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高层建筑风荷载作用下幕墙连接件的疲劳性能研究

摘  要

高层建筑在现代城市化进程中的广泛应用使其面临复杂的风荷载作用,而幕墙连接件作为关键构件,其疲劳性能直接影响建筑的安全性和耐久性。本研究旨在深入探讨高层建筑幕墙连接件在风荷载循环作用下的疲劳行为及其影响因素。通过结合理论分析、数值模拟和实验验证,研究建立了考虑风荷载随机特性的疲劳损伤评估模型,并提出了基于概率的疲劳寿命预测方法。实验部分采用动态加载装置对典型幕墙连接件进行疲劳测试,获得了不同应力幅值和加载频率下的疲劳寿命数据。结果表明,风荷载的非平稳特性显著影响连接件的疲劳性能,传统基于恒定幅值的疲劳评估方法可能低估实际损伤程度。此外,研究发现连接件几何参数和材料微观结构对其疲劳寿命具有重要影响,优化设计可有效提升其抗疲劳能力。本研究的创新点在于首次将风荷载的时变特性与连接件疲劳行为相结合,提出了更为精确的疲劳寿命预测模型,为高层建筑幕墙系统的安全性设计提供了科学依据。研究成果不仅丰富了建筑结构疲劳性能的研究内容,还为工程实践中的连接件优化设计和维护策略制定提供了重要参考。

关键词:高层建筑幕墙;风荷载疲劳行为;时变特性;疲劳寿命预测;连接件优化设计


ABSTRACT

The widespread application of high-rise buildings in modern urbanization exposes them to complex wind loads, where the fatigue performance of curtain wall connectors, as critical components, directly affects the safety and durability of the structures. This study aims to investigate the fatigue behavior of curtain wall connectors under cyclic wind loading and its influencing factors. By integrating theoretical analysis, numerical simulation, and experimental validation, a fatigue damage assessment model considering the stochastic characteristics of wind loads was established, along with a probabilistic-based fatigue life prediction method. In the experimental section, dynamic loading equipment was used to conduct fatigue tests on typical curtain wall connectors, obtaining fatigue life data under various stress amplitudes and loading frequencies. The results indicate that the non-stationary characteristics of wind loads significantly influence the fatigue performance of connectors, and traditional fatigue evaluation methods based on constant amplitude may underestimate the actual degree of damage. Furthermore, it was found that the geometric parameters of the connectors and the microstructure of the materials play important roles in their fatigue life, and optimized design can effectively enhance their fatigue resistance. The innovation of this study lies in being the first to combine the time-varying characteristics of wind loads with the fatigue behavior of connectors, proposing a more accurate fatigue life prediction model, which provides a scientific basis for the safety design of high-rise building curtain wall systems. The research not only enriches the study of fatigue performance in building structures but also offers significant references for the optimization design and maintenance strategy formulation of connectors in engineering practice.

Keywords: High-Rise Building Curtain Wall; Wind Load Fatigue Behavior; Time-Varying Characteristics; Fatigue Life Prediction; Connection Optimization Design


目  录

第1章 绪论 1

1.1 高层建筑风荷载与幕墙连接件研究背景 1

1.2 幕墙连接件疲劳性能的研究意义 1

1.3 国内外研究现状与发展趋势 2

1.4 本文研究方法与技术路线 2

第2章 风荷载特性及其对幕墙连接件的影响分析 3

2.1 高层建筑风荷载的基本特征 3

2.2 风荷载作用下的应力分布规律 3

2.3 幕墙连接件受力机制解析 4

2.4 风荷载频谱特性与动态响应 4

2.5 风荷载下连接件的典型失效模式 5

第3章 幕墙连接件疲劳性能的试验研究 6

3.1 疲劳试验设计与加载方案 6

3.2 材料力学性能测试与数据分析 6

3.3 连接件疲劳寿命预测模型构建 7

3.4 不同工况下疲劳性能对比研究 7

3.5 试验结果与工程应用建议 8

第4章 数值模拟与优化设计方法研究 9

4.1 有限元模型建立与验证 9

4.2 动态风荷载作用下的数值仿真 9

4.3 基于疲劳性能的优化设计策略 9

4.4 参数敏感性分析与关键因素探讨 10

4.5 数值模拟结果与试验数据对比 10

结论 12

参考文献 13

致 谢 14

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