钢结构快速加固校舍设计方法研究

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汶川地震中大量中小学校舍遭到了严重破坏甚至发生倒塌,人员伤亡和经济损失惨重。为了避免悲剧重演,在对震害进行广泛调查并系统总结抗震经验的基础上,新修订的《建筑工程抗震设防分类标准》将中小学校舍抗震设防类别从标准设防类提升到重点设防类,从规范的层面,提高了校舍抗震性能设计的要求。现存大量校舍的设计依据与标准较低,存在较大安全隐患,急需进行抗震加固。  在国务院的统一部署下,全国中小学校舍安全工程正全面展开。为不影响正常教学,校舍加固工程只能利用寒、暑假开展,工期紧张,因而研究针对中小学校舍的快速加固技术具有重要的社会效益。鉴于钢结构具有工厂化程度高、结构性能优越、现场工作量小、施工速度快等突出优点,完善以钢结构为主的快速加固方法是解决当前面临问题的有效途径。  本文围绕建立钢结构快速加固校舍设计方法,针对校舍建筑中面广量大的砌体结构和单跨框架结构展开研究,主要内容及结论如下:  (1)开展了基于损伤塑性模型的砌体墙体非线性有限元分析,通过与试验结果作对比,验证了分析结果的正确性,为进一步研究斜钢板加固砌体墙体的抗剪性能提供技术准备。重点探讨了材料模型、本构关系和破坏准则的选择方法;研究了损伤塑性模型中的粘性系数、膨胀角、砌体初始弹性模量、受拉应力应变关系等关键参数对于模拟结果的影响规律。  (2)对斜钢板加固前、后的砌体墙体进行了非线性有限元分析,得到了加固钢板尺寸和墙顶竖向压应力对抗剪承载力的影响规律,并采用塑性应变表示裂缝的分布。分析结果表明:未加固墙体的抗剪承载力与墙顶竖向压应力呈线性变化;加固后墙体的抗剪承载力随着加固钢板的截面面积和墙顶竖向压应力的增加呈非线性增大趋势;墙体的延性也通过加固得到了的改善。在大量参数分析的基础上,推导了斜钢板加固墙体的抗剪承载力计算公式。  (3)系统总结了课题组已有的研究成果,并针对已提出的四种钢结构快速抗震加固方法,分别从一般规定、加固方法、加固设计三个方面进行补充和完善,建立了较为完善的钢结构快速加固校舍设计方法。  (4)以某已竣工的砌体结构教学楼加固工程为研究对象,提出了钢结构加固方案,对比了钢结构快速加固与传统加固方法的经济技术指标。对比结果表明,采用钢结构加固法可显著缩短施工工期,降低施工费用。  本文研究表明,钢结构快速加固中小学校舍设计方法具有独有的优越性和广泛的适用性,经加固后的结构抗震能力能够满足现行抗震规范的要求,具有良好的应用前景。
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