结构工程论文轻钢加层中不同连接节点的抗震性能有限元分析.doc

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1、分类号： 密级： U D C： 编号： 学 位 论 文 轻钢加层中不同连接形式节点的轻钢加层中不同连接形式节点的 抗震性能有限元分析抗震性能有限元分析 指导教师姓名： 申请学位级别：硕 士 学科、专业名称： 结构工程 论文提交日期： 2012 年 11 月 论文答辩日期: 2012 年 12 月 学位授予单位： 答辩委员会主席： 评 阅 人： 2012 年 11 月 Thesis Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of International Trade Finite Element Anal

2、ysis on the Seismic Resistant Property of the Different Form of Connection Node of the Adding Steel Stories on the Existing Building by November 2012 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作 品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明

3、。本学位论文原创性声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权 采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或 者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导 师 签名： 日期： 轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能有限元分析轻钢加层中不同连接形式节

4、点的抗震性能有限元分析 摘摘 要要 对于在旧有建筑物上进行加层改造的工程，依靠其技术和经济上的特有优 势，在既有建筑物改造活动中占有越来越大的比重。加层改造后的梁柱节点无 疑是建筑物中关键的部位，其直接影响到加层后整体结构的受力性能。因此， 对于轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能的研究，有利于了解节点的力学 性能，有利于改进节点形式的设计。无论在相关理论研究方面还是在相应的工 程实践中，对于节点抗震性能的研究都具有重要的意义和价值。 本文前期试验中设计了四个轻钢加层不同连接形式节点的实体模型，这些 试验构件均为在原有的混凝土柱子上方通过化学植筋的方法加入工字钢形的钢 柱。新加钢柱与原有混凝土

5、柱子的连接形式不同，其连接形式分别为：铰接 U 型钢箍加固、刚接碳纤维加固、刚接钢板加固和纯刚接。在试验过程中， 分别给这四个实体模型施加低周反复荷载作用，得出其滞回曲线等相关参数， 通过这些参数可以分析它们抗震性能的优劣。 本文在上述试验的基础上，以试验中抗震性能最优的节点实体模型为样本， 通过大型有限元分析软件 ANSYS 建立有限元节点的模型，确定模型中不同单元 的形式、定义各个单元的材料属性、设置单元的实常数、选取适合的屈服准则。 使用节点法建立了所有钢筋单元，再使用实体建模法建立了混凝土单元，对其 进行单元划分，施加约束条件，加载并求解。 本文对所建节点有限元模型在低周反复荷载作用下

6、的受力破坏过程进行了 全程模拟，把节点有限元模型的分析结果与节点实体模型的试验结果进行了比 较，得出了有限元分析结果和试验所得结果基本相符的结论，从而证明了本文 所建的节点有限元模型基本能够正确地反映出节点的实际受力情况。在这个节 点模型的基础上，通过改变节点的连接形式，得出新的节点有限元模型，再对 新建模型进行低周反复加载模拟试验，得出滞回曲线等相关参数，并与原有模 型进行对比，进而得出所建节点有限元模型的抗震性能的差异。着重分析不同 连接形式节点模型在低周反复荷载作用下耗能性能与延性等抗震性能指标的差 别。 关键词：关键词：轻钢加层 节点 低周反复荷载 有限元分析 滞回曲线 抗震性能 Fi

7、nite Element Analysis on the Seismic Resistant Property of the Different Form of Connection Node of the Adding Steel Stories on the Existing Building ABSTRACT To the work of adding steel stories on the existing building are occupying an increasing proportion in the activities of renovating the exist

8、ing building by their unique advantages on its technical and economic. The beam-column ioints after renovation of adding steel stories on the existing building is undoubtedly the key parts of building which have added steel stories. Therefore, the research of the seismic performance of the different

9、 form of connection nodes in the additional layer is usefull both in understanding the mechanical properties of the node and to improve the design of the nodes in the form. No matter in the relevant theoretical research or in the engineering practice, the research of the seismic performance of the n

10、ode have great significance and value. In the early experiment of this dissertation there are four designs of the solid model of the different form of connection node of the adding steel stories on the existing building, all of this components in the experiment sre added in steel columns which are i

11、-beam at the top of the existing concrete columns by the method of chemical anchorage. The connection form of the new steel columns and the original concrete columns are different, the connection form are Articulated-U steel hoop reinforcement, Rigid-carbon fiber reinforced, Rigid-steel reinforcemen

12、t and Rigid. In the experiment, the low period repeat load are applied to the four solid model, we can get their hysteretic curves and other related parameters. We can analyze the pros and cons of their seismic performance by these parameters. In this dissertation, on the basis of the above-mentione

13、d experiment, I use the node solid model which have a optimal seismic performance in the experiment as an sample, using ANSYS, the finite element analysis software to establish the finite element node model, establish the form of the different model units, definite the material properties of every u

14、nits, set up real constant, select a suitable yield criterion. All the reinforced units are set up by the way of node, the concrete units are set up by the way of solid modeling, determining the grid, seting the conditions, loading and solving. In this dissertation, a whole simulation of the forced

15、and destroyed process for the node model which are under low period repeat load have been done, a comparison between the result of the finite element node model with the result of the node solid model, a conclusion that the result of the finite element analysis and the result of the experiment are c

16、onsistent have been obtained, thus it can prove that the finite element node model can reflect the force situation of the node. On the basis of this node model, a new node finite element model can be drawed by changing node connection, then a low period repeat load are applied to the new node medel,

17、 its hysteresis curves and other related paramenters have benn obtained, comparing it with the original model, and the differences of the seismic performance between these finite element node models have been obtained. The differences of the ioints earthquake resistance such as dissipative capacity

18、and ductility performance of the different form of connection node models which are under low period repeat load is analyzed. Key words: light-weight steel adding storey, node, low period repeat load, finite element analysis, hysteresis curve, seismic resistant property 目录目录 第一章第一章 绪论绪论10 1.1 研究背景10

19、 1.2 研究意义11 1.3 国内外研究的现状及存在问题 12 1.3.1 国外概况.12 1.3.2 国内概况15 1.4 研究的主要内容18 1.4.1 课题描述.18 1.4.2 课题的主要研究内容 19 第二章第二章 有限元分析的理论基础有限元分析的理论基础20 2.1 概述 .20 2.2 有限元方法的分析步骤21 2.2.1 离散连续体21 2.2.2 单元位移函数的选择 21 2.2.3 单元特性分析21 2.2.4 整体分析23 2.3 对于非线性方程组的求解方法23 2.3.1 迭代法.23 2.3.2 增量法24 2.3.3 混合法24 2.4 收敛准则25 2.5 AN

20、SYS 有限元分析.26 2.5.1 概述26 2.5.2 ANSYS 软件建模需要考虑的因素26 2.5.3 ANSYS 求解的基本步骤27 2.6 本章小结28 第三章第三章 钢混柱节点低周反复荷载试验钢混柱节点低周反复荷载试验.29 3.1 试验概况29 3.1.1 试验构件的设计 29 3.1.2 材料特性31 3.1.3 试验装置及加载设备 31 3.2 试验加载过程简介33 3.2.1 低周反复加载制度 33 3.2.2 低周反复试验33 3.3 试验结果34 3.3.1 试验现象简述34 3.3.2 荷载位移曲线 34 3.3.3 骨架曲线35 3.4 本章小结35 第四章第四章

21、 有限元模型的建立有限元模型的建立37 4.1 节点模型的选取37 4.2 有限元节点模型的理论基础37 4.2.1 混凝土单元的相关理论基础.37 4.2.2 型钢柱中钢板单元的相关理论基础.40 4.2.3 钢筋单元的相关理论基础 .41 4.2.4 加固钢板单元的相关理论基础41 4.3 单元实常数的设置42 4.4 材料的本构关系43 4.4.1 混凝土的本构关系 43 4.4.2 钢筋的本构关系 44 4.4.3 加固用钢板的本构关系 .45 4.5 其它材料参数的设置46 4.5.1 混凝土及钢材的弹性模量、泊松比.46 4.5.2 混凝土的破坏准则 46 4.5.3 混凝土的屈服

22、准则 46 4.5 有限元模型的建立47 4.5.1 钢筋及加固钢板单元的建立.47 4.5.2 混凝土单元的建立 47 4.5.3 型钢柱单元的建立 48 4.6 约束的施加和求解设置49 4.6.1 约束条件49 4.6.2 荷载的施加49 4.6.3 求解设置50 4.7 计算结果的后处理50 4.8 有限元分析结果与试验结果对比51 4.9 本章小结52 第五章第五章 新型连接形式节点模型的建立及受力分析新型连接形式节点模型的建立及受力分析53 5.1 新型连接形式节点模型的建立53 5.1.1 新型连接形式的选取 53 5.1.2 刚接钢板碳纤维混合加固节点模型的建立.53 5.2

23、刚接钢板碳纤维混合加固节点模型的受力分析56 5.3 本章小结59 结论与展望结论与展望60 本文结论60 展望60 参考文献参考文献62 致谢致谢.64 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究研究背景背景 上世纪 80 年代之前，我国大中型城市中的民用房屋和住宅很大一部分都 是低层或者多层建筑，在我国市场经济快速发展的今天，其中一些建筑物的使 用面积已经不能很好地满足人们的使用要求了。对于这部分建筑物，我们不能 停止对其的使用，但是它们的使用面积却影响着自己的使用功能。城市人口不 断增长，居住规模不断扩大，这在一定程度上破坏了原本合理的城市环境容量。 近年来，大量农村劳动人员涌入城市，这加快了

24、城市化的进程，对本来就已经 很紧张的城市用地更是“雪上加霜”1。 另一方面，建筑物在长期的使用过程 中，由于材料的老化、环境的侵蚀、损伤的累积、人为使用不当、工作荷载的 改变以及自然灾害的影响等原因，致使大量的建筑需要加固和修复。当今我国 经济高速前进，城市的功能性和结构性的衰退将日益成为我国旧城改造的关键2。 对于旧城的综合改造不是一味的推倒重建，因为在很多情况下受到经济条件等 方方面面因素的限制，使得全部重建实现起来困难重重。因此，我们要从现实 条件出发，旧城的改造要与旧城的新建并重。部分地区采取大量占用城市周边 耕地的方法来新建建筑物，扩大城市建筑的使用面积。这不符合我国保护农村 耕地的

25、相关政策。所以，在新城建设的同时，我们也要做好对旧有建筑物的改 造和扩建工作。这在一定程度上保护了我国宝贵的耕地资源。 有关部门曾经统计过，截止到 1985 年年底，我国城镇房屋面积达到 46 亿 平方米，以 50 年的设计使用标准来计算，这些建筑物大部分进入了自己的“中 老年”服役时期。一些建筑物需要进行及时的鉴定、修缮和加固，这样可以延 长它们的使用寿命。另一方面，一部分旧有建筑物在建设初期缺少整体的规划， 房屋层高及房屋布局不是很合理，特别是近些年人们的生活水平普遍提升，这 些旧有建筑物的使用功能越来越不能符合人们的要求了。针对这些现象，我们 对那些旧有的占地面积大且层数低的建筑物进行加

26、层改造，提高它们的使用功 能就具有了很好的现实意义。建筑物加层改造有助于缓解城市的用地紧张，提 高人民的居住条件，加速城区的改造。因此，对于旧有建筑物的加层改造依靠 其技术上和经济上的特有优势在改建既有建筑物的市场中占了越来越大的比重。 在旧有建筑物上进行加层改建具有诸多优点： 1） 有效地提高了单位土地面积住房的容积率3,缓解城市建筑用地紧 张,增加城市建筑面积,在一定程度上保护了耕地资源。 2） 施工周期短，有助于实现现有的城市配套设施的充分利用，减少拆 迁和征地费用。 3） 在加层改造的过程中，不仅仅增加了旧有建筑物的使用面积，同时 调整了建筑物的平面和立面的布局，使建筑物无论从使用功能

27、上还是室内外 美观程度上都得到了提升。这既改善了人民的居住条件，又美化了城市的市 容市貌。 4） 我国有近 170 多个城市位于 7 度以上的地震活动带上，70 年代之前 所建的房屋大部分没有将抗震设计考虑进去，针对这种情况，我们在对房屋 进行加层改造的同时可以对它们进行抗震加固。在增大房屋使用面积的同时， 又提高了建筑物自身的抗震性能，对于建筑物的使用年限的延长也有所帮助。 5） 建筑物在长期的使用过程中，其地基的承载力不断增长。所以我们 可以充分利用这一点，在不对地基做处理或者对地基做微处理的条件下对旧 有建筑物进行结构加层。这样可以给我们带来非常可观的经济效益。 6） 建筑物的加层改造工

28、作可以在不影响人们正常的生活、居住、办公 的条件下进行。这可以避免拆迁工作所带来的临时安置的问题。 终上所述，对于既有建筑物的加层改造符合我国现在的国情以及技术经 济条件。 1.2 研究意义研究意义 近年来随着我国经济的快速发展，大中型城市商业化和工业化规模不断扩 大，城市中建设用地面积日益减小，部分旧有的建筑物由于其自身使用面积的 限制，已经不能再很好的适应日益繁荣的市场需求。对于这类建筑物，我们需 要扩大其使用面积来满足人们对其使用功能的要求。对于这种情况，采取建筑 加层的方式可以有效地增加旧有建筑的使用面积，进而提高建筑物的使用性能。 首先，选择在旧有建筑物上加层，几乎不占用新土地或者占

29、用很少部分土地， 这就缓解了当今城市中土地资源日趋紧张的形势。其次，相对于推倒重建，在 建筑物上加层需要投入的资金要少得多。在资金紧张的时候，加层可谓是一种 行之有效的举措。轻钢加层作为一种应用相对成熟的结构面积改造技术，具有 地震作用小、自重轻等诸多优点。与此同时，轻钢加层也存在一定的缺点：轻 钢加层后，建筑物成为了“下部重上部轻”， “下部刚上部柔”的质量与刚度 不均匀分布体系。这会影响到建筑物的整体协作抗震能力。因此，对于在旧有 建筑上采用轻钢结构加层的技术研究，越来越多的受到了结构设计工作者和业 主的重视。 轻钢结构加层主要可以分为三种方式，即直接加层法、改变荷载传递法和 外套结构跃层

30、法。对于不同的既有建筑物，要采用适合的方法进行加层改造。 对于结构设计工作者而言，如何能够设计出保证加层后建筑物具有较高抗震性 能的加层方式显得尤为重要。无论采取何种加层方式，轻钢加层的节点设计都 是非常重要的。传统意义上讲，钢柱脚节点可以分为刚接柱脚和铰接柱脚两种 形式。对于铰接柱脚和刚接柱脚，基础都可以承受轴向传来的压力和位于水平 方向的剪力，不同的是：采用刚接柱脚的形式，基础还可以承受上部加层传导 下来弯矩。为了进一步提高柱脚节点的抗震能力，我们还在铰接节点和刚接节 点的基础上根据实际工程经验以及柱脚节点的受力、穿力特点设计出了不同形 式的柱脚节点。作为连接原有建筑和新加钢层的重要部位，

31、我们必须要重点研 究不同钢柱节点形式的抗震性能。只有在了解并掌握了不同节点形式的抗震性 能特点之后，我们才能准确地将不同的节点形式用在合适的建筑加层之中。从 而确保我们在进行建筑物加层设计时，既要保证加层后的房屋安全可靠且抗震 性强又要避免钢材的浪费。 1.3 国内外研究的现状及存在问题国内外研究的现状及存在问题 1.3.1 国外概况国外概况 从二战结束到现在的半个多世纪里，世界主要发达国家的市政建设可以大 略地划分为三个大的时期。首先是大面积的新建；其次是边新建边维修改造； 最后是旧房维修与改造。上世纪 70 年代末，一些西方发达国家陆续跨入了第三 个时期。这些国家在解决了人民基本居住问题后

32、，对于旧有建筑物的改造与加 固维护工作投入了越来越多的精力。在当今世界范围内，众多发达国家，例如 美国、日本、加拿大、意大利、英国等都在不同程度上通过立法和出台相应的 政策来提升、规范旧有建筑物改造维修的行业。美国把维修改造既有建筑物和 新建建筑物视为同等重要，侧重于开发研究维持老城区原有历史风貌，升级建 筑内部设施并且保持建筑外部旧有面貌的建筑改造升级方法。1977 年，日本出 台了相关政策，重点着手于旧有公产住宅房屋的改造以及高层房屋的维护技术。 前苏联出台了规定，减少旧房屋的拆迁数量，定期修缮改造那些具有保留价值 的建筑物，与此同时在莫斯科等地专门成立了负责对旧有建筑物进行维修改造 工作

33、的建筑设计院，在原建筑物上加层改造是这些设计院的一项重点设计研究 内容。英国将居民房屋住宅发展计划的中心设为对旧有建筑物的加固改造，从 70 年代开始，转变了城市建筑的发展模式，由原来的大量拆迁重建转化成为对 既有建筑的内部升级和结构维修改造。瑞典在 1983 年的时候，全国用于对旧有 建筑修缮改造的费用已经占到了建筑总投资的一半。 相关资料显示，美国和英国的建筑维修和升级改造的市场早在 1985 年就 进入了相对鼎盛的时期，其全国对于工商业和办公建筑物的升级改造费用达到 了 965 亿美元。房屋的加层工作已经从低层建筑加层发展到了高层建筑加层， 位于美国俄克拉荷马州的 Julsa Oklah

34、oma 中州大厦（图示 1）是很具有代表性 的加层建筑。中州大厦原来共 16 层，在原楼内部新建内筒结构后，在之上新加 了 21 层，成为世界上加层最多的建筑物。位于意大利南部港口城市那不勒斯政 府大楼（图示 2）的加层改造工程很有特点，该建筑物共有四层（包括地下室 1 层），要求加 5 层并且在改造期间继续使用。该工程使用了树根桩，将这些 桩安放在了原结构基础周围，在新增树桩基础上建造基础梁，梁上安放贯通原 建筑的钢柱，在钢柱上进行加层施工，加层施工完成后拆除原有的三层楼，再 新建楼层与上部 5 层楼连接起来成为一个整体。 位于美国明尼苏达州明尼阿波 利斯市的联邦银行（图示 3）在设计之初就

35、考虑到了将来的加层，并最终在原 有建筑上实施了加层改造。新增楼层采用拱形并且连接在下部的悬索之上，在 外观上形成了“卵形” （图示 4）,结构牢靠、外形美观，是建筑加层工程中 的精品之一。 国际上，许多国家举行以建筑物修缮改造为主题的学术会议并且出版专业 的学术刊物，例如英国的 Concrete Engineering International 期刊，印度的 the Stmctural Engineer 和 Indian Concrete 期刊等等，这些学术会议和期刊 每年都会出版大量关于建筑物加固、改造升级的论文和技术规程。 1.3.2 国内概况国内概况 在我国对于旧有建筑进行加层改造的工

36、程实践活动相对较早。上海工艺品 服务部在 1915 年建成，并在随后的日子里进行了 3 次加层改造，分别使原建筑 物成为了 4 层、5 层和 6 层，最终于解放之前完成（图示 5）。这是一个非常具 有代表性的加层工程，为我国的加层改造工程提供了珍贵的数据资料。建国后 到 60 年代末这段时间，我国处在大规模新建的时期，对于既有建筑物的加层改 造活动进入了低谷。从 70 年代开始，我国对于旧建筑物的修缮、加固、改造升 级活动逐渐地发展了起来。位于全国政治中心北京的原纺织工业部办公大楼4 (图示 6)，原来为 3 层，加层改造后成为了 5 层，改造后该建筑结构牢靠且外 形大方，完美地融入了长安大街

37、之中。天津劝业场将室内天井加层改造成为楼 层，增加了建筑的使用面积。 在进行加层改造工程实践的同时，国内工程学术界也针对原有建筑加层改 造活动开展了大量的理论研究工作。对于建筑物结构加层改造的理论研究大致 可以分为以下几类： 1）主要针对在原有建筑上开展加层工作的可行性以及在加层改造设计过程 中应该重视的相关问题的研究，重点研究建筑物上加层工程的必要性和合理性。 2）主要针对建筑加层形式和施工组织方案的研究。在加层工程中，运用正 确合理的增层形式并且采用科学的施工方案尤为重要。 3）主要针对加层后结构整体的振动方式以及整体计算方式的研究，分别得 出了不同原有结构形式上增加轻钢加层或者钢加层后，

38、建筑整体地震振动反应。 4）主要通过试验的方式研究结构加层后整体的抗震性能，和模拟得出的结 果进行对比分析，最终得到正确的理论指导实践活动。 我国学者对加层的相关理论研究如下所示： （1）山东建筑工程学院的崔艳秋等5系统地介绍了一些轻钢加层在实际工 程中的适用性和合理性，指出了与之相对于的原建筑结构体系，研究了在设计 结构加层过程中应该注意的一些问题以及可以使用的计算方法。指出了：第一， 在原建筑物上进行加层设计时务必要根据原有建筑结构形式和施工环境等条件 选取合理的加层形式；第二，在选择建筑物加层后整体模型时一定要考虑到加 层前后结构形式的突变，正确选取结构模型进行模拟计算；第三，可以考虑使

39、 用底部剪力方法对刚度和质量都与旧有结构不同的新增轻钢结构进行抗震计算。 （2）太原理工大学的雷宏刚等6探讨了新增结构的可行性，并重点讨论门 式轻钢增层结构体系的设计选型、受力计算、结构耐久性、连接节点、施工方 案等相关问题有助于轻钢门式钢结构的推广和发展。 （3）青岛建筑工程学院的王燕7针对新加结构的刚度与质量相对于原有结 构明显地减小导致地震作用下高阶振型影响作用增强的现象，提出了要应用振 型分解的方法来分析高阶振型作用下的轻钢结构抗震性能，并且分析计算了动 力放大系数科学合理的取值。 （4）包头钢铁学院的朱丽华8以某批发市场的轻钢结构增层设计工程为实 例，在此基础上阐述了轻钢结构增层中节

40、点的相关处理问题，为轻钢结构增层 设计以及节点处理的合理性提供了参考。 （5）卓尔建筑设计有限公司的陈招平等9运用子结构方法叠加了旧有混凝 土的结构以及新加钢结构的刚度、质量及阻尼矩阵，用实模态振型分解法对所 建模型进行了地震反应的求解。 （6）合肥工业大学的骆甜10指出了多层钢混框架结构在加层之后，建筑 物整体的刚度、质量、阻尼比等均不同程度上发生了改变。因此，只计算新增 部分是不合理的，要对结构的整体进行分析。对轻钢加层的形式进行了分类总 结之后，利用有限元分析软件 ANSYS 模拟分析了在原建筑分别为 2 层、3 层、4 层钢混框架结构上加盖 1 层和 2 层后，整体结构的地震反应，将加

41、层后结构整 体的阻尼比变化考虑了进去，最终得出了结构在多遇地震下的位移、变形、层 间剪力和层间位移角等相关参数。分析指出：多层钢混框架结构上加盖一层轻 钢结构时，新加部分的鞭梢效应不是很明显；加两层轻钢结构时，新加的第一 层明显薄弱，要对其进行抗震验算；若新加多层时，在计算时要将高阶振型考 虑进去。验证了多层钢混框架结构上加轻钢结构的可行性，得到了结构上轻钢 加层的变形受力规律。 （7）清华大学的宋峰11 提出一种新型结构加层方式跃层加层式，该种 方式不需要触及旧有建筑物和基础，在原建筑物外侧建造框架柱，在框架柱上 直接加盖新的结构层。作者利用有限元软件 ANSYS 对整体是跃层和分离式跃层

42、进行了动力静力分析，指出要重点将跃层结构的底层框架梁和柱的截面面积、 尺寸进行科学合理的设计，控制好线刚度比值决定了外套框架的刚度和承载力。 （8）山东科技大学的卢世霞12以具体钢混框架工程为基础，运用有限元 软件 ANSYS 对钢混框架结构上直接采取轻钢加层的工程实例建立了有限元模型， 对加层后的结构整体进行反应谱分析和模态分析，获取了此类结构的对应的地 震反应特点，提供了一些数据理论供加层结构抗震设计参考。 （9）麻建锁等13用有限元软件 ANSYS 模拟出了某 4 层钢混框架办公楼上 加 2 层纯钢结构框架，对此模型进行了地震反应分析，以此为基础论述了不同 阻尼比、无侧移、有侧移以及加层

43、层数不同的整体框架的抗震性能的差异。通 过计算得出：结构的周期在加层后变长，所以框架的底层层间的剪力产生的变 化相对较小。 （10）同济大学的徐磊等14简述了对一个钢混框架结构增层改造后抗震性 能方面的评价。对于加层后的整体结构，指出要运用控制位移的加固方法来提 高其抗震性能，通过时程分析证明了此种加固方式能够满足抗震规范的要求。 （11）新疆大学的韩凤霞15重点研究了在砌体结构上增加一层轻钢门式钢 架后结构整体的抗震性能，将上部加层部分作为附加建筑荷载，根据建筑荷载 规范以及建筑抗震设计规范分析了这种方式的可行性，经过计算得出加层后整 体结构的楼层底部水平地震力，然后把上部加层结构作为附加荷

44、载，与扩大系 数相乘后作用在原有结构上楼层算出这种加载方式下整体结构底部的水平地震 力，两种地震力想接近或相等时，可以算出扩大系数，由此得出了简化的计算 方法。 （12）周福霖16提出了加层减震技术用来提高已有建筑的抗震性能，此技 术的原理是在原来的抗震性能不满足要求的建筑物上通过加层改造后改变结构 整体的自振周期，从而提高原结构抗震性能。 （13）清华大学的张涛17对现有的砖混结构和钢混结构上部增加钢结构工 程的特点，结合实例，利用有限元分析软件，对参数进行了分析，总结规律。 主要做了以下三项研究工作：第一，旧有建筑物上部加钢结构的构造和设计等 有关的技术，以不同的原有建筑为基础，结合不同的

45、使用要求选择出科学合理 的加层形式，并指出了该设计体系中的薄弱环节；第二，钢混框架结构上新加 钢结构的抗震性能，以具体实际工程为基础，运用有限元软件 ANSYS 对增加的 不同钢结构层数，建立模型并进行动力和静力的分析，总结出此类设计中应该 注意的控制因素；第三，砖混结构上新加钢结构的抗震性能，以某砖混结构办 公楼增层改造的实例为基础，运用有限元软件 ANSYS 对其建模分析，总结出此 类结构设计中应该注意的控制因素。 （14）南京建筑工程学院马宏、董军18指出如果将轻钢加层部分和隔震垫 联系在一起并组成一个扩展的质量调谐阻尼体系，这样可以现住地限制支座变 形。 （15）泰州职业技术学院的孙国

46、荣19从消能减震和隔震的角度出发，评价 了当前的土建领域的结构控制技术，分类讨论了国内外的隔振技术，对今后发 展隔振技术需要解决的问题进行了阐述。 （16）刘仲洋，麻建锁20以实际工程为实例，分析阐述了在新旧结构层之 间添加橡胶隔震支座对于结构抗震性能的帮助，对于实际工程具有一定的参考 价值。 （17）郑洪谦等21分别对隔震结构在人工地震波和实际地震波作用下进行 了时程分析计算，进过对比分析，得出了一些具有参考价值的结论。 综上所述，既有建筑的加层改造工程在国内外都取得了很大的进步于发展。 在我国，尤其是 70 年代以来，政府对于旧建筑的修缮、改造、升级工作重视程 度越来越高。无论在施工技术方

47、面还是在理论研究方面都有了长足的进步。我 国先后组织成立了一批科研协会专门分析研究旧有建筑的鉴定与增层加固改造， 例如: 中国工程建设标准化协会、中国老教授协会全国房屋增层改造技术研究 委员会和建筑物鉴定与加固技术标准委员会等。这些协会、科研团体等对于建 筑物增层的学术交流、经验探讨以及技术提升起到了很大的帮助。与此同时， 我国相关部门也颁布了一系列的条令规范，如砖混结构房屋加层技术规范 (CECS78: 96)；铁路房屋增层和纠倾技术规范(TB10114-97)；既有建筑 地基基础加固技术规范(JGJ123-2000)；建筑抗震加固技术规程(JGJ 116-98)；现有建筑抗震鉴定与加固规程

48、(DGJ08-81-2000)；钢结构加固 技术规范(CECS77:96)等。这些条令规范的颁布使我国建筑物结构加层工程无 论在施工方面还是在设计方面都有了相应的指导，使建筑物结构加层工程在我 国规范有序地健康发展。 1.4 研究的主要内容研究的主要内容 1.4.1 课题描述课题描述 既有建筑物上采取轻钢加层，上层钢结构与下层混凝土连接的钢柱脚节点 形式的设计直同连接形式的加层节点，并以与实际工程中相接近的尺寸做出四 组节点模型。经过低周反复试验后，可以得出每组构件的滞回曲线、骨架曲线、 延性系数等数据，经过比较分析后得出抗震性能最好的一种节点连接方式。之 后利用有限元软件 ANSYS 建立这

49、个节点构件模型，并模拟试验，与实际试验构 件所得数据对比符合后，说明 ANSYS 所建虚拟模型正确，在此模型基础上通过 改变原有的连接方式，得出不同连接形式的构件模型，再次进行模拟试验，从 而得出新构件模型抗震性能的差异,从而得到抗震性能最好的一种节点连接方式。 1.4.2 课题的主要研究内容课题的主要研究内容 1)从工程实例与理论研究的角度，了解国内外建筑轻钢结构加层的分类形 式以及相关理论研究的现状，分析探讨轻钢结构加层工作在我国开展的合理性 和必要性，指出了一些有待于解决的实际问题。 2)学习并掌握有限元分析方法的原理以及低周反复试验的方法和分析过程， 为后续的分析做好理论准备。 3)试验研究不同节点形式的轻钢加层构件在梁根部低周往复荷载作用下的 受力机理、形性能以及屈服过程。 4)利用有限元软件 ANSYS 模拟实际构件，进行非线性有限元分析，在低周 往复荷载作用下分析模型的抗震性能，并将计算结果与试验所测结