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用巨型框架结构套建增层的房屋设计与施工方法研究

作　者: 孙绪杰
导　师: 郑文忠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土结构巨型框架套建增层设计方法施工方法
分类号: TU375.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

作为一种增层形式,套建增层以其增加层数不受限制、对既有建筑物依赖小而在既有房屋增层改造中得到越来越多的应用。巨型框架结构的主框架承担全部竖向荷载及绝大部分的水平荷载,次框架仅将自身的竖向荷载传递给主框架,承担小部分的水平荷载。去掉第一巨型结构层内的次框架,对结构沿竖向的刚度分布影响不大,可以利用这一点来实现对既有房屋的套建增层。用巨型框架套建增层尚有一些问题亟待解决:如何使其满足抗震规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防要求,尚需对其倒塌机制进行深入的研究;既有建筑屋盖不能承担巨型框架层的施工荷载,使套建增层巨型框架无法实现逐层施工,对无支撑自承重楼盖施工工艺提出了迫切要求;与施工方法相应的构件设计方法及细部构造措施,较大跨度涉及到预应力技术的一些相关的细部构造措施要求。本文主要针对上述问题,展开工作。本文基于平面杆系模型,采用IDARC-2D非线性分析程序,在引入新建巨型混凝土框架结构适用范围和抗震构造手段的基础上,通过对不同巨型结构层数和次框架层数,建造在I、II、III类场地土,设计地震分组为一、二、三组的375榀套建增层巨型框架的抗震性能研究,得出的结论是8度区的套建增层巨型框架的主框架抗震等级按一级,7度区的套建增层巨型框架以50m为界,低于50m时主框架抗震等级按二级,高于50m时按一级设计的框架,满足规范的弹塑性位移角的限值要求,未出现形成机构体系的情况,满足现行抗震规范“大震不倒”的抗震要求。用现行抗震规范推荐的静力弹塑性分析方法,采用倒三角形、均匀两种侧向力分布方式,能力谱法、改进能力谱法和α-T法等三种方法对相同模型进行了的抗震性能分析,得出了与弹塑性动力时程分析相同的结论。套建增层巨型框架是具有转层性质的结构,分析了逐层施工法、主次施工法及巨型结构层自承重施工法对结构构件内力的影响。并提出具体施工过程中应注意的问题。因巨型结构层的荷载巨大,既有建筑物的屋面不能够承担第一巨型结构层施工期间的荷载,论述了无支撑自承重楼盖的施工方法与措施,该方法既不影响既有结构使用,又保证了施工结构的安全。从主次框架的共同工作入手,分析了忽略次框架刚度的简化算法的适用性问题。根据套建增层巨型框架的弹塑性分析得出的设计建议,编制了设计程序,既为套建增层结构方案选取提供了手段,又方便套建增层巨型框架结构的设计。最后,结合哈尔滨市某高校实验楼的套建增层工程,给出了一榀套建增层巨型框架的设计过程与相应的施工方法,并且分析了其在罕遇地震作用下的抗震性能,验证本文弹塑性分析结果,并为具体设计提供参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-29
  1.1 课题背景  16-17
  1.2 研究现状综述  17-27
    1.2.1 套建增层研究现状  17-18
    1.2.2 巨型框架研究现状  18-23
    1.2.3 用巨型框架套建增层问题  23-27
  1.3 存在问题  27-28
  1.4 本文开展的工作  28-29
第2章套建增层巨型框架弹塑性分析基础  29-48
  2.1 IDARC-2D 介绍  29-31
  2.2 材料本构模型  31-33
    2.2.1 混凝土本构模型  31-32
    2.2.2 钢筋及钢材本构模型  32
    2.2.3 预应力钢筋本构模型  32-33
  2.3 截面弯矩-曲率关系  33-35
    2.3.1 基本假定  33-34
    2.3.2 求解方法  34
    2.3.3 特征点的确定  34-35
  2.4 恢复力模型  35-39
    2.4.1 简介  35-36
    2.4.2 Park 三参数恢复力模型  36-38
    2.4.3 预应力型钢混凝土梁恢复力模型  38-39
    2.4.4 型钢混凝土柱恢复力模型  39
  2.5 结构的阻尼与阻尼比  39-40
  2.6 对结构失效的判定  40-41
  2.7 IDARC 的试验验证及滞回参数确定  41-47
    2.7.1 单榀框架试验验证  41-42
    2.7.2 单榀巨型框架试验验证  42-45
    2.7.3 滞回参数的确定  45-47
  2.8 本章小结  47-48
第3章地震作用下套建增层巨型框架弹塑性分析  48-79
  3.1 分析对象的形成  48-51
    3.1.1 设计思路  48-49
    3.1.2 轴压比取值  49
    3.1.3 抗震等级划分  49
    3.1.4 内力调整系数  49-50
    3.1.5 本文分析对象  50-51
  3.2 套建增层巨型框架弹塑性时程分析  51-66
    3.2.1 概述  51-52
    3.2.2 地震记录的选取  52-58
    3.2.3 巨柱等截面套建增层巨型框架时程分析  58-65
    3.2.4 巨柱变截面套建增层巨型框架时程分析  65-66
  3.3 套建增层巨型框架静力弹塑性分析  66-76
    3.3.1 Pushover 方法概述  66-67
    3.3.2 分析方法  67-70
    3.3.3 8 度设防烈度套建增层巨型框架分析  70-76
    3.3.4 7 度设防烈度套建增层巨型框架分析  76
  3.4 设计反应谱讨论  76-77
  3.5 本章小结  77-79
第4章用巨型框架套建增层施工问题研究  79-95
  4.1 施工问题简介  79-84
    4.1.1 研究综述  79-80
    4.1.2 几个重要因素  80-81
    4.1.3 套建增层巨型框架的施工方法  81-83
    4.1.4 分析方法及假定  83
    4.1.5 套建增层巨型框架施工的特殊问题  83-84
  4.2 套建增层巨型框架内力分析  84-90
    4.2.1 施工方法㈠  84-85
    4.2.2 施工方法㈡  85-87
    4.2.3 施工方法㈢  87-88
    4.2.4 不同施工方法对比分析  88-90
  4.3 无支撑自承重楼盖施工方法及措施  90-94
    4.3.1 无支撑自承重楼盖施工设计思想  90
    4.3.2 无支撑自承重楼盖施工方法  90-91
    4.3.3 巨梁施工措施  91-93
    4.3.4 巨型结构层次梁施工措施  93
    4.3.5 巨型结构层楼板施工措施  93-94
  4.4 本章小结  94-95
第5章用巨型框架套建增层设计方法  95-125
  5.1 结构设计  95-101
    5.1.1 巨型框架定义  95-96
    5.1.2 主框架所占刚度的比例  96-97
    5.1.3 巨柱等截面与巨柱变截面  97-99
    5.1.4 套建增层巨型框架应用  99-100
    5.1.5 结构型式及材料选用  100
    5.1.6 结构设计方法  100-101
  5.2 构件设计  101-107
    5.2.1 巨柱设计  101-103
    5.2.2 巨梁设计  103-106
    5.2.3 巨型结构层次梁设计  106
    5.2.4 次框架设计  106
    5.2.5 节点刚域影响  106-107
  5.3 简化分析  107-111
    5.3.1 振动特性分析  107
    5.3.2 构件内力分析  107-109
    5.3.3 层间位移角分析  109-111
  5.4 构造措施  111-116
    5.4.1 主框架构件及连接  111-113
    5.4.2 主框架与次框架连接  113-114
    5.4.3 巨型结构层巨梁与次梁连接  114-115
    5.4.4 巨柱与基础连接  115-116
  5.5 设计程序  116-124
    5.5.1 设计程序简介  116-119
    5.5.2 设计程序前处理界面  119-120
    5.5.3 部分内力计算图  120-121
    5.5.4 设计程序部分输出结果  121-124
  5.6 本章小结  124-125
第6章典型工程实例  125-134
  6.1 实例背景  125
  6.2 套建增层巨型框架设计  125-131
    6.2.1 总体设计  125-127
    6.2.2 巨柱设计  127
    6.2.3 巨梁设计  127-130
    6.2.4 巨型结构层次梁设计  130
    6.2.5 巨型结构层主次楞设计及布置  130-131
    6.2.6 次框架梁设计  131
  6.3 弹塑性验算  131-133
    6.3.1 套建增层巨型框架基本属性  131
    6.3.2 构件截面弯矩-曲率特征点  131-132
    6.3.3 构件截面滞回参数  132
    6.3.4 弹塑性时程分析结果  132-133
    6.3.5 与套建规则框架的对比  133
  6.4 本章小结  133-134
结论  134-135
参考文献  135-142
攻读学位期间发表的学术论文  142-144
致谢  144-145
个人简历  145

用巨型框架结构套建增层的房屋设计与施工方法研究

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