后。虽然我国较早的使用了玻璃幕墙，但是直到1996年年底我国草颁布了第一部《玻璃幕墙 3 北京建筑工程学院硕士学位论文工程技术规范》（JGJ102-96）。由于上述多种原因综合作用，很多已建的玻璃幕墙出现了这样那样的问题，集中表现在如下几个方面：玻璃幕墙工程在使用过程中出现玻璃破碎情况，其中有很多情况的原因无法查明；硅酮结构胶使用中存在的问题；国产五金产品质量问题；不少玻璃幕墙很少进行三性检测；幕墙与主体结构的非预埋形式连接,其质量往往取决于施工人员的素质和责任心，一旦操作不当将严重影响建筑幕墙安全性能；多数玻璃幕墙的固定支座在结构设计上没有达到三维补偿要求;很多幕墙结构配置与建筑物立体结构的沉降缝、伸缩缝设计不统一、不协调；玻璃破损、腐蚀、裂纹甚至脱落问题玻璃存在有害预弯应力;幕墙开启部分或封头部位,存在幕墙漏水问题；同时，有不少工程缺少质量保证资料(如幕墙物理性能检测报告、原材料检测报告等),现场检测手段缺乏,幕墙工程质量好坏的判断主观性太强。以上这些问题容易造成幕墙结构受力状况恶化, 抗震、抗风、温变补偿性能降低,带来严重的安全隐患，是玻璃幕墙的大忌。因此对于玻璃幕墙的检测和加固成为当务之急。 1.2主要技术特点[8]~[12] 单层平面索网玻璃幕墙是悬索结构点支式玻璃幕墙中的一种类型。玻璃面板支承在纵横相交的预应力单层平面索网上，该结构体系的组成可以是一个单索网结构单元，也可以由多个单索网结构单元。该幕墙体系能够极大地节省支撑结构所用的空间，是一种全新的受力体系。该体系结构简捷、轻盈美观、通透性好，深受建筑师们的青睐，具有以下技术特点：（1）通透性好:由于玻璃通过支点与支承结构相连接，这样可以最大限度的使视线透过玻璃，使视野开阔到最大限度。 (2)安全性好:经过钢化的玻璃是通过金属连接件和支承结构相连接，耐候密封胶只起密封作用，即使在外力下玻璃破坏，由于是安全玻璃所以只会形成“玻璃雨”，最大限度的减小对公共安全威胁。 (3)灵活性好:在金属连接件和紧固件的设计中采用了各种措施，连接点允许有一定的位移和转动，这不但可以调整施工过程中的误差，还可以避免施工过程 4 北京建筑工程学院硕士学位论文中的的安装力，并且可以适应支承结构受荷载后产生的变形，这样可以很好的保护比例面板，不仅如此，用点式连接方法可以最大程度地体现建筑造型的要求。对建筑物有“画龙点睛”的效果。 (4)工艺感强:建筑点式玻璃结构可以设计成多种形式，且所用的材料都是不锈钢的，支撑结构有很强的表现形式，可以作为一种艺术来表现。 (5)环保节能:由于点式玻璃幕墙具有良好的通透性，这样可以减少污染；同时加以新型玻璃的辅助作用，可以起到很好的节能效果。 1.3应用和研究现状[11] 玻璃作为工程材料得到了广泛应用，国内外关于玻璃结构的研究也正在全方位深入开展。 1.3.1 国外[19]~[25] 国际上关于玻璃结构的研究文献很多，主要集中在下述几个方面：（1）玻璃材料性能和新型玻璃的研究这方面内容主要研究使用玻璃作为工程材料，同时满足建筑和结构两方面的要求，尤其满足结构方面的功能。通过研究，发展了新型玻璃材料，如中空玻璃、装饰玻璃、防火玻璃、冷弯玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃和半钢化玻璃等制品及其加工技术、安装技术，努力克服玻璃脆性和提高玻璃强度。最近的研究主要集中在组合结构方面，包括玻璃与其他材料进行组合的结构单元，如玻璃与木材、玻璃与钢筋混凝土、玻璃与钢或索等的组合构件。（2）玻璃连接点的研究关于玻璃连接点的研究和开发一直没有停止过，在实际工程中不断有新产品出现，连接件和连接材料等相关产品已经形成了产业化。（3）新型结构体系的研究该部分的研究主要集中在新的幕墙体系的开发与研究上，最近几年来，单层平面索网幕墙体系、组合结构体系等相继开发出来，并在工程中得到了应用，目前新的幕墙体系的研发成为热点。（4）玻璃构件和结构承载能力的研究 5 北京建筑工程学院硕士学位论文在该项目中，各类结构体系承载能力得到了广泛的研究。研究工作包括各类结构体系承载能力的计算模型、时间效应、个构件共同工作等各方面的问题。（5）玻璃结构理论的研究在该部分中，如何在设计中体现玻璃的材料特性成为玻璃结构设计研究的重中之重。目前主流的思路是在设计和构造中充分合理地考虑可能导致玻璃破坏的各种工况（内在和偶然的因素），确保结构体系在各种设计工况下都具有足够的剩余稳定性。近几年，世界各国都修订和完成关于玻璃结构的设计规范，以基于可靠度理论的极限状态设计方法代替基于安全系数的容许应力设计法。 1.3.2 国内[26]~[42] 在世界各国研究的同时，我国很多科研院所、高等院校对玻璃幕墙也进行了大量的研究工作，取得了一定的成果。计算理论方面：赵西安教授进行了玻璃面板的计算理论的研究，并取得一定的成果；童丽萍分析了中空玻璃的非线性力学性能；颜德姮教授在世界上率先对隐框玻璃幕墙进行了振动台试验，揭示了模拟地震试验中玻璃幕墙的反应机理，证明了只要构造合理，脆性材料面板幕墙也可以具有良好的抗震性能，为大规模建造隐框玻璃幕墙奠定了理论基础，并根据此编出了世界上第一个《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》（GB/T18575）国家标准；王元清、石永久等对点支玻璃幕墙中带孔玻璃面板的承载性能、变形性能进行了理论和试验研究；研究了金属紧固件、垫层材料及孔边应力状态对点支玻璃面板承载性能的影响；并对金属连接件的承载性能进行了试验研究；张其林等对点支玻璃幕墙索桁架支承体系、点支式夹层和中空玻璃的承载性能以及玻璃面板与支承体系共同作用等方面进行了研究；刘锡良等对玻璃结构的发展以及玻璃面板与索杆支承体系共同作用进行了研究；吕志涛、郭正兴等对点支式玻璃幕墙索杆支承体系的性能以及设计方法进行了研究；沈士钊院士等对索网支承体系和玻璃面板与索网支承体系共同作用进行了理论和试验研究；刘忠伟等对点支式玻璃幕墙抗风压性能、夹层玻璃的力学模型进行了探讨分析；此外马国馨、赵西安、张芹、姚裕昌等专家学者对点支式玻璃幕墙的结构设计和施工方法进行了理论和试验研究。工程应用方面：李少甫、陈建东、张芹等对玻璃幕墙的设计、施工进行了研 6 北京建筑工程学院硕士学位论文究，为玻璃幕墙的应用方面做出了贡献；李创第和李桂清研究了玻璃幕墙风荷载以及抗风设计；颜德姮教授提出了阵风系数的变化原理，并应用到相关规范中；规范制定方面：我国在1996年颁布了《玻璃幕墙工程技术规程》（JGJ102-96），使我国玻璃幕墙工程的设计、施工进入良性发展的轨道；2001年 11月 1日中国工程建设标准化协会标准《点支式玻璃幕墙工程技术规范》（CECS127:2001）开始实施；虽然点支式玻璃结构体系在世界各地的工程中得到了广泛的应用，但是这项技术并不成熟，没有形成一套成熟的理论体系，即使在应用范围已经很广泛的德国，也仅仅有一些行业标准。在国内外还处于发展的初级阶段，支承结构体系与玻璃面板共同作用的研究等许多问题尚未解决，完善这一新技术还需要作许多工作。以上的研究基本上都集中在新建幕墙结构领域，对幕墙加固领域鲜有涉及，美国的帕特克里.洛克伦则对幕墙失效案例根据成因进行了分类，包括：镍硫 [10] 化物（伦敦滑铁卢车站的国际站区，图1-1）、热应力（芝加哥的CAN大厦，图1-2）、腐蚀（芝加哥市民中心大厦，图 1-3）、不匹配（巴黎卢浮宫前的大金字塔，图 1-4）、渗漏（伊利诺伊州斯普费尔德市税务大楼，图 1-5）、结构失效（波尔多司法大楼，图1-6、印第安那州印第安纳波利斯市的学院人寿保险公司，图1-7），能源问题（柏林拉斐特大厦，图1-8）、设计冗余（古根海姆博物馆，图1-9）和撞击影响（芝加哥西尔斯大厦，图1-10）等问题进行了总结 (图片来源文献[10]) 。图1-1 图1-2 图1-3 7 北京建筑工程学院硕士学位论文图1-4 图1-5 图1-6 图1-7 图1-8 图1-9 图1-10 1.4 课题的提出在现阶段，建筑节能理念已经深入人心，建筑物的节能改造也日益展开，这必不可免的牵扯到玻璃幕墙的节能加固改造问题；同时由于已经成的玻璃幕墙有的已经使用很长时间却没有相应的维护，因此，玻璃幕墙的的检修和加固改造成为当务之急。 1.5本文研究的内容到目前为止，对于玻璃幕墙支撑结构加固改造的研究很少，没有很多相应的文献，在这方面有很大的空白。本文着重进行以下方面的研究： 8 北京建筑工程学院硕士学位论文 1）对试验模型进行试验研究在不同工况下，对单层平面索网幕墙支撑结构进行动力性能试验，得出其固有频率的变化规律和阻尼比的变化规律； 2）用有限元软件ANSYS进行试验模拟，并用试验验证有限元模型的正确性； 3）进行变参数分析建立足尺模型，进行变参数分析，参数主要包括：玻璃面板厚度、预应力损失度、爪件高度、索的直径、玻璃面板厚度、玻璃面板破损位置对结构动力性能的影响的研究，通过分析得出结论； 4）研究不同工况下，结构的抗震性能，得到相应的变化规律。 9 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章试验研究 2.1 引言本次试验采用一片4×4的平面索网玻璃幕墙，进行不同损伤工况下该结构的静力性能研究和动力性能试验研究。本文着重对动力性能进行研究，考察不同工况对其固有频率和阻尼比的影响，得出相应的变化规律。 2.2 试件的设计与制作 2.2.1试件的设计该模型的平面尺寸为4.85m×4.85m，高度为1.025m；预应力索采用直径为10mm 的不锈钢绞线；玻璃规格为8mm+1.52pvb+8mm的钢化夹胶玻璃，尺寸为1.023m× 1.023m；爪件采用浮头式220不锈钢爪件；试件采用底部座浆粘结且用螺栓锚固。其具体尺寸见图2-1，试件照片见图2-2，爪件图片如图 2-2a，锚固端图片见图 2-2b、2-2c： 800 1000 25 350 1037 1038 1038 1037 350 4850 175 350 175 3800 5200 175 350 175 图2-1 试件尺寸 10 北京建筑工程学院硕士学位论文图2-2 试件照片图2-2a 图2-2b 图2-2c 2.2.2试件的主要材料性能指标该试验试件的主要材料性能指标，见表1：表1 试件材料性能指标项目参数弹性模量 E（Pa）泊松比预应力索外框架夹胶玻璃钢爪 1.50E+11 1.50E+11 7.2E+10 1.5E+14 0.3 0.3 0.2 0.3 11 北京建筑工程学院硕士学位论文 2.3 试验概况 2.3.1试验工况试验分两部分进行，试验模型示意图见图2-3 无玻璃示意图GCW1 有玻璃示意图GCW2 图2-3 试验模型示意图在试验中，将分别测量出以下工况的前3阶频率和阻尼比。工况 1：初始状态，初始索拉力为 12KN：即无预应力损失；工况 2：A索出现预应力损失，该索拉力分别取初始拉力的 66%、33%、0% （松掉索端锚具）；工况 3：B索出现预应力损失，该索拉力分别取初始拉力的 66%、33%、0% （松掉索端锚具）；工况 4：A、B、C索同时出现预应力损失，索拉力分别取初始拉力的 66%、 33%。 2

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