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墻板裝配式凯时娱乐官网體系抗震性能有限元研究
專業:建筑與土木工程碩士生:張楠楠指導教師:郝際平教授

摘要
裝配式凯时娱乐官网體系是近年來國內外研究較多的熱門課題。相較于傳統的混凝土、砌體結構,裝配式凯时娱乐官网體系具有巨大的優勢,它施工速度快、現場濕作業少、便于實現工業化和標準化、質量易控制、可降低成本且綠色環保,這些特點使得它在未來建筑中具有巨大的發展潛力。但是,當前國內外對于裝配式凯时娱乐官网體系的研究仍然有很大不足,主要體現在標準化程度還不夠高、適用范圍較小、資源浪費等,無法實現真正意義上的標準化、產業化以及綠色環保的要求。
因此,本文在總結國內外研究的基礎上,提出了一種新型墻板裝配式凯时娱乐官网體系,該體系由組合式受力墻板、非受力墻板以及一體化樓板組成,具有部件標準化生產、集成化程度高、現場無焊接操作、綜合經濟效益好等優點。它能最大程度地滿足工業化生產的要求且綠色環保,為我國住宅產業實現“快、好、省”的目標提供借鑒。
為了將墻板裝配式凯时娱乐官网體系推廣應用,本文對其抗震性能進行研究,首先利用ABAQUS軟件對其承重骨架的二維簡化模型進行循環加載下的有限元分析,得到了其承載力、滯回性能、剛度、延性和耗能能力等。研究了不同柱壁厚(6mm、、10mm)對于骨架受力性能的影響。研究表明,二維模型在循環加載下表現出良好的滯回性能和耗能能力,隨著柱壁厚的增加,骨架的承載力提高且破壞模式更加合理。
同時,為了研究墻板裝配式凯时娱乐官网體系在罕遇地震作用下塑性破壞機制,利用MIDAS/Gen軟件對其6層三維結構進行靜力彈塑性pushover分析,并與純鋼框架體系進行對比。分析表明,墻板裝配式凯时娱乐官网體系在罕遇地震作用下層間位移等均滿足規范要求,塑性鉸出現的位置合理,符合大震下“強柱弱梁”的抗震設計要求。在用鋼量相同的情況下,它比純鋼框架抗側能力更強,變形更加合理且塑性鉸開展得更加均勻且充分。
最后,以華清集團辦公樓為試點工程,介紹了墻板裝配式凯时娱乐官网體系在實際工程中的應用,從結構布置、結構計算和施工圖繪制方面闡述了墻板裝配式凯时娱乐官网體系應用于實際的可操作性。

關鍵詞:墻板裝配式凯时娱乐官网體系;有限元分析;抗震性能;靜力彈塑性分析;試點工程
本課題基金項目:住房與城鄉建設部科學技術項目(2012-K2-17);陜西省“13115”科技創新工程重大科技專項基金項目(2009ZDKG-66)。

緒論
1.1選題的背景及課題來源
1.1.1選題背景
十七屆三中全會以來,國家大力提倡新農村建設,伴隨著新農村規劃、建設等的問題日益突出。所謂“新”,不僅僅指文化、風貌方面等的精神世界的“新”,我們的衣食住行等物質方面的追求也應當且必須煥然一新。這其中當然包括住宅方面的創新,包括住宅體系和營造方式的創新。有鑒于此,有必要在新農村建設的大環境下對農村住宅建筑進行系統和深入的研究,在符合我國可持續性發展的戰略要求下,構建適應新形勢的新農村住宅體系營造新方法和新技術。其次,近年來我國發生的汶川、玉樹等地震災害造成了住宅的大量破壞,反映出當前我國住宅的安全性能嚴重不足;而對于災后的重建工作,目前還只能依賴帳篷、活動房屋等方式,雖然速度較快,但居住質量差的缺點也會對災民原本受傷的心靈再一次造成落差。在這樣的背景下,裝配式凯时娱乐官网住宅將發揮其無可比擬的優勢。
當前,我國的住宅建筑主要還是以磚混結構、混凝土結構為主,磚砌建筑的弊端很多,其最主要的缺點是抗震性能差和浪費資源。混凝土建筑雖是現代建筑結構的主流,且早已形成一條完整的市場產業鏈,但其缺點是施工速度慢、施工現場亂、且經常伴隨資源浪費。在大力倡導綠色建筑的今天,傳統意義上的建筑類型顯然不能滿足住宅綠色、環保發展的需要。
在商品化的時代,未來的建筑也必然會走向商品化的道路。住宅商品化要求住宅具有更高的質量、更快的建設速度;這就要求建筑物的營造決不能再像以往那樣大多在現場完成,必須形成一條住宅標準化和產業化的道路,住宅產業化要求用工業化生產的方式建造住宅,主要是指預制構件在工廠加工完成,現場只需進行少量的操作即可,其目的是提高勞動生產率。工廠完成整個房屋70%甚至以上的工作,現場的工作量被壓縮到30%或者更低,這樣將極大地節約人力、物力。
裝配式凯时娱乐官网住宅將是住宅產業化發展中的中堅力量。
裝配式凯时娱乐官网住宅在新農村建設、綠色環保以及住宅產業化的進程中具有得天獨厚、巨大的優勢。目前,我國的鋼材產量遙遙領先,位居世界第一,如今年產量已突破10億噸,鋼材數量、種類和質量均充分滿足凯时娱乐官网住宅建設的需求。
近年來,作為一種綠色環保的建筑形式,裝配式凯时娱乐官网建筑已被建設部列為重點推廣項目。建設部先后開展了30多項關于凯时娱乐官网住宅的課題研究項目,興建了許多試點工程[1]。與此同時,許多高校和企業也紛紛加入到了裝配式凯时娱乐官网住宅關鍵技術的研究行列。2011年裝配式凯时娱乐官网民用建筑產業技術創新戰略聯盟成立,聯盟成員包括同濟大學、中國建筑科學研究院等23家高校和科研單位,聯盟組織研討會討論確定了開展裝配式凯时娱乐官网住宅技術創新的目標以及開發裝配式凯时娱乐官网住宅體系關鍵技術的合作和分工。為裝配式凯时娱乐官网住宅的發展與研究再次鋪平了道路[2]。
1.1.2 課題來源
西安建筑科技大學郝際平教授帶領的凯时娱乐官网科研團隊聯合住房與城鄉建設部科學技術項目(2012-K2-17)、陜西省“13115”科技創新工程重大科技專項基金項目(2009ZDKG-66),以裝配式凯时娱乐官网住宅為研究對象,依托西安建筑科技大學在建筑、結構、環境、材料等多個國家重點學科的強大的科研能力和云南昆鋼凯时娱乐官网有限公司強大的凯时娱乐官网加工、制作能力,開展裝配式凯时娱乐官网住宅體系關鍵技術的研發工作。其目的主要有以下三點:(1)開發出適合新農村建設和災后重建工作的新型裝配式凯时娱乐官网住宅體系,使其在結構構造和營造方式上具有獨特的優勢;突出新農村建設的“新”和災后重建工作中需要的住宅營造快速、使用方便的特點,同時不會對災民的心理造成落差。(2)建筑領域是全球能耗最大的領域之一,同時也是二氧化碳等溫室氣體排放的重要來源之一,在可持續發展和全球氣候變暖的大背景下,必須提倡低碳環保的綠色建筑[3],努力使得未來建筑無論從材料選擇還是營造方式上都能達到環境友好的目的。這也是本課題所要探索和解決的問題之一。(3)擺脫傳統住宅現場施工速度慢、資源浪費的特點,推動住宅建筑向著產業化方向發展。住宅產業化的概念最早是由日本提出來的,其含義是采用工業化的生產方式生產住宅,以提高勞動生產率和降低成本。建筑產業化的基本特征:設計標準化、生產工廠化、施工機械化、組織管理科學化[4]。將住宅納入到商品的范疇,住宅部品在工廠生產,用戶以商品的形式訂購住宅,這種模式已經在日本等發達國家流行多年——叫做“住宅超市”。目前,我國關于“住宅超市”的發展還只是停留在概念階段,與歐美、日本等發達國家相比落后較多,住宅的產業化和商品化道路還有很長的路要走。本課題也是試圖在住宅的產業化道路上多做努力,為我國實現住宅產業化貢獻一份力量。

1.2 研究的目的和意義
1.2.1 混凝土裝配式住宅的類型及其缺陷
當前混凝土裝配式房屋的類型可按結構類型和施工工藝兩個方面劃分:
按照結構類型可以分為:框架結構、框架剪力墻(核心筒)結構和剪力墻結構。按混凝土工程的施工工藝來劃分,諸如預制裝配(全裝配)、工具式模板機械化現澆(全現澆)或預制與現澆相結合等。全裝配一般用于低層或者對于抗震設防要求較低的建筑,部分裝配一般指主要結構構件在工廠預制,現場通過現澆混凝土的方式達到連接目的。通常按結構類型與施工工藝的綜合特征將裝配式建筑劃分為以下類型: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]。
雖然目前預制裝配式混凝土結構的研究和應用取得了一定的進展,但是混凝土結構不同于凯时娱乐官网,其在發展裝配式建筑時具有明顯劣勢,在關鍵連接技術的處理上,仍需要現場大量的濕作業以保證結構的整體性;其在應用中還存在關鍵技術不完備、不系統、標準化,無法成規模地進行生產和推廣。其次,混凝土結構屬于傳統建筑結構,利用混凝土結構很難在營造方式和結構體系上進行創新。
再次,混凝土結構屬于資源消耗比較多的一種結構形式,這與我們所提倡的低碳、綠色建筑相違背。
1.2.2 裝配式凯时娱乐官网住宅的類型及優勢
當前裝配式凯时娱乐官网住宅從體系上可以分為五種:輕型冷彎薄壁型鋼體系、鋼框架體系、鋼框架—剪力墻體系、鋼框架核心筒體系、交錯桁架結構體系[6]。
冷彎薄壁型鋼住宅在北美應用較多,目前已經達到商品化生產的程度。該體系以冷彎薄壁型鋼作為結構的受力骨架,以自攻螺釘連接節點的鉸接體系[6,7]。其優點是自重輕、抗震性能好、施工速度快、綠色環保,但它基本只適用于低層住宅或聯排別墅,在多層和高層建筑中應用不多。
鋼框架體系受力骨架為傳統意義上的梁、柱等構件組成的鋼框架。該體系適合于建造多層住宅,在多層范圍內的經濟效益較好;但當層數較高時,則表現為側向剛度不足且稍顯浪費。其優點是構造簡單、梁柱剛接、安裝方便。
鋼框架-支撐體系是鋼框架和支撐共同協同工作的體系,鋼框架主要提供結構的豎向承載力而支撐體系主要提供結構的側向剛度。相比較鋼框架體系來說,由于支撐的作用,其抗側剛度更高,因此適用的建筑物層數也較鋼框架體系的高,一般在6~12層之間;且其梁柱尺寸較鋼框架體系要小得多,因此是一種較為經濟合理的體系形式。
鋼框架—剪力墻體系是將鋼框架支撐體系中的支撐換成了抗側剛度更大的剪力墻,剪力墻承擔80%~85%的水平力。當前比較流行的鋼板混凝土組合剪力墻,可以同時發揮混凝土抗側剛度大和鋼板剪力墻的延性好、耗能能力強的特點。其適用的建筑層數比鋼框架支撐體系更高。
鋼框架核心筒結構與鋼框架—剪力墻結構類似,只是將鋼筋混凝土剪力墻做成封閉的核心內筒,而鋼框架在外圍。該體能承擔的水平力更高,接近90%,適用的建筑物層數在理論上也更高,但更高的層數將降低其經濟性,因此一般認為還是12層以下最適宜。
裝配式凯时娱乐官网體系相比混凝土或者預制混凝土結構具有巨大的優勢:首先是目前我國鋼材產量豐富,鋼材質量可靠,這為裝配式凯时娱乐官网住宅提供了材料優勢。
其次,裝配式凯时娱乐官网住宅可以實現標準化生產、綜合造價低、設計周期短、施工速度快、可回收利用等目標且可以以商品的形式推向市場,真正意義上實現“住宅超市”的目標,顧客隨時需要,隨時購買部品,安裝以后就可形成自己的房屋。再次,裝配式凯时娱乐官网住宅能最大限度的滿足綠色環保的要求,鋼材本身就是一種環保材料,裝配式凯时娱乐官网住宅無論從構件生產、加工到后期的現場安裝都不會對自然環境造成傷害。
1.2.3選題的目的及意義
雖然裝配式凯时娱乐官网住宅具有如此多“迷人”的優勢,然而當前我國建筑業仍走在傳統的路子上,現場仍會消耗巨大的人力、物力,且生產效率低下,浪費資源;同時在各次地震后果來看,傳統住宅的安全性有待考量。本課題希望通過裝配式凯时娱乐官网住宅體系的研發大力促進我國建筑行業向著快、好、省的方向發展;在社會化大生產的大背景下力圖推進住宅商品化,提高生產效率和綜合效益;努力提高住宅結構的安全性能。
通過本課題的研究,我們將研發一套裝配式凯时娱乐官网住宅新體系。通過理論分析和實際工程相結合的方式,總結出一套關于新型裝配式凯时娱乐官网體系的構造方式和設計方法,對我國裝配式凯时娱乐官网體系的研究具有一定的指導意義。
通過新體系的研究,支持國家新農村建設,使得農村通過新住宅體系煥發新氣象;支持地震災后重建工作,為災區人民提供良好的災后居住環境。
新體系的研發將使得我國在建筑綠色環保領域向前邁進一步,對摒棄傳統破壞環境的建筑體系具有積極的作用。新體系將發揮良好的示范和指導作用,帶領我國建筑行業真正走向低碳、環保、綠色的良性發展道路。
將新型裝配式凯时娱乐官网體系推向標準化、產業化的高度,規范我國裝配式住宅市場,解決其過多地依賴人力、物力,生產效率低下、綜合經濟效益低的現狀。
從構件截面選擇、連接方式、構件尺寸等方面實現標準化、模數化的目標,提高裝配式凯时娱乐官网住宅的可操作性。促進新型裝配式凯时娱乐官网住宅在住宅行業的推廣應用。

1.3 國內外裝配式凯时娱乐官网體系研究現狀
1.3.1 國內研究現狀
(1)研究裝配式凯时娱乐官网體系的企業以及各自的體系創新國內研究裝配式凯时娱乐官网體系的企業主要有:遠大可建集團、山東萊鋼、北新、萬科、杭蕭等,下面依次介紹:
遠大可建研發的是一種多高層裝配式凯时娱乐官网體系[8,9]。該體系主要由凯时娱乐官网立柱和一體化樓板組成,凯时娱乐官网立柱與一體化樓板之間采用套筒+螺栓連接,立柱帶有斜撐與樓板相連。其主要特色在于一體化樓板,樓板預先在工廠做好,在結構上將桁架梁融合在內,桁架梁很高,這樣就保證了一體化樓板內有足夠的空間可以將管道、電線等預先埋設其中。同時,遠大在設計時充分考慮車輛的運輸寬度,樓板都是寬度不大而長度很長的細長條形。該體系不僅在傳統凯时娱乐官网體系基礎上作了很大創新,最重要的是它大大提升了房屋營造速度,現場只需少量人力即可完成房屋建造。
山東萊鋼在裝配式凯时娱乐官网住宅體系的研發中也投入了很多的精力。“H型鋼凯时娱乐官网節能建筑體系的研究與應用”是山東萊鋼研發的一種裝配式H型鋼大板體系,通過幾年的發展,該體系的成果現已是國家科技成果重點推廣項目。該體系依然是傳統的鋼框架體系,梁柱均采用H型鋼,墻板是萊鋼自己生產的墻板。該體系雖然創新性不大,但山東萊鋼在研發裝配式凯时娱乐官网住宅方面具有其他企業更多的優勢:他們可以依托自己在凯时娱乐官网領域的技術優勢形成一條結構體系、節能體系、墻板體系、施工組織體系等一條龍的研發體系,他們有能力使得各個專業協調配合,在傳統體系的基礎上做的更好[1,10]。
北新集團主要研發了三種裝配式凯时娱乐官网體系[11]:首先,與日本的多家凯时娱乐官网公司合作開發新型薄壁輕凯时娱乐官网體系,以輕凯时娱乐官网作為受力主體;在此基礎上,北新集團推出了具有自身特色的裝配式凯时娱乐官网體系:新型混合凯时娱乐官网體系。該體系是將薄壁輕鋼體系的受力骨架換成鋼框架,圍護體系依然采用薄壁輕鋼,融合了各自的優勢,增大了使用空間;第三種是新型凯时娱乐官网體系,以凯时娱乐官网作為受力骨架,以金邦板等復合墻板作為其圍護結構,房屋的整體性能更好。歸結起來,這三種體系即為:輕鋼墻體受力體系、輕鋼板柱體系和輕鋼框剪體系[12]。北新集團與日本的凯时娱乐官网企業合作開發的新型墻板,也為其裝配式凯时娱乐官网體系的發展提供了強有力的支撐。近年來,北新的裝配式凯时娱乐官网體系在新農村建設和災后重建中具有廣泛應用,在酒店會所等項目中亦有應用,顯示了良好的發展勢頭。
萬科的裝配式房屋研究主要集中在混凝土結構中,他們提出了“主體和填充部品分離體系”,即所謂的“VSI體系”。萬科完成的項目中多為裝配式剪力墻體系,采用外墻預制,內墻現澆,連接部位現澆的模式。雖然萬科開發的是裝配式混凝土結構,但其體系的營造方式、施工現場管理方式等方面對于裝配式凯时娱乐官网體系的研發具有很好的借鑒意義[13,14]。
杭蕭鋼構則將研究的重點放在多、高層裝配式凯时娱乐官网住宅體系的研究中,在梁柱構件、梁柱節點、樓板、墻板等諸多方面都形成了自己的特色[15]:柱采用高頻焊接方鋼管柱;梁采用高頻焊接H型鋼;樓板采用鋼筋桁架樓承板;墻板則為漢邦CCA灌漿墻。杭蕭多、高層凯时娱乐官网住宅采用的體系還是鋼框架、鋼框架剪力墻、交錯桁架等體系,其主要創新點在于梁柱的連接節點上,采用橫隔板貫通式連接,擺脫了傳統的內隔板連接施焊對于柱殼的傷害,對工廠焊接工藝的要求較高[16]。
(2)其他學者對于裝配式凯时娱乐官网體系的研究年武艷濤[17]提出了一種按模塊化思想設計的新型模塊化房屋,由模塊、房架和配件組成,模塊由等邊角鋼焊接而成,房架設計為可折疊。利用軟件對活動房屋進行了結構靜力分析,確定了滿足規范和實際受力要求的模塊形狀和角鋼截面尺寸,為以后的活動房屋體系的研究指出了一條方向。
年長安大學盧林峰副教授[18]組織開展了“裝配式交錯桁架體系的抗震性能及標準化設計研究”,完成了交錯桁架中鋼柱、平面桁架和樓板的分析;對7度和8度區的98個模型進行了標準化設計研究,先后以長細比和位移為控制條件最終得到了鋼柱、桁架和樓板的標準化截面尺寸;對裝配式交錯桁架節點進行了標準化的節點設計,填補了我國裝配式交錯桁架體系標準化道路上的空白。
年同濟大學陳以一教授與浙江寶業集團、日本大和房屋工業株式會社合作[19,20,21],在日本裝配式凯时娱乐官网體系的基礎上對一種新型分層裝配式支撐凯时娱乐官网體系進行了改進研究。該體系將房屋拆分成鋼框架支撐系統和樓面系統兩部分,其主要特點是密柱、梁貫通、柱梁鉸接,水平力主要由柱間支撐承擔,實現了標準化的設計和高度裝配化的施工。課題組對該體系進行了足尺寸擬靜力加載試驗,考察了體系在水平荷載作用下的破壞模式和變形性能。試驗結果表明了支撐確實承擔了絕大部分的水平力,結構的延性性能與支撐的性能密切相關。浙江寶業集團將該體系推向試點工程,通過理論與試驗相結合,指出了該體系推廣需要解決的關鍵技術和發展前景。該體系雖然還需要進一步的研究,但其新穎的形式或將成為我國裝配式凯时娱乐官网體系的一個重要分支,對研究裝配式凯时娱乐官网體系及其連接構造具有很好的借鑒意義。
年周緒紅[22]等研究了低層冷彎薄壁型凯时娱乐官网住宅體系。詳細介紹了冷彎薄壁型鋼住宅體系的組成、各組成部件的構造、防火防護、管道電線等的具體構造,說明了其在我國的應用前景。2008年何保康等[10]研究了低層冷彎薄壁型凯时娱乐官网體系的傳力路徑,指出其荷載傳遞路徑包括豎向荷載路徑和橫向荷載路徑。重點介紹了墻體立柱的設計方法、抵抗側向力體系的荷載分配方式以及其剪力墻的設計方法。
盒子住宅體系也是裝配式凯时娱乐官网體系的一種,但是當前我國對于盒子住宅體系的研究較少。2001年黃蔚欣,張慧英[23]對盒子住宅體系作了系統的介紹,介紹了盒子住宅體系按照承載類型、非承載類型和實用材料進行的分類。對盒子住宅體系的特點和應用前景作了詳細的分析,指出當前盒子體系的應用大多是在衛生間等集成衛浴方面。在凯时娱乐官网盒子體系中,當前主要的應用是集裝箱住宅。未來盒子體系可以向宿舍、旅館、醫院等方向發展,但在當前,其應用前景并不明確。
(3)裝配式凯时娱乐官网體系部品連接方面的研究年,楊強躍等[24]介紹了美國和日本在地震后鋼框架節點的改進,詳細介紹了各種節點及其改進的節點形式。這些節點均是在傳統連接節點上的改進,其目的都是改進節點的抗震性能,為設計人員從事凯时娱乐官网設計時選擇節點形式提供參考。
年,羅云松、柯有林[25]發明了活動房樓面主梁與立柱的連接節點,主要利用類似耳板的連接件實現梁柱間的連接。該節點連接簡單,拆卸方便,非常適合活動房梁和立柱之間的連接。由于活動房采用桁架梁居多,因此該發明為桁架梁與立柱之間的連接提供了很好的思路。
年,王亨、陳志華[26]提出了兩種新型方鋼管柱H型鋼梁連接節點,分別是外肋環板式節點和隔板貫通式節點。對這兩種節點形式進行了承載力分析,并以一棟六層建筑進行了試設計,表明這兩種節點都能滿足實際工程的需要且傳力明確。2009年,同濟大學李黎明,陳以一等[27]提出了一種新型外套管式節點,該節點主要針對方鋼管柱與H型鋼梁的連接,其具體構造為在方鋼管柱上連接套筒,再通過連接件和螺栓將套筒和H型鋼梁的上下翼緣相連。對該節點在擬靜力試驗的基礎上進行了有限元分析,進行了多因素深入的研究,顯示了其優良的性能。
年,張梁和陳以一教授[28]總結了當前方鋼管柱H型鋼梁連接節點的幾種常見形式,包括:內隔板節點、外隔板節點和梁端加勁節點,對比了這幾種節點的優缺點和推廣的可行性。簡要介紹了鑄鋼節點的經濟性,為工程設計人員在設計時選擇節點形式提供了很好的依據。2011年,程定榮、徐忠根等人[29]研究了新型鋼箱型柱與H型鋼梁柱外傳力節點,其典型的特征是摒棄了梁柱連接的橫隔板,而是采用傳力板實現梁柱之間的柱外傳力。對該節點進行了單調加載下的非線性有限元分析,證實該節點的傳力路徑確實達到了柱外傳力的目的,為后期更多的研究奠定了基礎。早在2006年,同濟大學碩士生莊磊[30]在其碩士論文中就對方鋼管柱H型鋼梁隔板貫通式連接節點進行了試驗研究和有限元分析,并改變了該節點的幾個關鍵設計參數對其進行了比較研究,得到了一些一般性的結論,對節點設計有一定的指導意義。雖然學者們對于方鋼管柱與H型鋼梁的連接節點作了許多的研究工作,也開發出了許多同類型的新型節點,但是總的來說,節點的構造還是稍顯復雜,裝配化程度還不夠高。
年,北京工業大學碩士研究生張曉哲[31]進行了凯时娱乐官网裝配式住宅構件標準化探究,指出了連接的重要性,認為連接是凯时娱乐官网最受關注和需要解決的問題。
對于連接的形式、變形、熱工和防水問題作了詳盡的研究。在節點形式方面,主要介紹了墻體與墻體、墻體與柱子、墻體與屋面板之間的連接,從建筑學的思路給出了節點連接的各種可行的形式,為裝配式凯时娱乐官网體系節點形式的具體研究提供了理論依據和思想源泉。
年,哈爾濱工業大學的邵永松等[32]研究了鋼框架梁柱的鑄鋼件連接節點。
介紹了現階段各種梁柱節點形式的優缺點以及鑄鋼件連接節點的優勢。說明了鑄鋼件節點相比較傳統梁柱節點具有形狀尺寸設計自由、可變性和適應性強的特點;而相比較鑄鋼節點,其又具有價格較低的優勢。因此,其在市場應用前景上還是很有潛力的。但是當前,鑄鋼件節點還只是用于特定的結構或場合,例如在大跨空間結構中經常用到該類節點,而在其他傳統結構中,它的很多優勢暫時還難以發揮,這限制了它的發展,但是隨著我國鑄鋼技術的不斷進步,不排除鑄鋼節點未來會有廣闊的發展。
年,清華大學的江磊鑫,郭彥林等[33]提出了一種新型裝配式梁柱自鎖節點,該節點主要用于方鋼管混凝土柱和H型鋼梁的連接,主要由摩擦抗剪件和蝶形卡組成,另外配套的連接件包括預緊螺栓、高強螺栓和自鎖肩等。詳細介紹了該節點的安裝過程并對其力學性能進行了有限元研究,通過分析該節點具有良好的靜力性能,適合于建造多層框架和臨時性的建筑。該節點完全避免了焊縫操作,在裝配化程度上達到了一定的高度,但對于該節點的抗震性能目前尚未研究,且其適用性限制了其在高層建筑中的發展與應用。
年,理素杰等[34]針對高層凯时娱乐官网梁柱節點抗震性能的優化問題,根據“強柱弱梁”的設計原理和有效控制塑性鉸出現的位置的思路,認為采取帶懸臂梁段的梁柱連接節點是提高節點抗震性能的好方法。對該節點進行了兩組試驗研究并進行了對比,試驗結果表明,采用帶懸臂梁段的梁柱節點形式確實可以控制塑性鉸的形成位置,使其在接近拼接位置處出現塑性鉸,且可以降低拼接焊縫破壞的可能性。
年,王理軍等[35]的凯时娱乐官网別墅發明提供了一種方鋼管柱與柱的拼接節點,下端的矩形方鋼管柱通過外部套筒和螺栓與上層方鋼管柱進行連接。2012年,孫建運,李國強等[36]介紹了矩形管柱拼接內套筒對穿螺栓拼接節點的連接形式,其與外套筒方法類似,但其不同點在于,該連接方式在實施過程中內套筒必須作為上柱或者下柱的一部分,且該方案采用的是對穿螺栓連接。這兩種節點連接方案都很好地解決了矩形方鋼管柱之間的拼接問題,但他們的問題同樣突出,第一種方案的問題在于沒有一個很好的方法處理螺栓在柱空間內的螺母,一種方法是預先將螺母點焊到柱子上,但是這樣是否可行還是一個未知數;另一種方法是舍棄內部螺母,在螺栓孔上套絲,但該方法對于施工精度要求相當高,誤差稍大可能造成無法擰上螺栓。第二種節點連接方案的對穿螺栓連接節點理論上沒有問題,但是同樣牽涉到施工誤差的問題。
年,王曉明等[37]提出了一種裝配式墻體的連接方式及其連接方法,該連接將墻體做成企口式或斷橋式,墻體內填充保溫材料,可以很好地解決墻體的隔聲和保溫問題。對于裝配式凯时娱乐官网住宅圍護結構的連接提供了很好的方式,可供借鑒。

1.3.2 國外研究現狀
(1)裝配式凯时娱乐官网體系研究國外裝配式凯时娱乐官网住宅體系的發展主要開始于二戰以后,當時世界各國尤其是發達國家都處于重建期,面對著資源匱乏的壓力,凯时娱乐官网住宅體系是一個節約資源的良好選擇,且鋼材具有承載力高、抗震性能優異等諸多優點,但也僅限于鋼材產量比較高的發達國家。例如日本、美國和歐洲等。
日本在凯时娱乐官网住宅研究方面起步較早,目前日本的在建建筑中,凯时娱乐官网占據左右。日本在凯时娱乐官网住宅體系中已形成了區別于歐美的技術流派,其凯时娱乐官网住宅主體技術取決于歐美,但在發展過程中逐漸形成了精益求精、用材節省的日本文化風格。由于日本本國的住宅同樣受中國的影響比較大,因此木結構一直長期占據著其住宅的主流,早期的凯时娱乐官网體系也在很大程度上沿襲了木結構的技術基礎[2]。2004年,薛發[38]指出了日本凯时娱乐官网體系的特點:跨度大,可形成大空間、設備管道與主結構相分離,便于檢查與維修等。2005年,李國強[39]等分析了一套模數化的日本高層凯时娱乐官网住宅體系,該體系將主體結構和居住建筑相分離,主結構是鋼箱型柱、H型鋼柱和鋼支撐組成的純鋼框架結構,主結構只承受荷載,不參與建筑構成,實現了模數化設計,并提出了施工方法。該體系是裝配式凯时娱乐官网體系的創新,具有很好的參考價值。
美國的工業化建筑之路深受包豪斯建筑學派的影響,其理論方法、教學方式極大地促進了美國住宅的標準化[2]。在美國凯时娱乐官网住宅領域,低層住宅如別墅主要采用輕凯时娱乐官网體系,稍高的住宅則主要采用當前比較流行的交錯桁架體系。據了解,輕凯时娱乐官网在美國發展最快,早在2000年美國的住宅中就有75%是輕凯时娱乐官网體系[38]。
歐洲的凯时娱乐官网住宅體系發展也較快。英國發展凯时娱乐官网住宅的最大原因是其建造速度快,其輕凯时娱乐官网體系包括板式拼裝、輕凯时娱乐官网與板材分階段拼裝、單元式(modularbuilding)、混合式等幾種方式,其中單元式是發展最快的一類[2]。意大利開發的是一種所謂的BASIS工業化建筑體系,結構為框架支撐結構形式,該結構在當時屬于新穎一類。法國也進行過凯时娱乐官网裝配式住宅的嘗試,使用的大多是框架結構或者板柱結構,并且開發了集合了建筑、結構、圍護和管道等多方面的系列軟件[39]。
在體系方面,學者也認為,歐美形成了所謂的“歐美流派”,始終以滿足消費者需求為己任,講究簡單實用以及商品化,在這一點上,歐美等發達國家走在了世界的前列,他們的住宅早已實現了消費者訂購購買的模式。
此外,國外對于盒子體系也早有研究,盒子的裝配化程度更高,其中國外凯时娱乐官网盒子占據總量的30%,主要是框架式和薄壁式。日本也研究了骨架盒子體系,該體系又叫做CUPS體系,以鋼框架作為空間承重,盒子“鑲嵌”于空間中,只受自重作用。
(2)裝配式體系連接研究年,YujiKoetaka等[40]研發了一種柱弱軸連接的梁柱節點形式,梁的上翼緣通過螺栓與柱相連,下翼緣則通過設計的阻尼器相連。對其受力性能進行了試驗研究。該節點形式裝配化程度高,受力性能好,而且構造簡單,很有借鑒意義。
年,開發了一種新型鋼框架梁柱節點,該節點通過焊接在方鋼管四個角棱上的四塊處于方鋼管對角線平面上的垂直連續板插入梁端部開槽中進行連接,對其受力性能進行了試驗及有限元分析,試驗研究表明,該節點的轉角超過了0.06rad,達到了剛性節點的要求;使用有限元對其進行了變參分析,深入分析了其傳力機制和節點板性能。節點構造新穎且剛度充足,對于節點的裝配化提出了新的思路,但缺點是構造復雜,且現場要進行大量焊接工作。
年M.R.Shiravand,A.Deylami[43]研究了一種新型方鋼管柱、H型鋼梁通過多塊端板連接的節點,該節點的柱是由兩個工字型鋼通過兩端翼緣的兩塊鋼板形成一體,并通過該端板與梁連接,該節點剛度充足但構造過于復雜且現場需要大量施焊,不滿足裝配式節點的要求。
1.3.3當前研究存在的不足
雖然當前國內外對裝配式凯时娱乐官网體系及其連接做了很多的工作,然而依舊存在很多的不足。
在國內研究領域,雖然各企業都做了很多的努力,也取得了很多成就,但依然存在很多問題:例如遠大集團雖然開發出的裝配式體系裝配化程度很高,且應用到實際中也做了很多標志性的建筑,但是其很多計算結果達不到規范的要求,即很多成果都是超限設計,這也是為什么其世界第一高樓的夢想到現在都沒有實現的原因;其次其圍護墻板采用嵌入型,現場拼接過多,墻板之間的連接縫隙不好處理,熱工和隔聲等問題一直是困擾遠大的一大弊端。山東萊鋼的裝配式建筑在實際中出現墻體裂縫滲水、墻體連接件不滿足變形要求等情況。北新集成房屋和杭蕭鋼構的凯时娱乐官网房屋則都是比較傳統,其結構體系和連接方式都不滿足裝配化的要求,現場焊接也比較多,不利于其發展。然而,就裝配化程度而言,除了遠大以外,其余企業并沒有實現真正意義上標準化和產業化。在連接節點上,學者的主要目光還是集中在對于傳統連接節點的改進上,新型節點形式研究不多。
國外在住宅工業化和標準化方向比國內領先許多,尤其以美國的輕凯时娱乐官网住宅最具典型。但是國外的裝配式凯时娱乐官网體系也有局限性。拿美國的輕凯时娱乐官网體系來說,雖然其發展現已相當成熟,也達到了高度的標準化,但是該結構體系自身的局限性限制了其適用性只能是低層獨立別墅等,對于多、高層建筑則望塵莫及。
此外,當前的國外凯时娱乐官网體系也沒有充分考慮建筑、結構、水暖電等各專業的融合,各專業還是處于分離階段,沒有一種體系可以將各專業融合起來,實現裝配化程度質的飛躍。在節點連接方面,新型節點形式也出現不多,一些新型的節點形式,有的構造復雜,有的則需要大量現場施焊,現場工作量很大,距離我們提倡的裝配式凯时娱乐官网體系要求較遠。
針對當前國內外關于裝配式凯时娱乐官网體系的研究現狀,我們必須融各家之所長,在標準化、產業化的道路上繼續努力,以綠色環保為原則,開發出裝配化程度高、適用性強、綜合經濟效益好、綠色環保的新型裝配式凯时娱乐官网體系,促進我國建筑產業化向前發展。

1.4 本文的主要研究內容
    本文在分析國內外裝配式凯时娱乐官网體系研究現狀的基礎上,首先提出了一種新型裝配式凯时娱乐官网體系—墻板裝配式凯时娱乐官网體系。運用有限元軟件ABAQUS對該體系二維平面承重骨架進行受力性能研究,并采用MIDAS/Gen軟件對三維空間模型進行靜力彈塑性pushover分析。具體研究內容如下:
(1)首先對墻板裝配式凯时娱乐官网體系進行介紹,對其開發過程進行簡單描述,說明其主要原理、營造方式及關鍵節點構造,主要說明該體系具有的各方面優勢。
(2)以簡化的平面二維承重骨架模型為研究對象,用有限元軟件模擬其在低周反復荷載作用下的受力性能,以此研究體系的承載力、剛度、延性和破壞模式等,評價其抗震性能。改變柱壁厚,研究不同柱壁厚對其受力性能的影響。
(3)以MIDAS/Gen軟件建立體系的三維模型,對其進行靜力彈塑性分析,進一步研究體系的抗震性能;并與純鋼框架對比,比較二者的用鋼量、承載力、抗側剛度等。
(4)以華清集團辦公樓作為墻板裝配式體系的試點項目,對該項目進行簡單介紹。利用Midas軟件對該辦公樓進行設計,繪制結構施工圖。以此試點工程檢驗墻板裝配式體系的實際可行性和適用性。

本文由 安徽凯时娱乐官网平臺 整理編輯,節選自《墻板裝配式凯时娱乐官网體系抗震性能有限元研究》緒論部分。