台风地区半刚性门式刚架可靠性分析

论文摘要

台风是一种破坏性很强的猛烈风暴,直接受到台风侵袭或影响的地区,往往会遭遇不同程度的灾害,给人民生命安全和国民经济带来巨大损失。我国是西北太平洋(包括南海)热带风暴、台风和强台风登陆最多的国家,门式刚架轻型钢结构在历次台风中频繁遭遇破坏。门式刚架是最常用的轻型钢结构体系,广泛应用于单层工业厂房和民用建筑中。门式刚架结构自重轻,地震作用一般不起控制作用,在台风地区,风荷载往往起控制作用。目前,在设计门式刚架时一般把梁柱节点看作完全刚接。但是,国内外大量研究成果表明,在门式刚架结构中广泛应用的梁柱端板连接节点应该是半刚性连接。完全刚接的设计假定可能会高估刚架的承载能力。风荷载作用具有在时间、强度和空间的强随机性,加上结构材料强度、设计和施工过程以及人为因素的影响,使得结构的性能在风荷载作用下会有很大的不确定性。为明确台风地区门式刚架结构的实际生存能力,本文将可靠度理论应用于结构抗风设计中,进行抗风可靠性分析。本文围绕上述问题,对台风地区半刚性门式刚架结构的可靠性进行了如下研究:对福建省部分地区的台风资料进行了统计和分析,验证了台风的概率分布,计算了风压分布的参数,并进行了风压的计算。在对比了国内外端板连接的研究成果和设计规范规程的基础上,采用转动弹簧形式模拟半刚性梁柱连接节点,选取典型门式刚架结构作为研究对象建立有限元模型,应用ANSYS参数化语言(APDL),对不同节点转动刚度的半刚性门式刚架进行了可靠性分析,采用蒙特卡洛法进行统计分析,得出了结构可靠指标与节点转动刚度之间的关系,并通过灵敏度分析总结了不同情况下影响结构可靠指标的主要因素及其影响程度。基于结构体系可靠度理论,对半刚性门式刚架结构体系抗风可靠性进行了分析。本文的分析结果表明,门式刚架结构的抗风可靠性受梁柱连接节点转动刚度的影响较大。节点转动刚度对门式刚架柱顶位移、结构稳定承载力以及构件抗弯强度可靠性均有较大影响,按照完全刚性节点设计将会高估结构的可靠度,造成结构不安全。文章最后提出供实际工程应用的设计建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的工程背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 结构可靠性理论研究现状
• 1.2.2 结构抗风可靠性理论研究现状
• 1.2.3 半刚性连接理论研究现状
• 1.3 我国现行规范对结构可靠度计算的相关规定
• 1.4 本文主要研究工作
• 1.4.1 前人研究的不足
• 1.4.2 本文的研究工作
• 第二章 半刚性门式刚架抗风可靠性研究方法
• 2.1 结构可靠度基本概念
• 2.1.1 结构可靠性与可靠度
• 2.1.2 结构功能函数与极限状态
• 2.1.3 结构可靠度与失效概率
• 2.1.4 结构可靠指标
• 2.2 结构可靠度的常用计算方法
• 2.2.1 中心点法
• 2.2.2 验算点法（JC Method）
• 2.2.3 蒙特卡罗法（Monte Carlo Method）
• 2.3 半刚性连接的特性及模拟
• 2.3.1 线性模型
• 2.3.2 多项式模型
• 2.3.3 B 样条模型
• 2.3.4 幂函数模型
• 2.3.5 指数函数模型
• 2.4 风荷载的计算方法及概率分布类型
• 2.4.1 风荷载的计算方法
• 2.4.2 风荷载概率分布类型
• 2.5 台风资料统计
• 2.6 本章小结
• 第三章 半刚性门式刚架结构抗风可靠性分析
• 3.1 半刚性门式刚架抗风可靠性分析
• 3.1.1 研究对象
• 3.1.2 材料性能
• 3.1.3 单元类型
• 3.1.4 边界条件
• 3.1.5 加载方式
• 3.1.6 节点转动刚度
• 3.2 极限状态方程
• 3.2.1 承载能力极限状态
• 3.2.2 正常使用极限状态
• 3.3 柱脚铰接半刚性门式刚架抗风可靠性分析
• 3.3.1 样本历史
• 3.3.2 直方图
• 3.3.3 失效概率以及可靠指标计算结果
• 3.3.4 灵敏度分析
• 3.4 柱脚刚接半刚性门式刚架的抗风可靠性分析
• 3.4.1 样本历史
• 3.4.2 直方图
• 3.4.3 失效概率以及可靠指标计算结果
• 3.4.4 灵敏度分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 半刚性门式刚架结构体系抗风可靠性研究
• 4.1 结构体系失效概率的计算方法
• 4.1.1 结构体系失效概率的基本表达式
• 4.1.2 结构体系失效概率的区间估计方法
• 4.1.3 半刚性门式刚架结构体系失效概率的计算
• 4.2 半刚性门式刚架结构体系抗风可靠可靠性分析
• 4.2.1 研究对象
• 4.2.2 构件的失效概率和可靠指标
• 4.2.3 结构体系可靠指标
• 4.3 设计建议及既有门式刚架结构加固处理技术研究
• 4.3.1 改变结构计算图形的加固法
• 4.3.2 加大构件截面的加固法
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文