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                      水泥窑尾塔架钢结构抗震性能研究

                      来源: www.koshiobi.com 作者:lgg 发布时间:2017-08-10 论文字数:38596字
                      论文编号: sb2017080919284316829 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
                      本文是建筑论文,本文在现有关于国内外钢结构设计规范对比的文献的基础上,并结合规范原文,对欧洲钢结构的抗震设计部分做了详细的总结,给出延性抗震设计的计算流程。
                      第一章 绪论 
                       
                      1.1  引言 
                      近年来,面对国内水泥行业仍供大于求、市场饱和的环境,水泥工业设计企业积极开拓海外市场,成功走上国际化道路。随着我国建筑行业的蓬勃发展,企业积极开拓海外市场,涉外工程业务越来越多[1]。由于国内外所采用的设计标准不同,因此不能直接将国内的设计理论和方法照搬照抄用于海外工程。欧洲规范Eurocode 是一套指导建筑与土木工程设计和施工的区域性国际标准,在欧洲各国及非洲和亚洲一些国家中都有应用。该规范编写起步早,经过实践的不断修正,使其理论成熟、更具通用性,在工程建设领域极具影响力和权威性。同时,实际的境外水泥厂建设项目也多位于应用欧洲规范设计标准的欧亚地区。 中欧在抗震规范的不同,给我们在实际的工程中带来了很多意想不到的障碍,因此研究对比中欧钢结构结构设计及抗震规范异同点,有助于解决涉外工程结构分析中产生的问题,打开国际建筑市场,做出好项目,赢得更多的合作机会,有非常现实的意义。行业标准和规范的发展是一个不断借鉴与融合的过程,学习西方国家抗震设计规范的钢结构部分,利于了解欧洲抗震设计发展现状以及国际发展动向,对我国抗震设计规范的更新进步,有很大的启发、引领和推动作用。 目前,由于历史、经济条件的不同,我国规范的统一编写起步晚。同时地理位置差异造成地震活跃性不同,所以各个国家工程设计上的统一标准在理论、操作等多方面均存在差别。而我国相关建设单位对欧洲规范的抗震延性设计研究不深入。工程中均采用弹性设计。根据欧洲规范规定[2],抗震弹性设计方法即采用低延性设计理念(DCL),仅需满足 EC3 要求。此法虽简单易行,但是根据现有文献表明,当地震作用效应对钢框架结构的用钢量起控制作用时,DCL 设计方法会产生较大的用钢量,因此对于高地震烈度地区,延性设计方法的研究显得十分必要。在控制工程总造价的前提下,如何理解、掌握并应用一个全新的技术理念、技术标准,如何设计安全、经济的合理结构,成为项目投资方和结构工程师非常关心的问题。 
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                      1.2  研究现状
                      2010  年我国发布了《建筑抗震设计规范》GB500112010(GB10)[4],补
                      充了钢筋混凝土、砌体和钢结构房屋的抗震措施、楼梯间计算与构造措施。GB10是我国现行抗震设计标准。 欧洲规范Eurocode是一套用于建筑和土木工程设计施工的区域性国际标准,在工程建设领域极具影响力和权威性,由欧洲标准化委员会(CEN)编制,CEN 的要求欧盟所有成员国必须采用 Eurocode 作为其国家标准[5]。规范包括编号为EN1990-EN 1999 共 10 卷,其中《钢结构设计》EN1993-1(EC3)和《建筑结构抗震设计》EN 1998-1(EC8)诸多章节对钢结构抗震设计做了规定。 经过改革开放后多年的努力进取,我国在很多领域都走进了国际大舞台,其中在工程建设方面,国内企业获得了越来越多的工程项目。很多学者认识到了理解并掌握多个国家或地区的设计要求及各国要求间的不同是必要且刻不容缓的。因此,中外学者展开了多种设计规范的异同对比研究。目前,国内有关中外建筑结构设计规范的研究成果很多,且比较全面,涉及不同结构的静力及抗震设计、荷载取值、构造要求等多方面。 国外学者针对钢结构抗震设计规范这一方面的研究主要集中在美欧日等较发达国家的相关规范。 意大利学者 G. Brandonisio 等人[6]对现行欧洲抗震设计规范(EC8)中的中心支撑钢框架设计过程提出了改进方法,作者指出规范为达框架的延性耗散性能,限制了耗散区构件的长细比,并规定了非耗散区的超强设计需要,此方法不但不能得出经济的设计结果,反而会增加设计的难度,不能使设计趋于简便。因此作者提出了修改非耗散区延性需求的方法,通过减小非耗散区构件的超强设计,得到更合理的设计结果。 
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                      第二章 欧洲规范抗震延性设计 
                       
                      2.1  中欧抗震规范的对比分析 
                      EC8 第 2.1 节(1)规定地震区的结构应以一定的可靠度满足“不倒塌要求”和“限制破坏要求”。“不倒塌要求”指结构在抵抗 50 年内超越概率为 10%重现期为 475 年的地震作用时不出现局部或整体的倒塌,并且在震后结构能继续保持整体性和一定的残余承载能力,此抗震设防水准下进行抗力验算(基于力的抗震设计方法)或位移验算(基于位移的抗震设计方法);“限制破坏要求”指当遭受出现概率超过设计地震作用的 10 年内超越概率为 10%重现期为 95 年的地震作用时,结构不发生破坏或发生轻微破坏但不影响结构使用,造成的经济损失较小,此抗震设防水准下仅需满足位移限值要求。 GB10 第 1.0.1 节规定进行抗震设计的建筑,其基本的抗震设防目标是:在抵抗 50 年内超越概率为 63%重现期为 50 年的地震作用时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用,即小震不坏,此抗震设防水准下需采用弹性反应谱法进行设计承载力计算;在抵抗50年内超越概率为10%重现期为475年的地震作用时,可能发生损坏,但经一般性修理仍可继续使用,即中震可修,此抗震设防水准下需满足构造措施要求;在抵抗 50 年内超越概率为 2%~3%重现期为 2400~1600年的地震作用时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏,即大震不倒,此抗震设防水准下需进行弹塑性层间变形验算。 
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                      2.2  抗震延性设计 
                      设计之初,设计师应首先选取结构的延性等级。延性等级的选取与技术、经济和地理位置等因素有关,不同的延性等级都应最终保证结构的安全性。EC8 中给出了钢结构不同延性等级对应的标准、设计规则和构造要求。延性等级的选取将影响到构件和节点材料的选取、结构选型及性能系数取值、构件截面的等级以及节点的类型和性能等多方面。 EC8 规范的设计反应谱借助结构性能系数 q 对弹性反应谱折减后得到,结构延性等级的选取是结构抗震计算的关键。采用不同的结构延性等级,其结构性能系数的取值不同,计算得到的地震力也将不同(DCL 得到的地震力最大,DCH得到的地震力最?。?,钢结构框架采用延性设计方法(DCM、DCH 方法)能够有效降低地震力的取值。当地震作用效应对钢框架结构的用钢量起控制作用时,采用延性设计方法应该可以减少钢结构用量。对于高地震烈度地区,延性设计方法的研究显得十分必要。同时也要看到,延性设计方法虽然降低了地震作用取值,却对构造措施提出了一定的要求。对于一些特殊案例,当采用高延性设计方法时较采用中延性方法设计会取得相当经济的效果。
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                      第三章  结构抗震性能评估 ....... 22 
                      3.1  静力推覆分析(pushover) .... 22 
                      3.2  动力时程分析..... 27 
                      3.3  结构性能系数..... 30 
                      3.4  本章小结............. 32 
                      第四章  中心支撑钢框架设计与抗震性能分析 ........ 33
                      4.1  钢框架模型......... 33 
                      4.2  GB10 抗震设计 ............. 33 
                      4.3  EC8 抗震设计 .... 36 
                      4.4  抗震性能评估..... 39 
                      4.5  本章小结............. 45 
                      第五章  水泥窑尾塔架抗震分析 .......... 47 
                      5.1  工程概况............. 47 
                      5.2  结构基本设计..... 47 
                      5.3  方案对比............. 49
                      5.4  时程分析............. 51
                      5.5  结构抗震设计延性等级探讨.............. 53
                      5.6  本章小结............. 56 
                       
                      第六章 水泥窑尾塔架特殊性探讨 
                       
                      6.1  设备的影响 
                      水泥窑尾预热器是水泥厂新型干法生产线锻烧系统的重要组成部分,是提高水泥产品质量,降低热耗的主要设备。在分析塔架的抗震性能时,学者均将垂直布置的预热器简化成设备荷载施加在塔架楼层的梁板上,该方法在设计和分析中被普遍使用,然而这样简化并不能很好地模拟使用状态下的荷载分布。预热器运行过程中,水泥由上而下通过整个设备,荷载是动态的且分布在整个设备空间。 结构动力计算的关键就是结构惯性的模拟,即结构质量的描述,工程中常采用集中化方法描述结构的质量,以此确定结构动力计算简图。因此,荷载的简化方法不同会影响惯性力的分布,导致地震质量简化模型不同。 同时,工程中设备与结构牢牢固定在一起,可简化为与结构刚接,设备作为结构负载的同时,也为结构提供了刚度。而塔架上作为水泥通道的管道设备的刚度是很大的,因此建模中忽视设备刚度的影响是不准确的。 将水泥窑尾塔架的分析模型进行改进,如图 6-1 所示,将设备简化为刚体,与上下楼层刚接,设备荷载施加在设备上更准确的模拟荷载分布,结构动力计算简图由原来的 6 质点结构体系变为 11 质点结构体系,如图 6-2 所示。同样采用ABAQUS 有限元软件对结构进行时程分析,分析结构在设防烈度下的地震响应。 
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                      结论 
                       
                      本文主要围绕中欧两国抗震设计展开,以中心支撑钢框架和水泥窑尾塔架为研究对象,借助 sap2000 设计软件和 ABAQUS 有限元分析软件,内容分设计和评估两大部分。 设计部分:通过对中欧规范抗震设防及验算要求、抗震理念、抗震分析方法和抗震设计反应的总结学习,给出 EC8 中心支撑钢框架设计计算相关条文的具体应用方法,给出一套适用于境外承包设计应用的计算流程。 
                      1.  通过对比中欧两国规范的抗震设计构造要求,GB10 的构造要求更为严格,EC8 的规定更灵活,可以根据受力不同,采用不同的限值。 
                      2.  欧洲抗震规范延性设计方法中,中心支撑钢框架的设计有两处超强设计要求,一指材料的超强系数,设计计算前需根据要求人为取值;二指构件的超强系数,是根据耗散构件的设计结果计算得出的。
                      3.  计算中的地震作用大小与结构性能系数的选取相关,然而并不是选择较大的性能系数,就一定会得到用钢量小的结构。因为构件的选取同样受性能系数控制,q 取值越大,延性等级越高,需要选取的构件截面等级就越高。应均衡地震作用和截面等级,选取合适的结构性能系数。
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                      参考文献(略) 

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