新型装配式钢桁架高层结构体系的理论分析及试验探讨

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论文字数:62021 论文编号:sb2022030317002944462 日期:2022-03-10 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文选取跨度 18m 桁架结构体系作为基本模型,通过改变下弦杆两端连接方式、角柱支撑、桁架梁的跨高比和桁架梁的形式,分析模型在地震下的刚度、变形、内力、破坏模式、耗能能力变化。结果表明,桁架下弦杆两端取消弹性连接,结构刚度提高最明显,但结构内力增大,桁架梁在大震下只能通过桁架梁塑性铰耗能,桁架的破坏程度严重,而弹性连接具有良好的耗能能力,减小了桁架梁的破坏程度;角柱支撑的设置对改善结构振型形状、变形起着重要作用;桁架梁的跨高比减小,一定程度上可以提高刚度,减小变形,减小桁架内力;桁架梁的形式对结构刚度几乎没有影响,但 M6 的桁架梁取消竖腹杆后内力减小,减小了桁架梁的破坏程度,同时,减小了用钢量。

第 1 章   绪论

1.1 选题背景和意义
对于钢结构来说,首先钢结构建筑是绿色建筑,钢结构施工是绿色施工,工业化程度高,施工周期短、现场用工少、劳动生产率高,而且品质易保证;施工占地少,可干式施工,节约用水,产生的噪音小、粉尘少;钢材可回收利用,减少建筑垃圾和环境污染;钢结构是民生行业,自重轻、强度高、塑性好,使建筑的高度和跨度得以不断突破,建筑的可利用空间更大,且抗震性能优越;同时钢结构又是朝阳行业,我国建筑钢结构的用钢量仅占钢产量的 4%,而发达国家这一比例已超过 30%,我国钢结构建筑在全部建筑中所占比重不到 5%,而发达国家则超过 50%[1]。
装配式钢结构建筑的特点为:标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修,信息化管理,现已成为欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家建筑的重要形式,将成为未来中国建筑发展的主要形式之一[2-4]。2016 年 2 月 6 日,国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》,要求积极推广应用绿色新型建材、装配式建筑和钢结构建筑。力争用 10 年左右时间,使装配式建筑占新建建筑比例达到 30%[5]。
2020 年,我国新开工装配式建筑共计 6.3 亿 m2,较 2019 年增长 50%,占新建建筑面积的比例约为 20.5%。我国装配式钢结构建筑 1.9 亿 m2,较 2019 年增长 46%,占新开工装配式建筑的比例为 30.2%。其中,新开工装配式钢结构住宅 1206 万 m2,较 2019年增长 33%。装配式钢结构体系的典型代表是模块化建筑体系,可以实现全工厂化生产[6],如“火神山”医院,建筑面积 3.39 万 m2,10 天完成建设[7];“雷神山”医院,建筑面积 7.99 万 m2,15 天完成建设[8],火神山、雷神山医院的主体采用轻钢结构搭建,病房是使用特殊型钢焊接而成的标准模数箱式房[9],结构简单,安装方便快捷,为新冠肺炎疫情防控工作发挥了重要作用。
全国住房和城乡建设工作会议提出了2021年工作总体要求和重点任务。明确指出,要积极推广装配式钢结构等新型建造方式,完善装配式建筑标准体系,推动装配式建筑全产业链协同发展,逐步提高装配式建筑在新建建筑中的比例。在“国家政策+行业标准”的双轮驱动下,我国钢结构行业迅速发展,有力推动建筑业转型升级,尤其是在实现“建筑产业化”的道路上有着良好的基因与广阔的前景。
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1.2 装配式钢结构体系的研究进展
(1)国外的研究进展
国外的钢结构建筑产业化主要集中在低层装配式钢结构[13, 14],比较典型的体系有澳大利亚冷弯薄壁轻钢结构体系、意大利 BSAIS 工业化建筑体系、美国的 LSFB 轻型钢框架建筑体系、日本给水住宅株式会社的 Sekisui 和 Toyota Homes 住宅体系等[15]。多层装配式钢结构建筑体系有美国的 Kaiser Bolted Bracket 和 ConXtech 体系。高层装配式钢结构建筑体系有日本的巨型钢结构住宅体系[16]。
围护结构方面:美国多种类的石膏板;英国的石棉硅钙板;日本的石棉水泥板、蒸压硅钙板、玻璃纤维增强水泥板[17];德国、芬兰的空心轻质混凝土墙板。
(2)国内的研究进展
我国装配式建筑体系不断发展创新,相应的体系类型有钢框架、框架支撑、框架剪力墙、框架核心筒、模块化建筑等,另外与装配式建筑相适应的围护结构也在快速发展。
1)框架结构
李江东[18]通过长螺栓孔设置,提出了可变梁高装配式梁柱节点,通过试验研究和数值模拟,验证了节点满足承载能力要求和具有优越的耗能能力。
卢俊凡、郝际平等[19]对 Con XL 节点的螺栓间距和位置进行重新布置,通过有限元分析结果证明该节点具有优越的抗震性能和耗能能力。
2)框架支撑结构
王伟等[20]针对分层装配式支撑钢结构研制了新型套筒-扁钢支撑,通过往复加载试验和模型验证了其抗震性能,提出了承载力计算式。
杨强跃等[21]介绍了杭萧多高层钢结构住宅体系构成要素及制作工艺,通过工程实例证明新体系的性能良好。实际应用项目有厦门帝景苑、万郡大都城。
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第 2 章   结构体系抗震性能的理论分析

2.1 总体构想
本章将平面桁架运用于大型商场、办公楼、写字楼等大空间建筑。新构想体系的特色有四点:
(1)平面桁架的跨度达到 12m、18m; (2)高强度钢材 Q420 的应用; (3)用钢量比传统钢框架结构低; (4)节点全部采用高强度螺栓、无焊缝,实现了 100%的全装配。
新构想的装配式钢桁架结构体系成功应用于太原某典型示范办公楼工程。新体系的构成如图 2-1 所示。
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2.1.1 建筑方案
(1)平面设计
传统的办公楼多为剪力墙结构,很大程度上会以房间的开间为平面设计要素。采用钢框架结构,平面设计以柱网为设计要素,当柱网布置合理时,可为钢梁等构件的标准化提供条件。钢结构建筑平面设计应遵循模数协调的原则,即满足《建筑模数协调标准》GB/T50100 的相关规定。模数协调的应用,有利于协调建筑空间和建筑部件的尺寸关系,有利于建筑部件的定位和安装[66],是推进建筑工业化发展的基础。
办公楼的大空间可根据使用功能,采用轻质隔墙灵活隔断,符合建筑的可持续发展理念。平面形状应该尽量规则,减少凹凸变化,从而保证结构的安全,也更好的满足结构的抗震要求,相对于平面不规则建筑可以提高经济性。
根据办公区的最大跨度不同,本文共提出了两种建筑平面尺寸,分别为 48m×48m、60m×60m。办公楼根据功能不同,从外到内分为三个区域,依次为办公区、走道区、楼电梯及辅助用房区,两种建筑方案的区别只有办公区的跨度不同,其他两个区的平面大小尺寸完全相同。
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2.2 跨度 12m 桁架结构体系的抗震性能分析
2.2.1 模型的建立
根据确定的建筑与结构方案,通过 Midas/gen 软件建立办公区最大跨度为 12m 的结构方案的模型。模型假定:1)首层柱脚固结,作为嵌固端;2)忽略结构因温差引起的温度应力;3)结构无初始缺陷和变形;4)在结构分析时,采取了刚性楼板假定。最终确定的结构构件截面尺寸列于表 2-4。模型如图 2-6 所示。根据上下弦杆的截面,桁架梁的总高为 1200mm。 
剪重比,在规范中称作剪力系数,为结构任一楼层的水平剪力与该层的重力荷载代表值的比值,规范根据基本周期给出了下限值,即楼层最小地震剪力系数值。当结构基本周期比较大,采用振型分解反应谱法计算时,地震影响系数取值可能偏低,导致计算出的地震作用偏低,因而提出了剪重比,保证楼层具有一定大小的水平地震剪力值。根据《建筑抗震设计规范》GB50011,基本周期小于 3.5s,8 度 0.2g,结构任一楼层的剪重比不应小于 0.032[73]。
结构的钢构件类型有桁架梁、实腹梁、柱、角柱支撑。根据本文确定的荷载基本组合情况,柱单元的最大的轴力设计值(Fx)、双向水平剪力设计值(Fy、Fz)、扭矩设计值(Mx)、弯矩设计值(My、Mz)如图 2-8 所示。每层桁架梁主要承担本层竖向力,受层数变化的影响比较小,结构在第三层的层间位移角最大,选取第三层的桁架梁作为内力分析对象,就近似可以代表桁架梁的最大内力,上弦杆的最大的轴力设计值(Fx)、水平剪力设计值(Fy)、竖直剪力设计值(Fz)、扭矩设计值(Mx)、强轴弯矩设计值(My)、弱轴弯矩设计值(Mz)如图 2-9 所示,下弦杆的相应内力包络值如图 2-10 所示。
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第 3 章   钢桁架结构体系抗震性能的影响因素分析 ................................... 63
3.1 下弦杆弹性连接的影响 ................................... 63
3.1.1 多遇地震下的影响分析 .................................63
3.1.2 罕遇地震下的影响分析 ......................... 66
第 4 章   钢桁架构件及节点的足尺试验研究 ................................... 87
4.1 前言 ............................................... 87
4.2 试验方案 ......................................... 87
第 5 章   结论及展望 ........................... 101
5.1 结论 ....................................... 101
5.2 展望 ...................................... 102

第 4 章   钢桁架构件及节点的足尺试验研究

4.2 试验方案
4.2.1 试验设计
试件形状:十字形。梁柱的长度取决于反力架的孔位、反力装置的承受能力、千斤顶的吨位与行程。柱高为节点到反弯点的距离、梁长为梁跨度的 1/3。
加载方式:常用的框架节点试验有梁端加载[82]和柱端加载[83, 84],如图 4-1 所示。本试验采用梁端加载,梁两端的力以节点反对称形式施加。
加载顺序:通过千斤顶向柱施加指定轴力,接着通过梁端作动器施加反对称荷载。 
土木工程论文参考
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梁端加载模式:以梁端位移控制进行单调加载和滞回加载。单调加载即在梁两端逐级施加单向反对称荷载;滞回加载即在梁两端施加反对称竖向低周往复荷载,每级荷载循环 1 次。两种加载模式每一级的位移增量均为 5mm,加载直至试件发生破坏。
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第 5 章   结论及展望

5.1 结论
装配式钢结构建筑是国家大力推广的发展主流。本文依托国家自然科学基金项目(51578357)的支持,通过理论分析和试验研究,得到的结论如下:
(1)在大量文献资料的基础上,介绍了国内外装配式建筑的发展、办公楼的设计案例以及现有桁架体系的研究进展。
(2)提出了一种装配式钢桁架高层结构新体系,该体系主要采用方钢管柱与平面桁架梁,为了避免结构过早出现扭转,在最外侧角柱设置支撑。体系的主要特色和创新点为:1)高强度钢材 Q420 的应用;2)平面桁架的跨度达到 12m、18m,适用于于办公楼、大型商场、写字楼等大空间建筑;3)与传统钢框架结构相比,用钢量明显降低;4)节点采用高强度螺栓连接,实现全装配。新体系成功应用于太原某办公楼示范工程,显示出该体系的综合优势尤其是符合现代化的建筑空间需求。
(3)针对新型装配式钢桁架小高层办公楼,借助通用结构分析软件 Midas/gen 建立了办公区跨度 12m 新型钢桁架结构体系、跨度 18m 新型钢桁架结构体系、跨度 12m 传统实腹钢梁结构体系、跨度 18m 传统实腹钢梁结构体系的三维整体模型。分析了结构体系在多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能,结果表明新型钢桁架结构体系的抗震性能满足规范要求,具有良好的抗震性能。同时桁架梁实现了将弯剪受力状态转化为轴心受力状态,通过上下弦杆的空间高度获得了较大的抗弯刚度。
(4)从用钢量的角度,在最大跨度 12m 时,采用桁架梁比实腹梁的结构单位面积用钢量低 20.52%,在最大跨度 18m 时,采用桁架梁比实腹梁的结构单位面积用钢量低28.67%,说明结构跨度越大,桁架梁比实腹梁的经济性越高。
(5)选取跨度 18m 桁架结构体系作为基本模型,通过改变下弦杆两端连接方式、角柱支撑、桁架梁的跨高比和桁架梁的形式,分析模型在地震下的刚度、变形、内力、破坏模式、耗能能力变化。结果表明,桁架下弦杆两端取消弹性连接,结构刚度提高最明显,但结构内力增大,桁架梁在大震下只能通过桁架梁塑性铰耗能,桁架的破坏程度严重,而弹性连接具有良好的耗能能力,减小了桁架梁的破坏程度;角柱支撑的设置对改善结构振型形状、变形起着重要作用;桁架梁的跨高比减小,一定程度上可以提高刚度,减小变形,减小桁架内力;桁架梁的形式对结构刚度几乎没有影响,但 M6 的桁架梁取消竖腹杆后内力减小,减小了桁架梁的破坏程度,同时,减小了用钢量。
参考文献(略)

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