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工业化装配式高层钢结构建筑探究

发布时间:2014-4-27                点击数:2960

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7亿吨的世界第一产钢大国,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,在保证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,最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软件进行了最大工况荷载的精细有限元分析,共划分了100万单元,采用高性能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,桁架腹杆首先进入屈服,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。

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