工业化装配式高层钢结构建筑探究

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工业化装配式高层钢结构建筑探究

一、项目意义和来源
　　我国单位建筑面积能耗是发达国家的2倍以上，建筑垃圾、施工灰尘是城市主要污染源之一。我国房屋钢结构的发展面临重大机遇，中国作为7亿吨的世界产钢大国，产能过剩近1亿吨，但钢结构建筑只占5%，而发达国家占50%以上，保障性住房建设速度、地震灾区住宅重建速度有待进一步提高。目前，住房和城乡建设部明确提出要在保障性住宅中推动使用钢结构住宅。工业化、装配式节点斜撑加强型钢框架结构体系符合“十二五”时期，住房和城乡建设部钢结构住宅产业化方针政策和中国钢结构协会“十二五”发展规划，是国家支持的钢结构创新技术。
　　远大可建为改善传统建筑存在的建设周期长、材料浪费严重、施工过程污染大等缺点，吸取汶川地震惨烈教训，从2010年世博会开始，开发工厂化生产的新型装配式节点斜撑加强型钢框架结构建筑技术。该结构体系适用于多高层钢结构，主要由主板、立柱、斜支撑几部分组成，压型钢板混凝土组合楼板支撑于钢梁上形成主板，主板支撑于立柱上，在梁与柱之间设置斜支撑，斜支撑加强节点连接，同时和梁柱框架共同抵抗水平和竖向荷载。承重构件连接采用高强螺栓，在强度的前提下达到易安装、易拆卸、易维护的目的。
　　为了推进该钢结构体系的科学发展，确保设计、施工安全，需要对该体系进行科学合理的研发、系统的理论分析和试验研究，以实现该产品的设计规范化、生产工业化、安装机械化，解决产品在设计、生产、安装和验收几方面的问题，满足国家在建设领域的标准规范。
北京工业大学发挥钢结构学科的优势和钢结构创新研究经验，受远大可建科技有限公司委托，联合远大科技集团、中国建筑科学研究院、湖南大学、远大可建科技有限公司承担了湖南省战略性新兴产业科技攻关项目《装配式斜支撑钢结构建筑技术研究与应用》，对该体系进行了理论分析、有限元模拟、结构构件和体系试验研究，经过多层次的计算分析、优化设计、试验和结构设计，终获得了该体系的受力特性和破坏机理，使其满足现行钢结构设计规范及相关规范要求。
二、主要研究内容和结论
　
　（1）结构整体有限元分析与设计研究
　　分别采用目前国内通用的有限元设计分析软件Etabs、Midas/GEN、SAP2000、ANSYS进行结构分析（包括静力分析、反应谱分析、弹性时程分析）与设计。在建Etabs、Midas/GEN、SAP2000有限元模型中，整个模型包含15万梁杆系单元、26000个楼板单元。模型庞大，模拟的精度高，能够较为真实地模拟结构的真实受力情况。在有限元模型的设计中，通过建立弹性单元连接，考虑了螺栓拼装连接节点的影响，连接节点的刚度是通过节点试验测得的实际刚度带入整体分析模型，使分析模型的受力能够非常真实地反映实际结构受力。基于该软件的中国规范设计程序，进行了8度常遇地震的内力计算和设计，结果证明其能够满足8度设防的抗震要求。同时采用ANSYS软件进行了大工况荷载的精细有限元分析，共划分了100万单元，采用计算机工作站进行了详细的计算，并与Etabs、MIdas、Sap2000有限元相同工况的结果进行了对比，ANSYS与Etabs、MIdas、Sap2000软件分析结果差别较小，分析结果得到了互相验证。同时，采用ansys软件的APDL语言开发了基于中国钢结构规范的后处理设计程序，该程序结果与Etabs、MIdas、Sap2000有限元设计结果相比，四者的腹杆计算结果基本相同，梁上下弦杆有所不同，但是都能满足规范要求。
　　（2）整体结构大震弹塑性分析
　　采用ansys和ABAQUS软件，建立反映实际结构受力的空间杆系有限元模型，根据设计软件优化出的截面，进行9度罕遇地震的大震弹塑性时程分析。根据新《建筑抗震设计规范》的要求，选用了两条天然波（EL-Centro波和Taft波）和一条人工波，将峰值调整到了620cm/s2,进行弹塑性时程分析。分析表明，该体系在9度罕遇地震作用下，整个塑性应变的积累和构件损伤都较小，塑性应变主要布于柱子斜支撑和斜支撑节点区外的桁架梁腹杆上，柱子塑性应变很小。该体系的破坏机理为，桁架腹杆首入屈服,斜撑范围内的柱段应力较低，没有或者较晚进入屈服。体系具有较好的延性，满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的受力要求。