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    裝配式多高層凯时娱乐官网研究要點與現狀分析
    劉學春,商子軒,張冬潔,徐路,崔小雄,和心寧
    摘要:裝配式多高層凯时娱乐官网構件或者模塊宜工廠內焊接連接,工地全螺栓連接。通過對國內外裝配式凯时娱乐官网建筑的研究和工程應用進行綜述,總結了裝配式凯时娱乐官网中柱與柱連接節點、梁與柱連接節點、支撐與框架連接節點、樓板與樓板連接、樓板與梁連接、圍護墻體與主體結構連接,以及裝配式凯时娱乐官网整體結構受力與抗震性能的研究成果和研究方法。對國內外研究的問題和發展方向提出了幾點建議。
    國內外研究現狀
   1 。裝配式凯时娱乐官网體系與工程應用
    由于裝配式凯时娱乐官网具有降低環境污染、減輕勞動強度、加快施工速度等特點,在國內外已有廣泛的發展和應用,其主要為裝配式住宅。裝配式住宅誕生于20世紀初期,在二戰后得到發展。20世紀年代,二戰使歐洲遭受到嚴重的創傷,建筑尤其是住宅急需大量重建。歐洲采取工業化的方式建造了大批的房屋,并因此建成了標準、完整的住宅體系。法國是世界上推行建筑工業化最早的國家,從50年代到70年代走出了一條全裝配化大板和工具式模板現澆為主的工業化道路。法國的工業化裝配式建筑主要采用預應力混凝土框架結構體系,工業化程度達到了80%,構件的連接多為干式連接。德國主要釆用鋼筋混凝土框架剪力墻結構形式,構件均采用工廠化預制。德國在二次大戰后,前西德地區~80%的房屋遭到破壞,德國住宅產業化迎來了發展契機,經過幾十年的發展,目前德國的住宅產業化技術已相當成熟。丹麥是世界上第一個將模數法制化的國家,大批居民住宅采用裝配式大板體系,在新建的建筑中通用構件的使用率占到了80%,在滿足多樣性需求的同時又達到了50%以上的節能效率。瑞典是世界上住宅工業化最發達的國家,也是當今世界上最大的輕凯时娱乐官网制造國家,其輕凯时娱乐官网住宅預制構件達到95%。意大利BSAIS工業化建筑體系適用建造1~8層凯时娱乐官网住宅。英國在世紀60年代開始建造工業化裝配式住宅,將制造業的生產方式引入建筑業,以模數化構建標準化,以標準化推動工業化,以工業化促進產業化。美國是最早采用鋼框架結構建造個性化和多樣化住宅的國家,高度工業化的輕凯时娱乐官网在美國發展最快,美國凯时娱乐官网學會和金屬房屋制造協會(AISC和MBMA)聯合編制了低層建筑的設計指南,推進了凯时娱乐官网住宅在美國的發展,2000年輕凯时娱乐官网在美國的建筑市場中占75%。日本是世界上最早在工廠里生產建筑構件的國家之一,凯时娱乐官网占據了絕對的主導地位,世紀90年代末,日本預制裝配住宅中木結構占,混凝土結構占11%,凯时娱乐官网占71%。澳大利亞應用最為廣泛的是以冷彎薄壁型鋼作為承重結構的輕凯时娱乐官网建筑體系。日本、美國、德國、法國、瑞典、丹麥、意大利等國家裝配式凯时娱乐官网建筑經過幾十年的發展,技術和應用都較成熟,但是主要應用于低層住宅結構,且以輕凯时娱乐官网為主,其中冷彎薄壁型鋼應用較為廣泛,較少國家采用裝配式高層凯时娱乐官网。
    只有日本采用裝配式高層凯时娱乐官网,但是其柱子的連接還是現場焊接,影響現場裝配速度[8-14]。裝配式凯时娱乐官网建筑在歐洲、美國、日本、澳大利亞等發達國家已廣泛應用,凯时娱乐官网建筑的比例已達45%~,但我國凯时娱乐官网建筑只占5%,凯时娱乐官网建筑發展嚴重滯后[2]。雖然我國裝配式凯时娱乐官网起步晚,但在國家的大力支持下,目前發展速度很快,許多企業、高等院校、科研院所等進行了裝配式凯时娱乐官网的研究和應用,取得了大量的成績[1,2,15-26]:寶業集團與同濟大學合作研發分層裝配式支撐凯时娱乐官网,哈爾濱工業大學、天津大學、湖南大學、華南理工大學研究集裝箱建筑,長沙遠大與北京工業大學、湖南大學合作研發裝配式斜支撐建筑,杭蕭鋼構研發鋼管束+剪力墻體系、鋼筋桁架樓承板,精工鋼構研發綠筑PSC集成建筑系統,東南網架研發裝配式綠色低碳民用凯时娱乐官网建筑體系,實現凯时娱乐官网產業化。在北京、上海、天津、包頭等地已相繼興建了一批凯时娱乐官网住宅示范、試點工程。北京工業大學劉學春、張愛林等研發了多個裝配式凯时娱乐官网體系,并建設了二層足尺寸試驗樓[27-29]。
    2。柱與柱的連接節點
    低層裝配式凯时娱乐官网建筑中,輕鋼龍骨結構中龍骨采用熱浸鋅薄壁鋼板制成,其連接主要是普通螺栓連接或者鉚接。文獻[30]主要研究其抗拉強度,獲得了其承載力、破壞狀態和設計表達式。為了保證等強連接,在普通凯时娱乐官网中柱與柱的連接主要采用焊接,這是因為當時行業內普遍認為焊接連接強度更高,更具有安全性,但是美國北嶺地震中150多座多高層凯时娱乐官网焊接節點遭受了嚴重破壞,日本阪神地震中凯时娱乐官网建筑倒塌、破壞較大的有棟[31-33]。日本兵庫縣南部地區地震中一焊接箱型柱在焊接熱影響區發生脆性斷裂[34]。阪神地震中,蘆屋市海濱城高層住宅小區的21棟住宅樓37根鋼柱的斷裂發生在拼接焊縫處[35-36],暴露了焊接結構的一些不足。但由于我國GB50011—2010《建筑抗震設計規范》[37]8.2.8要求:多高層凯时娱乐官网抗側力構件連接的極限承載力設計值不應小于相連構件的極限承載力設計值,高強螺栓連接不得滑移,且抗側力構件連接的極限承載力應大于相連構件的屈服承載力,使得螺栓的連接手段難以滿足,對柱與柱的連接仍采用等強焊接為主。實際上焊接連接具有較高的焊接殘余應力和焊接熱影響區,在地震下具有脆性斷裂的安全隱患,尤其在低溫下焊接連接脆性更大。另外,焊接連接施工速度慢,工地焊接質量受焊工水平、焊接位置、施工天氣等影響,質量難控制,驗收時除了施工方自己檢測外還需要第三方檢測,增加了建設成本。
    螺栓連接是代替焊接的有效連接形式之一。法蘭連接是螺栓連接的一種形式,其在管道、壓力容器以及運載火箭、航天器、塔架等方面具有廣泛的應用,但是受力主要以承受軸向拉壓力為主。國內外學者對法蘭受拉作用下剛度不連續且非線性變化的性能進行了研究[38-41],相關研究成果較多、較成熟可靠,并建立了T型連接件類推和屈服線兩種典型的理論方法[42-44],為法蘭連接的進一步研究奠定了理論基礎。為了簡化法蘭的非線性計算,梁峰改進了法蘭構造,對超大尺寸法蘭節點實現了剛性連接[45]。Wheeler對4個方鋼管法蘭梁柱連接和梁梁拼接進行了受彎試驗研究和有限元模擬,考慮了端板柔性變形引起的翹力和屈服變形的綜合影響[46-47]。王元清進行了2個方鋼管和2個圓鋼管法蘭連接受純彎試驗研究,推導了簡化計算公式,進一步擴展了研究[48]。Luan對圓管結構中法蘭連接在彎矩和剪力作用下的靜力和動力性能進行了研究,提出了簡化的非線性動力模型[49]。Hoang對一個圓管結構中的法蘭連接進行了循環軸向荷載試驗,試驗結果與現有公式結果進行了對比[50]。劉學春將柱子法蘭與梁柱節點全螺栓連接結合,提出了一種同時連接梁、柱的節點,并進行了有限元分析和模型試驗,驗證了節點的可行性[51-52]。劉學春還對高層裝配式斜支撐鋼框架結構設計進行了研究,通過試驗驗證,從工程角度將法蘭連接簡化為剛性連接,對其進行強度設計[19,20,53]。Liu等對方鋼管柱法蘭連接試件在壓彎剪組合[54]、彎剪組合[55]、拉彎剪組合[56]作用下受力性能進行了研究,獲得了復雜受力下法蘭厚度、螺栓邊緣距離等參數影響下試件的受力性能,并基于屈服線理論及T型鋼連接方法,得到了法蘭試件的荷載傳遞機理,提出了屈服承載力算式。
    3。梁與柱子的連接節點
    按照連接的剛度,梁柱連接分為剛性連接、半剛性連接和鉸接。按連接的措施分為全焊接連接、栓焊混合連接、全螺栓連接。多高層凯时娱乐官网中的梁柱連接主要采用剛性連接,剛性連接可以采用梁翼緣和腹板全部焊接、翼緣焊接和腹板螺栓連接、翼緣和腹板均為螺栓連接的形式。全焊連接可以實現等強剛性連接,但是工地焊接工作量大、施工質量難以控制、焊接殘余應力大、施工困難、檢測費用高,不宜采用現場焊接。栓焊混合連接施工方便,可以達到全焊連接一樣的強度。美國北嶺地震和日本阪神地震后發現,盡管凯时娱乐官网具有較高的強度和良好的塑性與韌性,但在強震作用下,很多凯时娱乐官网梁柱節點發生了脆性破壞,破壞位置在梁下翼緣和柱的連接焊縫處[31-36]。這暴露了焊接連接的不足,激發了各國學者對其抗震性能的研究及改進,同時也提出了一些新型節點。Popov研究了大量節點的滯回性能和焊縫脆性破壞對節點抗震性能的影響[57]。在節點改進和新型節點方面的研究主要分為減小焊縫應力集中、局部削弱、端部加強。減小焊接應力集中的措施主要有采用強度和韌性好的焊接材料,去掉墊板清根補焊,消除裂紋,采用更合理的焊接工藝等[58-59]。
    局部削弱節點有腹板開長槽孔、半圓孔,離柱子邊緣一定距離削弱翼緣,梁腹板開各種洞或直接采用蜂窩梁等[60-63]。端部加強型節點主要在梁端部加蓋板、邊板、腋板、腋梁、凸緣板、肋板、翼緣加寬[64-71]。
    也有同時加強梁端部和靠近端部削弱的節點[72]。
    相關文獻對這些節點的抗震性能、焊縫損傷斷裂等進行了有限元分析和試驗研究,這些改進措施和新型節點對防止梁柱節點焊接的脆性破壞、提高節點的延性性能、耗能能力效果顯著,并獲得了一些節點的恢復力模型[73-74]。
    為了提高安裝速度和保證質量,裝配式凯时娱乐官网梁柱節點工地連接采用螺栓連接,雖然螺栓節點比焊接節點可能存在螺栓數目多、節點大、螺栓價格高等問題,但是其綜合經濟成本不一定高于現場焊接。
    梁柱全螺栓連接可以實現剛性連接和半剛性連接剛性連接計算分析簡單,應用較普遍,但螺栓數目多;半剛性連接耗能能力更好,螺栓用量小,更經濟,但計算分析復雜,對整體結構的非線性影響經常需要迭代分析,這兩種連接都能應用于抗震區多高層建筑[75-78]。端板螺栓連接為典型的半剛性連接,主要有外伸式和平齊式兩種,國內外學者對此進行了較完善的理論和試驗研究,獲得了節點的靜力承載力和滯回性能、彎矩轉角曲線[79-81]。Clinton研究了單板加承托板半剛性連接節點,揭示了節點的初始剛度、強度和荷載-位移全過程的特性[82],研究了梁端上下翼緣單角鋼或者雙角鋼螺栓連接,其塑性鉸發生在角鋼上,耗能能力較好,且角鋼方便更換[83]。T型板螺栓連接可以實現剛性連接,文獻[81,84-86]對T型板全螺栓節點進行了靜力設計方法研究和抗震性能研究。
    國內外在全螺栓節點、栓焊混合連接節點、全焊接節點的研究成果主要集中在樹狀節點、狗骨型節點、帶懸臂段節點、梁腹板開洞節點、長圓孔螺栓節點、加腋板或肋板加強型節點、翼緣加強型節點、蜂窩式框架梁柱節點等的基礎理論與試驗研究以及設計施工方法研究上。但是較少針對于裝配式凯时娱乐官网的梁柱節點進行專門研究。近年來在裝配式國內興起,在裝配式凯时娱乐官网節點方面取得了一些成果。胡方鑫研究了工廠加工的帶懸臂梁段的端板螺栓節點破壞形態、承載力、塑性轉角、延性性能和耗能能力等抗震性能[87]。張愛林等提出了多種震后可恢復功能的裝配式鋼框架梁柱節點,并建立了相應的設計理論,通過低周往復循環加載試驗及有限元模擬對此類節點的抗震性能及修復性能進行了評價[88-91]。汪青杰對一種新型鋼管混凝土柱與型鋼梁裝配式節點進行了抗震性能研究,對不同參數的節點進行低周往復循環加載試驗[92]。郁有升對一新型梁柱裝配式剛性節點進行了靜力和滯回性能有限元分析,研究了靜力荷載作用下的破壞模式,螺栓數目、蓋板寬度及厚度、懸臂梁段長度等參數對節點滯回性能的影響[93]。江磊鑫提出了一種用于連接鋼管混凝土柱與鋼梁的自鎖節點,進行了有限元分析[94]。張愛林對一新型裝配式方鋼管柱桁架梁節點進行了單調加載試驗研究,分析節點的剛度、強度以及延性性能等指標[95]。馬人樂對帶懸臂梁段全螺栓拼接長圓形螺栓孔梁柱節點進行了低周反復加載試驗[96]。曹正罡提出一種可根據梁高在一定范圍內調節節點連接高度的可變梁高裝配式鋼框架節點,結合4個足尺試件在低周往復荷載作用下的試驗研究及有限元分析,對節點的失效模式、滯回性能以及L形連接件的滑移情況進行了分析[97],該類節點可方便地應用于輕型裝配式鋼框架結構。劉學春針對角鋼桁架梁與方鋼管柱模塊化裝配體系節點進行了研究,包括模塊內部的全焊接節點[27],模塊間工地連接的半焊半螺栓連接節點[27,98]和全螺栓剛性節點[29,52]、全螺栓滑移節點[99-101]。該節點能夠同時考慮模塊拼裝、梁柱節點連接和柱柱連接,施工速度快。通過有限元分析和試驗研究,獲得了一些節點的承載力計算方法和抗震性能。同時劉學春還針對裝配式多高層凯时娱乐官网體系,對H型鋼梁與方鋼管柱的全螺栓連接節點進行了試驗和理論的抗震性能研究,證明了其良好的抗震性能[102-104]。
    4。支撐與框架的連接節點
    隨著建筑高度的增加,純框架結構越來越不經濟,中心支撐或者偏心支撐框架結構是一種更經濟的結構形式,但是支撐受力較大。對于裝配式凯时娱乐官网而言,支撐與框架的連接也應采用全螺栓連接,以方便現場快速裝配及震后更換修復。支撐框架體系的節點設計,通用且較方便的做法是采用板式連接節點,將支撐與梁、柱進行連接,節點板也可以耗能,國外對其拉壓性能早有研究[105-107]。國內張文元等對人字形支撐與橫梁的板式連接節點進行了低周疲勞性能的有限元分析,研究了節點板穩定承載力,其連接接近于鉸接,容易導致支撐受壓時的平面外失穩[108-109]。孟憲德對高層凯时娱乐官网經常采用的一種支撐擴大頭連接節點進行研究,指出了存在承載能力不足的缺陷,給出了改進措施[110]。這種連接支撐承載力高,支撐端部為擴大頭與梁柱節點焊接,目前在多高層凯时娱乐官网中廣泛應用,是規范標準推薦的連接方法,但其不符合裝配式凯时娱乐官网現場快速裝配的理念,需要研究現場螺栓快速裝配連接。
    將支撐板式連接用于角鋼和端板全螺栓的梁柱節點與支撐連接,可為裝配式凯时娱乐官网中支撐與框架的全螺栓節點研究提供參考[111]。劉學春提出了幾種支撐和框架的螺栓連接節點,從構造上看可以實現節點的剛性連接和半剛性連接,保證節點強度,但尚需進行深入的理論和有限元分析及模型試驗研究[112-113]。
    5。樓板與樓板的連接
    現澆鋼筋混凝土樓板采用現場澆筑,施工濕作業,對環境影響大,施工速度慢,樓板的裝配化是實現凯时娱乐官网全裝配的關鍵。但是全裝配樓板安裝后的板縫影響結構的安全,必須獲得其影響機理和采取可靠處理措施。拼接板縫使得樓板平面剛度不連續,影響樓板的整體作用。通常樓板需要傳遞水平力到各個豎向抗側力構件,協調豎向抗側力構件共同工作。裝配式樓板拼接板縫的存在,使得裝配式樓板與普通樓板不同。力在帶縫樓板中的傳遞機理和板縫的處理措施,成為裝配式凯时娱乐官网需要解決的關鍵問題。文獻[114-119]在裝配樓板的上部疊合現澆一層樓板,這種做法加大了結構自重和水平地震作用,疊合層混凝土交界處齡期存在差別,板縫間易出現裂縫。板縫后澆整體,施工簡單,但需要濕作業,硬化需要周期,由于混凝土本身的化學收縮、干縮和徐變,灌縫混凝土與預制板之間容易產生裂縫[120-121]。龐瑞等設計了焊接的板縫連接方式,研發了一種全預制裝配式RC樓蓋體系[122-123]。通過試驗證明其中部分節點具有較高的承載力、延性和耗能能力。但其所述連接方式采取焊接,焊縫長,工作量大,應研究采用螺栓連接的形式,提高施工速度。由于全裝配樓板的整體性還有待進一步研究,目前在裝配式凯时娱乐官网和混凝土結構中普遍采用的還是鋼筋桁架混凝土疊合樓板。鋼筋桁架疊合樓板分為全現澆[124-125]、鋼筋桁架混凝土疊合樓板[126-128]、預制帶肋底板混凝土疊合樓板[129-134]。
    6。圍護墻體與主結構的連接
    地震震害表明,建筑中墻體的破壞非常嚴重,土耳其的Kocaeli地震和臺灣的9.21集集大地震中,填充墻體垮塌和整片甩出的情形大量出現,直接導致嚴重的損失。汶川5.12地震,大多數框架結構房屋的圍護墻體比主體震害更嚴重,震后修復工作量很大,費用很高。震害的主要原因是墻體與主體結構連接性能不良[135-138]。
    國內外學者研究了適用于不同墻體的節點連接,李國強進行了外掛墻板的二層模型振動臺試驗和ALC墻板鋼框架結構水平靜力及低周往復加載試驗,結果表明柔性連接可使得墻板破壞減輕,更好地適應結構的變形[139]。Aref用螺栓將復合材料墻板與鋼框架相連,進行了抗震性能試驗研究[140]。Mermari對AAC(蒸壓輕質加氣混凝土)墻板的斜柄連接件進行了抗震試驗和擺錘沖擊試驗[141]。金勇對蒸壓加氣混凝土板與主框架結構的四種連接構件進行試驗[142]。Heimbs研究了蜂窩夾層復合墻板不同形式的插入螺栓節點和鉸接節點的破壞行為[143],研究表明墻板具有一定的剛度,其對主體結構有影響,一些學者對這種影響進行了研究。
    對框架結構與復合墻板相互作用的試驗研究發現,墻板對整體結構的貢獻取決于節點強度[144]。DeMatteis對外掛復合墻板的鋼框架進行了抗震試驗研究,外掛墻板有利于減小結構構件的截面尺寸,增大結構的抗震性能[145]。Baird等進行了預制混凝土板和框架相互作用的數值分析[146]。
    一方面,為了減小主體結構和墻板的相互作用,一些學者試圖將主體結構和墻體的變形脫離,陳濤等發明了線支承式連接,對試件進行了往復水平力加載試驗[147]。線支承式連接在主體結構大變形時工作性能良好,預制外掛墻板對主體結構的破壞模式沒有明顯影響。Mcmullin進行了兩個足尺5層的外掛預制混凝土板的鋼框架地震臺和節點的滯回耗能試驗[148-149],研究開槽螺栓滑動連接的有效性及外墻對地震下結構的影響。另一方面,為了利用墻體對結構的有利作用,一些學者采用墻體對結構進行消能減震。Pinelli提出利用建筑外墻和建筑結構之間連接節點去消散能量,進而保護墻板及結構主體[150]。李久鵬等結合耗能減震的思想對圍護體系進行優化,設計了一種摩擦型連接件[151]。王立忠對螺栓連接的高層凯时娱乐官网外掛鋼筋混凝土預制墻板進行研究,利用自編程序結合試驗研究建立了墻體的滯回關系模型[152]。
    目前對外掛墻板及其節點的研究主要是對塊體和條板安裝的研究,劉學春針對整體裝配及保溫一體化外墻板進行了研究,提出的墻體可以實現一個開間的整體裝配,同時墻體的保溫和性能滿足受力要求[153-155]。
   7 。裝配式凯时娱乐官网整體結構受力與抗震性能
    裝配式凯时娱乐官网節點一般為半剛性連接,其對整體結構影響規律與傳統結構不同。周青、王偉等進行了分層裝配式支撐凯时娱乐官网工業化建筑體系擬靜力加載試驗,考察了分層裝配式支撐凯时娱乐官网在水平地震作用下的抗側力機制、破壞模式與滯回特性,以及剛度和承載力的變化規律[156]。舒興平采用Pushover分析方法對裝配式斜支撐節點鋼框架結構進行罕遇地震作用下的彈塑性分析,并與無斜撐鋼框架結構進行對比[157-159],證明塑性鉸大部分出現在桁架梁腹桿部位,框架柱處于彈性階段。同時,對裝配式斜支撐節點鋼框架和裝配式無支撐節點鋼框架進行7度罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析。分析表明,斜支撐節點使結構整體剛度大幅提高。又通過3個4跨5層裝配式斜支撐節點鋼框架結構算例,驗證了日本《高冗余度凯时娱乐官网倒塌控制設計指南》中抗連續倒塌能力評價指標對裝配式斜支撐節點鋼框架結構的適用性。劉學春采用有限元分析方法,研究裝配式斜支撐節點鋼框架結構受梁柱節點影響的斜支撐柱的承載能力,獲得結構體系的受力性能和設計方法[25-26]。同時,進行了30層結構的整體有限元分析,獲得該結構體系的極限承載力、破壞模式和機理。

本文由 安徽凯时娱乐官网廠家 整理編輯。