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工业化装配式高层钢结构建筑探究

时间:2012-12-24 21:42

建设报编者按:长期以来,北京工业大学副校长张爱林坚持理论和实践相结合,主持或参加了国家攀登计划、国家自然科学基金重点项目、科技奥运专项项目、重大钢结构工程研究等60余项科研项目,并主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》,参与编制了国家标准《钢结构设计规范》的修订工作,其多项发明专利已应用在我国重大工程上。远大是生产中央空调设备的知名企业,2012年初,远大可建科技有限企业(以下简称远大可建)用15天建起了一栋30层的塔式酒店曾引起轰动。为使远大可持续建筑更加完善,应远大可建的邀请,张爱林及他的团队于20111018日进驻湖南省长沙市远大城对远大可建的装配式住宅进行了相应的调查、分析、研究、试验……2012年10月17,湖南省住房和城乡建设厅就远大可持续建筑召开项目阶段性成果评审会。出于对《中国建设报》的信任,张爱林日前将其完成的远大可持续建筑阶段性工作汇报交给编者。本报将分两次连载张爱林、刘学春所著《工业化装配式多高层钢结构建筑探究》,敬请关注。

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ca88十二五发展规划,是国家支撑的钢结构创新技术。

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,汲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企业委托,联合远大科技集团、中国建筑科学研究院、湖南大学、远大可建科技有限企业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AppEtabsMidas/GENSAP2000ANSYS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EtabsMidas/GENSAP2000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App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ANSYSApp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EtabsMIdasSap2000有限元相同工况的结果进行了对比,ANSYSEtabsMIdasSap2000App分析结果差别较小,分析结果得到了互相验证。同时,采用ansysApp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EtabsMIdasSap2000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ansysABAQUSApp,建立反映实际结构受力的空间杆系有限元模型,根据设计App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。

3)柱子承载力分析

远大可建工业化装配式体系的柱子在上下节点处受斜撑的约束,斜撑减小柱子上下端的端弯矩,同时减小柱子的计算长度,需要对其进行详细的分析以获得该柱子的受力特性。采用ANSYS有限元分析App,分析了结构中典型的三种柱子形式受力特性,在遇到8度多地震烈度结构整体分析最不利组合工况下,三撑柱的极限承载力是设计荷载的2.78倍;双撑柱的极限承载力是设计荷载的2.3倍;角柱的极限承载力是设计荷载的1.93倍。柱子满足设计要求,且具有足够的安全储备。

4)主板承载力分析

该体系主板由桁架梁和压型钢板楼板组成,压型钢板轻而薄;桁架梁弦杆由冷弯槽型钢组成,腹杆由中间无连接的双角钢组成,属于轻钢结构。需要研究主板的承受竖向荷载和水平荷载的能力。采用大型通用有限元AppANSYS建立主板框架有限元实体模型,模拟主板框架细部受力情况,获得了主板的极限承载能力和破坏机理,并与前述EtsabsSap2000Midas对整体结构有限元分析结果进行校核、验证。运用大型通用有限元AppANSYS对主板框架竖向、侧向极限承载能力进行非线性分析,研究了初始缺陷对结构受力性能及破坏特征的影响。通过对比分析,认为初始缺陷对主板框架模型受力性能影响很小,可不予考虑。通过分析位移、应力等结果数据,认为本结构满足抗震设防烈度为8度时的弹性受力要求,斜撑外边上弦杆和腹杆在设计荷载组合工况下均处于弹性受力状态,离弹塑性阶段较远,拥有良好的承载能力和安全储备能力。

5)框架承载力分析

该体系框架由槽钢、角钢组成的桁架梁、槽钢斜撑组成,与传统框架结构不完全相同。需要对其进行理论分析和有限元模拟,以获得其受力性能和破坏机理。采用ANSYS通用有限元分析App对单榀框架模型和两榀框架模型进行有限元分析,在给定的设计荷载的作用下,通过分析单榀框架结构的荷载位移曲线以及应力变化情况,认为此结构可以承受设计App给出的设计荷载,并基本处于弹性阶段,设防烈度达到抗震设防烈度8度的弹性受力要求。同时,在极限承载力的研究中,结构的延性得到了充分的发挥,塑性铰首先出现在梁上,满足强柱弱梁,强节点弱构件的设计要求。

6)节点连接设计与试验

该体系节点为焊接和螺栓连接,焊接工作全部在工厂车间焊接,能够确保焊接质量,其连接计算可以按照现有规范方法进行计算。现场拼接全部为螺栓连接,螺栓连接为在连接板上直接攻丝以代替螺母,为了验证攻丝的强度,进行了螺栓的拉拔试验,在整个试验过程中连接板的螺纹没有屈服破坏,螺栓没有拔出,抗拔力远远大于高强螺栓的抗拉强度,满足受力要求。进行了梁柱螺栓连接的强度试验,并推导了梁柱连接的刚度,节点在达到设计荷载时,均未有测点出现屈服,梁柱节点满足设计承载力及刚度要求。进行了柱-柱的法兰连接试验,整个试验过程法兰连接面没有滑移、松动、分离等现象,其满足设计强度要求,极限荷载下破坏位置在法兰连接两侧,不在法兰处,其连接可以按照刚性连接计算。

运用大型通用有限元AppANSYS对从整体结构中分离出来的4个不同构造形式的单榀一层两跨框架模型进行实体有限元的精细分析,并进行了原尺寸的框架试验。有限元分析与试验结果进行对比分析,计算分析与试验研究互相验证。试验了两种框架,第一种模型:柱子通过斜支撑与两侧主梁相接,简称全撑框架;第二种模型:柱子通过斜支撑与单侧主梁相接,简称单撑框架。试验模型的实体有限元分析、整体模型的杆系有限元分析与设计和模型试验结果吻合,通过有限元分析和模型试验获得了框架的设计承载力、极限承载力和破坏机理。其破坏机理为斜撑外的桁架梁腹杆先屈服,斜撑外侧的桁架梁弦杆后屈服,柱子和节点不屈服。保证了强柱弱梁、强节点弱构件。在设计承载力下,框架不屈服,应力比低于设计强度,满足规范的设计承载力、极限承载力要求。同时,采用SAP2000ETABSApp的对试验模型进行了设计,通过与SAP2000ETABSApp的规范设计结果对比分析,证明可以采用此App进行该结构体系的设计工作。

7)单榀框架理论分析与试验

8)钢构件防腐技术研究

本项目研究调研了国内外钢结构防腐的措施,并进行了对比分析。引用了各种防腐措施的试验报告和工程实例。通过对比分析,最终确定了该体系的防腐措施为冷镀锌防腐。

9)舒适度计算

高层建筑物在风荷载作用下将产生振动,过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适。按照JGJ99-98《高层民用钢结构建筑钢结构技术规程》第5.5.1条做出如下规定:进行了体系在风荷载作用下的顺风向和横风向顶点最大加速度的计算,结果满足设计要求。

按照《高层民用建筑钢结构技术规范》7.8.3中给出关于楼板舒适度的具体要求和《高层混凝土结构技术规程》中关于楼盖舒适度的有关规定,分别用理论计算和有限元分析两种方法进行竖向自振频率计算,进而进行楼板舒适度分析,其舒适度满足要求。采用ABAQUS有限元App进行了楼梯的舒适度分析,其舒适度满足要求。该结构构件加工工厂化,连接采用高强螺栓,工地现场拼装,加工、安装方便快捷,显著节省工期。该结构体系新颖,受力合理,承载能力高,显著降低结构用钢量,适用于多高层钢结构,符合绿色建筑的要求,机遇良好,具有广阔的发展前景和应用价值。

项目组将在已有工作基础上,更系统、更深入地展开研究,推进我国多高层钢结构体系创新和房屋钢结构产业化。

(来源:中国建设报2012-11-272012-12-03,编辑:张爱林 刘学春)

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