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              墙板装配式钢结构体系抗震性能有限元研究
              专业:建筑与土木工程硕士生:张楠楠指导教师:郝际平教授

              摘要
              装配式钢结构体系是近年来国内外研究较多的热门课题。相较于传统的混凝土、砌体结构,装配式钢结构体系具有巨大的优势,它施工速度快、现场湿作业少、便于实现工业化和标准化、质量易控制、可降低成本且绿色环保,这些特点使得它在未来建筑中具有巨大的发展潜力。但是,当前国内外对于装配式钢结构体系的研究仍然有很大不足,主要体现在标准化程度还不够高、适用范围较小、资源浪费等,无法实现真正意义上的标准化、产业化以及绿色环保的要求。
              因此,本文在总结国内外研究的基础上,提出了一种新型墙板装配式钢结构体系,该体系由组合式受力墙板、非受力墙板以及一体化楼板组成,具有部件标准化生产、集成化程度高、现场无焊接操作、综合经济效益好等优点。它能最大程度地满足工业化生产的要求且绿色环保,为我国住宅产业实现“快、好、省”的目标提供借鉴。
              为了将墙板装配式钢结构体系推广应用,本文对其抗震性能进行研究,首先利用ABAQUS软件对其承重骨架的二维简化模型进行循环加载下的有限元分析,得到了其承载力、滞回性能、刚度、延性和耗能能力等。研究了不同柱壁厚(6mm、、10mm)对于骨架受力性能的影响。研究表明,二维模型在循环加载下表现出良好的滞回性能和耗能能力,随着柱壁厚的增加,骨架的承载力提高且破坏模式更加合理。
              同时,为了研究墙板装配式钢结构体系在罕遇地震作用下塑性破坏机制,利用MIDAS/Gen软件对其6层三维结构进行静力弹塑性pushover分析,并与纯钢框架体系进行对比。分析表明,墙板装配式钢结构体系在罕遇地震作用下层间位移等均满足规范要求,塑性铰出现的位置合理,符合大震下“强柱弱梁”的抗震设计要求。在用钢量相同的情况下,它比纯钢框架抗侧能力更强,变形更加合理且塑性铰开展得更加均匀且充分。
              最后,以华清集团办公楼为试点工程,介绍了墙板装配式钢结构体系在实际工程中的应用,从结构布置、结构计算和施工图绘制方面阐述了墙板装配式钢结构体系应用于实际的可操作性。

              关键词:墙板装配式钢结构体系;有限元分析;抗震性能;静力弹塑性分析;试点工程
              本课题基金项目:住房与城乡建设部科学技术项目(2012-K2-17);陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项基金项目(2009ZDKG-66)。

              绪论
              1.1选题的背景及课题来源
              1.1.1选题背景
              十七届三中全会以来,国家大力提倡新农村建设,伴随着新农村规划、建设等的问题日益突出。所谓“新”,不仅仅指文化、风貌方面等的精神世界的“新”,我们的衣食住行等物质方面的追求也应当且必须焕然一新。这其中当然包括住宅方面的创新,包括住宅体系和营造方式的创新。有鉴于此,有必要在新农村建设的大环境下对农村住宅建筑进行系统和深入的研究,在符合我国可持续性发展的战略要求下,构建适应新形势的新农村住宅体系营造新方法和新技术。其次,近年来我国发生的汶川、玉树等地震灾害造成了住宅的大量破坏,反映出当前我国住宅的安全性能严重不足;而对于灾后的重建工作,目前还只能依赖帐篷、活动房屋等方式,虽然速度较快,但居住质量差的缺点也会对灾民原本受伤的心灵再一次造成落差。在这样的背景下,装配式钢结构住宅将发挥其无可比拟的优势。
              当前,我国的住宅建筑主要还是以砖混结构、混凝土结构为主,砖砌建筑的弊端很多,其最主要的缺点是抗震性能差和浪费资源。混凝土建筑虽是现代建筑结构的主流,且早已形成一条完整的市场产业链,但其缺点是施工速度慢、施工现场乱、且经常伴随资源浪费。在大力倡导绿色建筑的今天,传统意义上的建筑类型显然不能满足住宅绿色、环保发展的需要。
              在商品化的时代,未来的建筑也必然会走向商品化的道路。住宅商品化要求住宅具有更高的质量、更快的建设速度;这就要求建筑物的营造决不能再像以往那样大多在现场完成,必须形成一条住宅标准化和产业化的道路,住宅产业化要求用工业化生产的方式建造住宅,主要是指预制构件在工厂加工完成,现场只需进行少量的操作即可,其目的是提高劳动生产率。工厂完成整个房屋70%甚至以上的工作,现场的工作量被压缩到30%或者更低,这样将极大地节约人力、物力。
              装配式钢结构住宅将是住宅产业化发展中的中坚力量。
              装配式钢结构住宅在新农村建设、绿色环保以及住宅产业化的进程中具有得天独厚、巨大的优势。目前,我国的钢材产量遥遥领先,位居世界第一,如今年产量已突破10亿吨,钢材数量、种类和质量均充分满足钢结构住宅建设的需求。
              近年来,作为一种绿色环保的建筑形式,装配式钢结构建筑已被建设部列为重点推广项目。建设部先后开展了30多项关于钢结构住宅的课题研究项目,兴建了许多试点工程[1]。与此同时,许多高校和企业也纷纷加入到了装配式钢结构住宅关键技术的研究行列。2011年装配式钢结构民用建筑产业技术创新战略联盟成立,联盟成员包括同济大学、中国建筑科学研究院等23家高校和科研单位,联盟组织研讨会讨论确定了开展装配式钢结构住宅技术创新的目标以及开发装配式钢结构住宅体系关键技术的合作和分工。为装配式钢结构住宅的发展与研究再次铺平了道路[2]。
              1.1.2 课题来源
              西安建筑科技大学郝际平教授带领的钢结构科研团队联合住房与城乡建设部科学技术项目(2012-K2-17)、陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项基金项目(2009ZDKG-66),以装配式钢结构住宅为研究对象,依托西安建筑科技大学在建筑、结构、环境、材料等多个国家重点学科的强大的科研能力和云南昆钢钢结构有限公司强大的钢结构加工、制作能力,开展装配式钢结构住宅体系关键技术的研发工作。其目的主要有以下三点:(1)开发出适合新农村建设和灾后重建工作的新型装配式钢结构住宅体系,使其在结构构造和营造方式上具有独特的优势;突出新农村建设的“新”和灾后重建工作中需要的住宅营造快速、使用方便的特点,同时不会对灾民的心理造成落差。(2)建筑领域是全球能耗最大的领域之一,同时也是二氧化碳等温室气体排放的重要来源之一,在可持续发展和全球气候变暖的大背景下,必须提倡低碳环保的绿色建筑[3],努力使得未来建筑无论从材料选择还是营造方式上都能达到环境友好的目的。这也是本课题所要探索和解决的问题之一。(3)摆脱传统住宅现场施工速度慢、资源浪费的特点,推动住宅建筑向着产业化方向发展。住宅产业化的概念最早是由日本提出来的,其含义是采用工业化的生产方式生产住宅,以提高劳动生产率和降低成本。建筑产业化的基本特征:设计标准化、生产工厂化、施工机械化、组织管理科学化[4]。将住宅纳入到商品的范畴,住宅部品在工厂生产,用户以商品的形式订购住宅,这种模式已经在日本等发达国家流行多年——叫做“住宅超市”。目前,我国关于“住宅超市”的发展还只是停留在概念阶段,与欧美、日本等发达国家相比落后较多,住宅的产业化和商品化道路还有很长的路要走。本课题也是试图在住宅的产业化道路上多做努力,为我国实现住宅产业化贡献一份力量。

              1.2 研究的目的和意义
              1.2.1 混凝土装配式住宅的类型及其缺陷
              当前混凝土装配式房屋的类型可按结构类型和施工工艺两个方面划分:
              按照结构类型可以分为:框架结构、框架剪力墙(核心筒)结构和剪力墙结构。按混凝土工程的施工工艺来划分,诸如预制装配(全装配)、工具式模板机械化现浇(全现浇)或预制与现浇相结合等。全装配一般用于低层或者对于抗震设防要求较低的建筑,部分装配一般指主要结构构件在工厂预制,现场通过现浇混凝土的方式达到连接目的。通常按结构类型与施工工艺的综合特征将装配式建筑划分为以下类型:大板建筑、框架板材建筑、大模板建筑、滑模建筑、升板建筑和盒子建筑等等[5]。
              虽然目前预制装配式混凝土结构的研究和应用取得了一定的进展,但是混凝土结构不同于钢结构,其在发展装配式建筑时具有明显劣势,在关键连接技术的处理上,仍需要现场大量的湿作业以保证结构的整体性;其在应用中还存在关键技术不完备、不系统、标准化,无法成规模地进行生产和推广。其次,混凝土结构属于传统建筑结构,利用混凝土结构很难在营造方式和结构体系上进行创新。
              再次,混凝土结构属于资源消耗比较多的一种结构形式,这与我们所提倡的低碳、绿色建筑相违背。
              1.2.2 装配式钢结构住宅的类型及优势
              当前装配式钢结构住宅从体系上可以分为五种:轻型冷弯薄壁型钢体系、钢框架体系、钢框架—剪力墙体系、钢框架核心筒体系、交错桁架结构体系[6]。
              冷弯薄壁型钢住宅在北美应用较多,目前已经达到商品化生产的程度。该体系以冷弯薄壁型钢作为结构的受力骨架,以自攻螺钉连接节点的铰接体系[6,7]。其优点是自重轻、抗震性能好、施工速度快、绿色环保,但它基本只适用于低层住宅或联排别墅,在多层和高层建筑中应用不多。
              钢框架体系受力骨架为传统意义上的梁、柱等构件组成的钢框架。该体系适合于建造多层住宅,在多层范围内的经济效益较好;但当层数较高时,则表现为侧向刚度不足且稍显浪费。其优点是构造简单、梁柱刚接、安装方便。
              钢框架-支撑体系是钢框架和支撑共同协同工作的体系,钢框架主要提供结构的竖向承载力而支撑体系主要提供结构的侧向刚度。相比较钢框架体系来说,由于支撑的作用,其抗侧刚度更高,因此适用的建筑物层数也较钢框架体系的高,一般在6~12层之间;且其梁柱尺寸较钢框架体系要小得多,因此是一种较为经济合理的体系形式。
              钢框架—剪力墙体系是将钢框架支撑体系中的支撑换成了抗侧刚度更大的剪力墙,剪力墙承担80%~85%的水平力。当前比较流行的钢板混凝土组合剪力墙,可以同时发挥混凝土抗侧刚度大和钢板剪力墙的延性好、耗能能力强的特点。其适用的建筑层数比钢框架支撑体系更高。
              钢框架核心筒结构与钢框架—剪力墙结构类似,只是将钢筋混凝土剪力墙做成封闭的核心内筒,而钢框架在外围。该体能承担的水平力更高,接近90%,适用的建筑物层数在理论上也更高,但更高的层数将降低其经济性,因此一般认为还是12层以下最适宜。
              装配式钢结构体系相比混凝土或者预制混凝土结构具有巨大的优势:首先是目前我国钢材产量丰富,钢材质量可靠,这为装配式钢结构住宅提供了材料优势。
              其次,装配式钢结构住宅可以实现标准化生产、综合造价低、设计周期短、施工速度快、可回收利用等目标且可以以商品的形式推向市场,真正意义上实现“住宅超市”的目标,顾客随时需要,随时购买部品,安装以后就可形成自己的房屋。再次,装配式钢结构住宅能最大限度的满足绿色环保的要求,钢材本身就是一种环保材料,装配式钢结构住宅无论从构件生产、加工到后期的现场安装都不会对自然环境造成伤害。
              1.2.3选题的目的及意义
              虽然装配式钢结构住宅具有如此多“迷人”的优势,然而当前我国建筑业仍走在传统的路子上,现场仍会消耗巨大的人力、物力,且生产效率低下,浪费资源;同时在各次地震后果来看,传统住宅的安全性有待考量。本课题希望通过装配式钢结构住宅体系的研发大力促进我国建筑行业向着快、好、省的方向发展;在社会化大生产的大背景下力图推进住宅商品化,提高生产效率和综合效益;努力提高住宅结构的安全性能。
              通过本课题的研究,我们将研发一套装配式钢结构住宅新体系。通过理论分析和实际工程相结合的方式,总结出一套关于新型装配式钢结构体系的构造方式和设计方法,对我国装配式钢结构体系的研究具有一定的指导意义。
              通过新体系的研究,支持国家新农村建设,使得农村通过新住宅体系焕发新气象;支持地震灾后重建工作,为灾区人民提供良好的灾后居住环境。
              新体系的研发将使得我国在建筑绿色环保领域向前迈进一步,对摒弃传统破坏环境的建筑体系具有积极的作用。新体系将发挥良好的示范和指导作用,带领我国建筑行业真正走向低碳、环保、绿色的良性发展道路。
              将新型装配式钢结构体系推向标准化、产业化的高度,规范我国装配式住宅市场,解决其过多地依赖人力、物力,生产效率低下、综合经济效益低的现状。
              从构件截面选择、连接方式、构件尺寸等方面实现标准化、模数化的目标,提高装配式钢结构住宅的可操作性。促进新型装配式钢结构住宅在住宅行业的推广应用。

              1.3 国内外装配式钢结构体系研究现状
              1.3.1 国内研究现状
              (1)研究装配式钢结构体系的企业以及各自的体系创新国内研究装配式钢结构体系的企业主要有:远大可建集团、山东莱钢、北新、万科、杭萧等,下面依次介绍:
              远大可建研发的是一种多高层装配式钢结构体系[8,9]。该体系主要由钢结构立柱和一体化楼板组成,钢结构立柱与一体化楼板之间采用套筒+螺栓连接,立柱带有斜撑与楼板相连。其主要特色在于一体化楼板,楼板预先在工厂做好,在结构上将桁架梁融合在内,桁架梁很高,这样就保证了一体化楼板内有足够的空间可以将管道、电线等预先埋设其中。同时,远大在设计时充分考虑车辆的运输宽度,楼板都是宽度不大而长度很长的细长条形。该体系不仅在传统钢结构体系基础上作了很大创新,最重要的是它大大提升了房屋营造速度,现场只需少量人力即可完成房屋建造。
              山东莱钢在装配式钢结构住宅体系的研发中也投入了很多的精力。“H型钢钢结构节能建筑体系的研究与应用”是山东莱钢研发的一种装配式H型钢大板体系,通过几年的发展,该体系的成果现已是国家科技成果重点推广项目。该体系依然是传统的钢框架体系,梁柱均采用H型钢,墙板是莱钢自己生产的墙板。该体系虽然创新性不大,但山东莱钢在研发装配式钢结构住宅方面具有其他企业更多的优势:他们可以依托自己在钢结构领域的技术优势形成一条结构体系、节能体系、墙板体系、施工组织体系等一条龙的研发体系,他们有能力使得各个专业协调配合,在传统体系的基础上做的更好[1,10]。
              北新集团主要研发了三种装配式钢结构体系[11]:首先,与日本的多家钢结构公司合作开发新型薄壁轻钢结构体系,以轻钢结构作为受力主体;在此基础上,北新集团推出了具有自身特色的装配式钢结构体系:新型混合钢结构体系。该体系是将薄壁轻钢体系的受力骨架换成钢框架,围护体系依然采用薄壁轻钢,融合了各自的优势,增大了使用空间;第三种是新型钢结构体系,以钢结构作为受力骨架,以金邦板等复合墙板作为其围护结构,房屋的整体性能更好。归结起来,这三种体系即为:轻钢墙体受力体系、轻钢板柱体系和轻钢框剪体系[12]。北新集团与日本的钢结构企业合作开发的新型墙板,也为其装配式钢结构体系的发展提供了强有力的支撑。近年来,北新的装配式钢结构体系在新农村建设和灾后重建中具有广泛应用,在酒店会所等项目中亦有应用,显示了良好的发展势头。
              万科的装配式房屋研究主要集中在混凝土结构中,他们提出了“主体和填充部品分离体系”,即所谓的“VSI体系”。万科完成的项目中多为装配式剪力墙体系,采用外墙预制,内墙现浇,连接部位现浇的模式。虽然万科开发的是装配式混凝土结构,但其体系的营造方式、施工现场管理方式等方面对于装配式钢结构体系的研发具有很好的借鉴意义[13,14]。
              杭萧钢构则将研究的重点放在多、高层装配式钢结构住宅体系的研究中,在梁柱构件、梁柱节点、楼板、墙板等诸多方面都形成了自己的特色[15]:柱采用高频焊接方钢管柱;梁采用高频焊接H型钢;楼板采用钢筋桁架楼承板;墙板则为汉邦CCA灌浆墙。杭萧多、高层钢结构住宅采用的体系还是钢框架、钢框架剪力墙、交错桁架等体系,其主要创新点在于梁柱的连接节点上,采用横隔板贯通式连接,摆脱了传统的内隔板连接施焊对于柱壳的伤害,对工厂焊接工艺的要求较高[16]。
              (2)其他学者对于装配式钢结构体系的研究年武艳涛[17]提出了一种按模块化思想设计的新型模块化房屋,由模块、房架和配件组成,模块由等边角钢焊接而成,房架设计为可折叠。利用软件对活动房屋进行了结构静力分析,确定了满足规范和实际受力要求的模块形状和角钢截面尺寸,为以后的活动房屋体系的研究指出了一条方向。
              年长安大学卢林峰副教授[18]组织开展了“装配式交错桁架体系的抗震性能及标准化设计研究”,完成了交错桁架中钢柱、平面桁架和楼板的分析;对7度和8度区的98个模型进行了标准化设计研究,先后以长细比和位移为控制条件最终得到了钢柱、桁架和楼板的标准化截面尺寸;对装配式交错桁架节点进行了标准化的节点设计,填补了我国装配式交错桁架体系标准化道路上的空白。
              年同济大学陈以一教授与浙江宝业集团、日本大和房屋工业株式会社合作[19,20,21],在日本装配式钢结构体系的基础上对一种新型分层装配式支撑钢结构体系进行了改进研究。该体系将房屋拆分成钢框架支撑系统和楼面系统两部分,其主要特点是密柱、梁贯通、柱梁铰接,水平力主要由柱间支撑承担,实现了标准化的设计和高度装配化的施工。课题组对该体系进行了足尺寸拟静力加载试验,考察了体系在水平荷载作用下的破坏模式和变形性能。试验结果表明了支撑确实承担了绝大部分的水平力,结构的延性性能与支撑的性能密切相关。浙江宝业集团将该体系推向试点工程,通过理论与试验相结合,指出了该体系推广需要解决的关键技术和发展前景。该体系虽然还需要进一步的研究,但其新颖的形式或将成为我国装配式钢结构体系的一个重要分支,对研究装配式钢结构体系及其连接构造具有很好的借鉴意义。
              年周绪红[22]等研究了低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系。详细介绍了冷弯薄壁型钢住宅体系的组成、各组成部件的构造、防火防护、管道电线等的具体构造,说明了其在我国的应用前景。2008年何保康等[10]研究了低层冷弯薄壁型钢结构体系的传力路径,指出其荷载传递路径包括竖向荷载路径和横向荷载路径。重点介绍了墙体立柱的设计方法、抵抗侧向力体系的荷载分配方式以及其剪力墙的设计方法。
              盒子住宅体系也是装配式钢结构体系的一种,但是当前我国对于盒子住宅体系的研究较少。2001年黄蔚欣,张慧英[23]对盒子住宅体系作了系统的介绍,介绍了盒子住宅体系按照承载类型、非承载类型和实用材料进行的分类。对盒子住宅体系的特点和应用前景作了详细的分析,指出当前盒子体系的应用大多是在卫生间等集成卫浴方面。在钢结构盒子体系中,当前主要的应用是集装箱住宅。未来盒子体系可以向宿舍、旅馆、医院等方向发展,但在当前,其应用前景并不明确。
              (3)装配式钢结构体系部品连接方面的研究年,杨强跃等[24]介绍了美国和日本在地震后钢框架节点的改进,详细介绍了各种节点及其改进的节点形式。这些节点均是在传统连接节点上的改进,其目的都是改进节点的抗震性能,为设计人员从事钢结构设计时选择节点形式提供参考。
              年,罗云松、柯有林[25]发明了活动房楼面主梁与立柱的连接节点,主要利用类似耳板的连接件实现梁柱间的连接。该节点连接简单,拆卸方便,非常适合活动房梁和立柱之间的连接。由于活动房采用桁架梁居多,因此该发明为桁架梁与立柱之间的连接提供了很好的思路。
              年,王亨、陈志华[26]提出了两种新型方钢管柱H型钢梁连接节点,分别是外肋环板式节点和隔板贯通式节点。对这两种节点形式进行了承载力分析,并以一栋六层建筑进行了试设计,表明这两种节点都能满足实际工程的需要且传力明确。2009年,同济大学李黎明,陈以一等[27]提出了一种新型外套管式节点,该节点主要针对方钢管柱与H型钢梁的连接,其具体构造为在方钢管柱上连接套筒,再通过连接件和螺栓将套筒和H型钢梁的上下翼缘相连。对该节点在拟静力试验的基础上进行了有限元分析,进行了多因素深入的研究,显示了其优良的性能。
              年,张梁和陈以一教授[28]总结了当前方钢管柱H型钢梁连接节点的几种常见形式,包括:内隔板节点、外隔板节点和梁端加劲节点,对比了这几种节点的优缺点和推广的可行性。简要介绍了铸钢节点的经济性,为工程设计人员在设计时选择节点形式提供了很好的依据。2011年,程定荣、徐忠根等人[29]研究了新型钢箱型柱与H型钢梁柱外传力节点,其典型的特征是摒弃了梁柱连接的横隔板,而是采用传力板实现梁柱之间的柱外传力。对该节点进行了单调加载下的非线性有限元分析,证实该节点的传力路径确实达到了柱外传力的目的,为后期更多的研究奠定了基础。早在2006年,同济大学硕士生庄磊[30]在其硕士论文中就对方钢管柱H型钢梁隔板贯通式连接节点进行了试验研究和有限元分析,并改变了该节点的几个关键设计参数对其进行了比较研究,得到了一些一般性的结论,对节点设计有一定的指导意义。虽然学者们对于方钢管柱与H型钢梁的连接节点作了许多的研究工作,也开发出了许多同类型的新型节点,但是总的来说,节点的构造还是稍显复杂,装配化程度还不够高。
              年,北京工业大学硕士研究生张晓哲[31]进行了钢结构装配式住宅构件标准化探究,指出了连接的重要性,认为连接是钢结构最受关注和需要解决的问题。
              对于连接的形式、变形、热工和防水问题作了详尽的研究。在节点形式方面,主要介绍了墙体与墙体、墙体与柱子、墙体与屋面板之间的连接,从建筑学的思路给出了节点连接的各种可行的形式,为装配式钢结构体系节点形式的具体研究提供了理论依据和思想源泉。
              年,哈尔滨工业大学的邵永松等[32]研究了钢框架梁柱的铸钢件连接节点。
              介绍了现阶段各种梁柱节点形式的优缺点以及铸钢件连接节点的优势。说明了铸钢件节点相比较传统梁柱节点具有形状尺寸设计自由、可变性和适应性强的特点;而相比较铸钢节点,其又具有价格较低的优势。因此,其在市场应用前景上还是很有潜力的。但是当前,铸钢件节点还只是用于特定的结构或场合,例如在大跨空间结构中经常用到该类节点,而在其他传统结构中,它的很多优势暂时还难以发挥,这限制了它的发展,但是随着我国铸钢技术的不断进步,不排除铸钢节点未来会有广阔的发展。
              年,清华大学的江磊鑫,郭彦林等[33]提出了一种新型装配式梁柱自锁节点,该节点主要用于方钢管混凝土柱和H型钢梁的连接,主要由摩擦抗剪件和蝶形卡组成,另外配套的连接件包括预紧螺栓、高强螺栓和自锁肩等。详细介绍了该节点的安装过程并对其力学性能进行了有限元研究,通过分析该节点具有良好的静力性能,适合于建造多层框架和临时性的建筑。该节点完全避免了焊缝操作,在装配化程度上达到了一定的高度,但对于该节点的抗震性能目前尚未研究,且其适用性限制了其在高层建筑中的发展与应用。
              年,理素杰等[34]针对高层钢结构梁柱节点抗震性能的优化问题,根据“强柱弱梁”的设计原理和有效控制塑性铰出现的位置的思路,认为采取带悬臂梁段的梁柱连接节点是提高节点抗震性能的好方法。对该节点进行了两组试验研究并进行了对比,试验结果表明,采用带悬臂梁段的梁柱节点形式确实可以控制塑性铰的形成位置,使其在接近拼接位置处出现塑性铰,且可以降低拼接焊缝破坏的可能性。
              年,王理军等[35]的钢结构别墅发明提供了一种方钢管柱与柱的拼接节点,下端的矩形方钢管柱通过外部套筒和螺栓与上层方钢管柱进行连接。2012年,孙建运,李国强等[36]介绍了矩形管柱拼接内套筒对穿螺栓拼接节点的连接形式,其与外套筒方法类似,但其不同点在于,该连接方式在实施过程中内套筒必须作为上柱或者下柱的一部分,且该方案采用的是对穿螺栓连接。这两种节点连接方案都很好地解决了矩形方钢管柱之间的拼接问题,但他们的问题同样突出,第一种方案的问题在于没有一个很好的方法处理螺栓在柱空间内的螺母,一种方法是预先将螺母点焊到柱子上,但是这样是否可行还是一个未知数;另一种方法是舍弃内部螺母,在螺栓孔上套丝,但该方法对于施工精度要求相当高,误差稍大可能造成无法拧上螺栓。第二种节点连接方案的对穿螺栓连接节点理论上没有问题,但是同样牵涉到施工误差的问题。
              年,王晓明等[37]提出了一种装配式墙体的连接方式及其连接方法,该连接将墙体做成企口式或断桥式,墙体内填充保温材料,可以很好地解决墙体的隔声和保温问题。对于装配式钢结构住宅围护结构的连接提供了很好的方式,可供借鉴。

              1.3.2 国外研究现状
              (1)装配式钢结构体系研究国外装配式钢结构住宅体系的发展主要开始于二战以后,当时世界各国尤其是发达国家都处于重建期,面对着资源匮乏的压力,钢结构住宅体系是一个节约资源的良好选择,且钢材具有承载力高、抗震性能优异等诸多优点,但也仅限于钢材产量比较高的发达国家。例如日本、美国和欧洲等。
              日本在钢结构住宅研究方面起步较早,目前日本的在建建筑中,钢结构占据左右。日本在钢结构住宅体系中已形成了区别于欧美的技术流派,其钢结构住宅主体技术取决于欧美,但在发展过程中逐渐形成了精益求精、用材节省的日本文化风格。由于日本本国的住宅同样受中国的影响比较大,因此木结构一直长期占据着其住宅的主流,早期的钢结构体系也在很大程度上沿袭了木结构的技术基础[2]。2004年,薛发[38]指出了日本钢结构体系的特点:跨度大,可形成大空间、设备管道与主结构相分离,便于检查与维修等。2005年,李国强[39]等分析了一套模数化的日本高层钢结构住宅体系,该体系将主体结构和居住建筑相分离,主结构是钢箱型柱、H型钢柱和钢支撑组成的纯钢框架结构,主结构只承受荷载,不参与建筑构成,实现了模数化设计,并提出了施工方法。该体系是装配式钢结构体系的创新,具有很好的参考价值。
              美国的工业化建筑之路深受包豪斯建筑学派的影响,其理论方法、教学方式极大地促进了美国住宅的标准化[2]。在美国钢结构住宅领域,低层住宅如别墅主要采用轻钢结构体系,稍高的住宅则主要采用当前比较流行的交错桁架体系。据了解,轻钢结构在美国发展最快,早在2000年美国的住宅中就有75%是轻钢结构体系[38]。
              欧洲的钢结构住宅体系发展也较快。英国发展钢结构住宅的最大原因是其建造速度快,其轻钢结构体系包括板式拼装、轻钢结构与板材分阶段拼装、单元式(modularbuilding)、混合式等几种方式,其中单元式是发展最快的一类[2]。意大利开发的是一种所谓的BASIS工业化建筑体系,结构为框架支撑结构形式,该结构在当时属于新颖一类。法国也进行过钢结构装配式住宅的尝试,使用的大多是框架结构或者板柱结构,并且开发了集合了建筑、结构、围护和管道等多方面的系列软件[39]。
              在体系方面,学者也认为,欧美形成了所谓的“欧美流派”,始终以满足消费者需求为己任,讲究简单实用以及商品化,在这一点上,欧美等发达国家走在了世界的前列,他们的住宅早已实现了消费者订购购买的模式。
              此外,国外对于盒子体系也早有研究,盒子的装配化程度更高,其中国外钢结构盒子占据总量的30%,主要是框架式和薄壁式。日本也研究了骨架盒子体系,该体系又叫做CUPS体系,以钢框架作为空间承重,盒子“镶嵌”于空间中,只受自重作用。
              (2)装配式体系连接研究年,YujiKoetaka等[40]研发了一种柱弱轴连接的梁柱节点形式,梁的上翼缘通过螺栓与柱相连,下翼缘则通过设计的阻尼器相连。对其受力性能进行了试验研究。该节点形式装配化程度高,受力性能好,而且构造简单,很有借鉴意义。
              年,开发了一种新型钢框架梁柱节点,该节点通过焊接在方钢管四个角棱上的四块处于方钢管对角线平面上的垂直连续板插入梁端部开槽中进行连接,对其受力性能进行了试验及有限元分析,试验研究表明,该节点的转角超过了0.06rad,达到了刚性节点的要求;使用有限元对其进行了变参分析,深入分析了其传力机制和节点板性能。节点构造新颖且刚度充足,对于节点的装配化提出了新的思路,但缺点是构造复杂,且现场要进行大量焊接工作。
              年M.R.Shiravand,A.Deylami[43]研究了一种新型方钢管柱、H型钢梁通过多块端板连接的节点,该节点的柱是由两个工字型钢通过两端翼缘的两块钢板形成一体,并通过该端板与梁连接,该节点刚度充足但构造过于复杂且现场需要大量施焊,不满足装配式节点的要求。
              1.3.3当前研究存在的不足
              虽然当前国内外对装配式钢结构体系及其连接做了很多的工作,然而依旧存在很多的不足。
              在国内研究领域,虽然各企业都做了很多的努力,也取得了很多成就,但依然存在很多问题:例如远大集团虽然开发出的装配式体系装配化程度很高,且应用到实际中也做了很多标志性的建筑,但是其很多计算结果达不到规范的要求,即很多成果都是超限设计,这也是为什么其世界第一高楼的梦想到现在都没有实现的原因;其次其围护墙板采用嵌入型,现场拼接过多,墙板之间的连接缝隙不好处理,热工和隔声等问题一直是困扰远大的一大弊端。山东莱钢的装配式建筑在实际中出现墙体裂缝渗水、墙体连接件不满足变形要求等情况。北新集成房屋和杭萧钢构的钢结构房屋则都是比较传统,其结构体系和连接方式都不满足装配化的要求,现场焊接也比较多,不利于其发展。然而,就装配化程度而言,除了远大以外,其余企业并没有实现真正意义上标准化和产业化。在连接节点上,学者的主要目光还是集中在对于传统连接节点的改进上,新型节点形式研究不多。
              国外在住宅工业化和标准化方向比国内领先许多,尤其以美国的轻钢结构住宅最具典型。但是国外的装配式钢结构体系也有局限性。拿美国的轻钢结构体系来说,虽然其发展现已相当成熟,也达到了高度的标准化,但是该结构体系自身的局限性限制了其适用性只能是低层独立别墅等,对于多、高层建筑则望尘莫及。
              此外,当前的国外钢结构体系也没有充分考虑建筑、结构、水暖电等各专业的融合,各专业还是处于分离阶段,没有一种体系可以将各专业融合起来,实现装配化程度质的飞跃。在节点连接方面,新型节点形式也出现不多,一些新型的节点形式,有的构造复杂,有的则需要大量现场施焊,现场工作量很大,距离我们提倡的装配式钢结构体系要求较远。
              针对当前国内外关于装配式钢结构体系的研究现状,我们必须融各家之所长,在标准化、产业化的道路上继续努力,以绿色环保为原则,开发出装配化程度高、适用性强、综合经济效益好、绿色环保的新型装配式钢结构体系,促进我国建筑产业化向前发展。

              1.4 本文的主要研究内容
                  本文在分析国内外装配式钢结构体系研究现状的基础上,首先提出了一种新型装配式钢结构体系—墙板装配式钢结构体系。运用有限元软件ABAQUS对该体系二维平面承重骨架进行受力性能研究,并采用MIDAS/Gen软件对三维空间模型进行静力弹塑性pushover分析。具体研究内容如下:
              (1)首先对墙板装配式钢结构体系进行介绍,对其开发过程进行简单描述,说明其主要原理、营造方式及关键节点构造,主要说明该体系具有的各方面优势。
              (2)以简化的平面二维承重骨架模型为研究对象,用有限元软件模拟其在低周反复荷载作用下的受力性能,以此研究体系的承载力、刚度、延性和破坏模式等,评价其抗震性能。改变柱壁厚,研究不同柱壁厚对其受力性能的影响。
              (3)以MIDAS/Gen软件建立体系的三维模型,对其进行静力弹塑性分析,进一步研究体系的抗震性能;并与纯钢框架对比,比较二者的用钢量、承载力、抗侧刚度等。
              (4)以华清集团办公楼作为墙板装配式体系的试点项目,对该项目进行简单介绍。利用Midas软件对该办公楼进行设计,绘制结构施工图。以此试点工程检验墙板装配式体系的实际可行性和适用性。

              本文由 安徽钢结构平台 整理编辑,节选自《墙板装配式钢结构体系抗震性能有限元研究》绪论部分。
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