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工业化装配式高层钢结构建筑探究(一)

来源:中国钢结构协会   发布时间:2012-11-30   被阅读4204次

 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EtabsMidas/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EtabsMIdasSap2000有限元相同工况的结果进行了对比,ANSYSEtabsMIdasSap2000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ansysABAQUS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。(待续)

  张爱林 刘学春

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