钢结构住宅节能复合墙板的振动特性研究与风振分析

【摘要】： 作为钢结构住宅新型的围护体系,与普通的墙体材料相比,复合墙板具有承载力高、保温隔音效果好等优点。目前,对于复合墙板的研究主要集中于抗弯承载力方面,而在振动方面的研究还很欠缺。复合墙板的振动特性关系到隔音、抗风、抗震等多个方面的性能,对于墙板的研发、生产和应用都具有重要意义。同时,高层建筑墙板主要荷载为风荷载,国内外对于墙板受静风作用方面的研究已经比较成熟,但对于墙板受脉动风作用的研究较为欠缺。针对上述情况,本文对节能复合墙板的振动特性进行了系统的理论和试验研究,并对复合墙板在风振下的响应做了计算与分析。 为了将相对成熟的均质单板振动理论应用于复合墙板,本文提出了复合墙板的等效理论,通过刚度和弹性模量的等效计算,将复合墙板等效为一定厚度的均质单板。为复合墙板在抗弯和振动性能方面的进一步研究提供了理论基础。 通过等效单板与不同连接强度的复合墙板振动特性计算结果的比较,得到复合墙板墙板等效理论与墙板整体性的关系。同时得出本文等效理论适用范围,即用于变形协调性较好的复合墙板的振动特性计算,以及用于判别普通复合墙板整体性和变形协调性的比对研究。 经大量的有限元参数计算,分析了影响节能复合墙板振动特性的因素,包括斜向钢丝的布置方式、斜向钢丝的直径、行距、混凝土的强度等级、混凝土面板的厚度等。 为验证有本文限元模型计算的精确度,同时为了给复合墙板的研发提供第一手的数据资料,本文制作了2块足尺节能复合墙板,对其振动特性做了试验研究。得到了复合墙板的振型、固有频率和阻尼比等试验结果。通过对比分析两墙板试验结果的差异,分析斜向钢丝对墙板振动特性的影响。同时,通过试验结果与ANSYS计算结果的比对,验证了本文ANSYS模型精确度与可靠性。 将虚拟激励法应用于风振计算,进行了脉动风载荷作用下等效墙板的随机振动响应谱分析,得出墙板部分节点在风载荷作用下的节点响应功率谱,分析了墙板不同部位对与风振的敏感性,以及参与计算的振型数量对墙板响应计算的影响程度。同时,计算发现节能复合墙板在风振作用下响应在允许范围之内的,一般状态下风振不会影响墙板的安全和正常使用。 【关键词】：节能复合墙板 振动特性 实验研究 风振响应 虚拟激励法
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU311.3;TU391
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 课题研究背景12-15
• 1.1.1 能源问题与低碳社会12
• 1.1.2 钢结构住宅的发展及节能复合墙板的应用12-15
• 1.2 节能复合墙板的研究现状15-17
• 1.3 薄板振动特性的研究现状17-20
• 1.4 风振研究现状20-24
• 1.5 本文的研究内容24-26
• 第二章 振动理论基础与等效计算26-49
• 2.1 弹性薄板振动理论26-31
• 2.1.1 基本定义26
• 2.1.2 弹性薄板的基本假设26-27
• 2.1.3 薄板横向振动微分方程及边界条件27-31
• 2.2 复合墙板等效计算31-36
• 2.2.1 厚度及抗弯刚度等效计算31-34
• 2.2.2 弹性模量等效计算34-36
• 2.2.3 密度等效计算36
• 2.3 风振分析理论36-48
• 2.3.1 风及其对结构的作用36-37
• 2.3.2 平均风特性37-39
• 2.3.3 脉动风特性39
• 2.3.4 脉动风功率谱39-42
• 2.3.5 脉动风的空间相干函数42-45
• 2.3.6 随机振动分析简介45-46
• 2.3.7 随机振动中风振响应分析一般解法46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 复合墙板振动特性的有限元分析49-65
• 3.1 分析软件的选取49
• 3.2 单元类型的选取49-51
• 3.3 平面桁架复合墙板模型简介51-53
• 3.3.1 墙板结构51-52
• 3.3.2 材料属性52
• 3.3.3 边界条件52-53
• 3.4 复合墙板振动特性计算53-56
• 3.4.1 计算步骤53-54
• 3.4.2 计算结果54-56
• 3.5 复合墙板振动特性的参数分析56-63
• 3.5.1 斜向钢丝布置方式对复合墙板固有频率的影响56-58
• 3.5.2 混凝土强度等级对复合墙板固有频率的影响58-59
• 3.5.3 钢筋混凝土板厚度对复合墙板固有频率的影响59-61
• 3.5.4 斜向钢丝直径对复合墙板固有频率的影响61-62
• 3.5.5 斜向钢丝行距对复合墙板固有频率的影响62-63
• 3.6 本章小结63-65
• 第四章 复合墙板振动特性的试验研究65-85
• 4.1 试验方法65
• 4.2 试件设计和制作65-70
• 4.2.1 试件设计65-67
• 4.2.2 试件制作67-70
• 4.3 试验材料性能测定70
• 4.4 墙板的吊装固定与振点布置70-71
• 4.5 试验设备及装置连接71-72
• 4.6 试验实施及数据采集72-74
• 4.7 试验结果及分析74-76
• 4.8 试验结果与ANSYS计算结果的对比分析76-78
• 4.9 等效理论与墙板整体变形协调问题探讨78-84
• 4.9.1 复合墙板的等效计算79-81
• 4.9.2 等效单板与不同连接强度的复合墙板振动特性对比分析81-84
• 4.10 本章小结84-85
• 第五章 基于虚拟激励法的复合墙板风振分析85-98
• 5.1 虚拟激励法85-87
• 5.2 虚拟激励法计算效率分析87-90
• 5.3 基于虚拟激励法的墙板风振分析用90-93
• 5.3.1 复合墙板模型90
• 5.3.2 风振激励功率谱矩阵的确定90-92
• 5.3.3 风振响应的虚拟激励算法92-93
• 5.3.4 虚拟激励法结构风振分析计算步骤93
• 5.4 计算结果及分析93-98
• 第六章 结论与展望98-101
• 6.1 结论98-99
• 6.2 展望99-101
• 参考文献101-110
• 致谢110-111
• 发表论文和参与科研情况111-112
• 学位论文评阅及答辩情况表112

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