发展装配式钢结构 推动建筑业高质量发展

一、正确认识建筑业的高质量发展,全国住房城乡建设工作会议提出:要深化建筑业供给侧结构性改革,持续在工业化、数字化、绿色化转型上下功夫,努力为全社会提供高品质建筑产品,打造“中国建造”升级版。当前形势下,向工业化、数字化、绿色化转型升级是建筑业高质量发展的现实需求,也是行业发展的必然趋势。其中,工业化、数字化是手段与方法,绿色化是高质量发展目标。向工业化转型,必须大力发展装配式建筑。大力发展装配式建筑,必须实现部品部件工厂化生产、装配化施工。同时要坚持以信息化带动建筑工业化,以建筑工业化促进建筑信息化,实现“两化融合”是必然选择。数字化是一种信息化手段,将建筑业的标准、规则、经验、要求等数字化,形成海量数据,并通过建筑信息化平台,适用于全产业链、全生命周期、参与方全过程。数字化也是智能建造的基础,可驱动生产建造技术和企业管理模式均发生根本性变革。建筑工业化是信息化和智能建造的基础,与信息化融合并与智能建造协同发展具备创新性、先进性,是培育新质生产力、推动建筑业高质量发展的重要手段。

高层剪力墙结构多目标智能设计方法

高层剪力墙结构智能设计包括智能建模和智能优化两个环节。目前智能建模环节缺乏梁自动化布置和荷载自动化布置;智能优化环节只考虑材料成本而未考虑施工的便捷性。此外,现有的智能设计方法均局限于单标准层的高层剪力墙结构。为此,该文提出了高层剪力墙结构多目标智能设计方法,包括多标准层高层剪力墙结构的智能建模和多目标优化。多标准层高层剪力墙结构智能建模包含剪力墙智能布置、梁自动化布置、板自动化布置和荷载自动化布置;以材料成本和施工便捷性为目标,采用分步优化策略和基于小生境技术的遗传算法对高层剪力墙结构进行多目标优化。通过实际工程算例对所提出的方法进行了验证,结果表明,所提出的高层剪力墙结构多目标智能设计方法稳定、可靠,可以较好地兼顾材料成本和施工的便捷性,并能显著缩短设计周期。

单轴对称截面轴压构件弯扭失稳换算长细比的一般计算式

单轴对称截面轴压构件弯扭失稳的换算长细比是计算其极限荷载的重要参数。基于单轴对称截面轴压构件弯扭失稳的平衡微分方程,采用Galerkin法推导了4种边界约束条件弯扭失稳临界荷载的一元二次方程,并进一步得到了基于荷载比、双长细比的弯扭失稳换算长细比理论式。基于理论式,分别对比了我国现行标准GB 50017—2017中双角钢组合T形截面轴压构件扭转失稳、弯扭失稳的换算长细比,揭示了其中存在的问题;提出了新的双角钢组合T形截面轴压构件扭转失稳、弯扭失稳换算长细比的计算式,并与理论式的计算结果进行对比。结果表明,对于不同边界约束条件的轴压构件,其弯扭失稳临界荷载或换算长细比的形式不尽相同;相较于GB 50017—2017中的公式,所建议的双角钢组合T形截面轴压构件扭转失稳、弯扭失稳的换算长细比具有更高的精度,且适用于4种边界约束条件和115个等边双角钢组合T形截面、71个长肢相并的不等边双角钢组合T形截面和71个短肢相并的不等边双角钢组合T形截面。

用于风电钢塔筒的加劲钢管压弯性能试验研究

薄壁圆钢管广泛应用于风电机组锥筒型钢塔筒中,其在径厚比较大时易出现局部失稳,进而导致塔筒承载能力下降。该文提出了一种可用于风电钢塔筒的纵向加劲钢圆钢管结构形式,并进行了6个试件的压弯加载试验,以研究加劲肋形式及径厚比大小对加劲圆钢管压弯性能的影响。试验结果表明:在相同用钢量下,加劲肋有效改善了钢管的局部屈曲,改变了结构的破坏形态,增大了钢管的塑性发展程度,从而提升了钢管的承载力及延性,其中T型加劲肋的增强效果更为明显。并将试验模型与有限元建模进行对照,互相验证了准确性。最后使用现有设计标准对试验结果进行了初步评估,无加劲肋试件与各设计标准吻合良好,但现有计算方法低估了加劲试件的承载力。

考虑P-Δ效应的钢-混凝土混合塔筒动力响应分析

为了提高风电机组钢-混凝土混合塔筒动力响应的分析效率,将风电机组钢-混凝土混合塔筒视为自由端有集中质量的欧拉-伯努利悬臂梁,提出了动力响应的高效分析方法.该方法考虑了重力二阶效应(P-Δ效应)对整体结构的动力响应,以及钢材与混凝土对结构整体阻尼比的影响.通过与基于ABAQUS的有限元模拟结果进行对比,验证了所提出分析方法的有效性,并研究了P-Δ效应对整体动力响应的影响程度.对比结果表明:与忽略P-Δ效应相比,考虑P-Δ效应时理论分析结果更接近于有限元分析结果;理论分析结果与有限元分析结果关于位移、速度和加速度均方根的最大相对误差分别为3.09%、3.81%、4.63%.这表明所建立的风电机组钢-混凝土混合塔筒动力响应分析模型具有与有限元分析相当的计算精度.

基于模型预测控制的多钢筋并行排布智能深化设计方法

传统钢筋深化设计的大量排布工作是基于手动或半自动化的方式完成的,时间及人工成本较高。目前基于单根钢筋的智能设计方法存在3个问题:同向钢筋没有共享机制,无法利用相似信息,造成大量重复性计算;钢筋之间不具备协同机制,无法保证钢筋前后左右间距的一致性;优化策略基于局部信息进行智能体轨迹规划,难以应对复杂和特殊的钢筋排布场景。为解决上述问题,提出基于模型预测控制(MPC)的多钢筋并行排布智能设计方法,以提高钢筋的排布效率及质量。MPC是一种可以兼顾全局信息和局部信息的寻优策略,通过滚动优化和最优解首元素的应用,提高钢筋应对复杂环境的能力,实现钢筋智能避障和长度优化。多钢筋并行排布策略采用领航跟随者模式实现信息共享和行为协同,利用同向钢筋的相似信息,可减少重复性工作并保证钢筋间距一致。为提高优化效率和质量,结合群体智能的优点进一步改进差分进化算法,并将其作为MPC的求解器。实验结果表明,通过与单钢筋排布方法在不同障碍物情形下的对比,提出的多钢筋并行排布方法能够有效提高钢筋排布的质量、优化效率和应对复杂障碍物场景,并以预制混凝土楼梯构件设计为示例,验证了所提方法的可行性和有效性。

智能建造关键技术研究

智能建造是融合新一代信息技术和工程建造技术,在工程中利用人工智能技术完成复杂建造工作的一种新型生产方式,其重点是人工智能技术,核心是机器学习、智能计算技术与工程技术相融合。智能建造涵盖智能化设计、智能化生产、智能化施工、智能化运维等功能,已逐步应用于建筑、桥梁、公路、隧道、机场、车站、水利、能源工程等领域。

智能建造关键技术研究

随着我国城市化进程不断加快,建筑业粗放型生产方式已不符合高质量发展要求。发展智能建造,是当前建筑业突破发展瓶颈、增强核心竞争力、实现高质量发展的关键所在。为此,本文针对设计、检测与预拼装、制造与施工等领域开展智能建造关键技术研究,提出智能设计、智能检测与预拼装、智能机器人等解决方案。

冷弯薄壁型钢组合墙体简化计算模型研究

组合墙体作为冷弯薄壁型钢结构体系的主要承重和抗侧力构件,其受力性能对房屋整体结构抗震性能的影响应重点关注.基于此,建立冷弯薄壁型钢组合墙体简化计算模型,采用非线性对角弹簧模拟分析组合墙体的剪切变形,设置梁式杆件模拟分析组合墙体的弯曲变形,且墙体门窗洞口的影响也可在模型中体现.借鉴日本规范建议的墙体等代拉条法,推导出简化计算模型中对角弹簧轴向刚度的计算方法.结合组合墙体拟静力加载试验,验证了组合墙体简化计算模型的正确性,该模型满足基于弹性的设计要求,不适用于结构的弹塑性分析.最后,基于组合墙体的简化计算模型,参照振动台试验试件建立了3层冷弯薄壁型钢结构房屋的有限元模型,通过弹性动力时程分析验证了组合墙体简化计算模型的正确性,可为轻钢结构的抗震设计提供参考.

腹板并合双肢冷弯薄壁Σ型钢压弯构件畸变性能试验研究

为研究腹板并合双肢冷弯薄壁Σ型钢拼合钢柱的畸变屈曲性能及其相关作用,并评估现行各国规范计算方法适用性,设计制作了22根构件进行压弯试验。以Σ型加劲、腹板孔位、偏心荷载作用位置、柱长等为主要参数,考察其对试件屈曲行为、破坏特征和极限承载能力的影响。结果表明:试验主要发生畸变屈曲或畸变-整体、畸变-局部相关屈曲,Σ型加劲有效地防止了腹板局部屈曲;腹板开孔不会影响屈曲模式的改变;关于强轴和弱轴的偏压位置及偏心距离对试件畸变屈曲行为有显著影响。采用中美技术标准包括中国规范GB50018-2002、JGJ/T 421-2018以及北美规范NAS 100-2016计算的承载力结果与试验结果进行了对比分析,结果表明:荷载绕强轴偏心作用时,中美规范计算结果均偏于安全;荷载绕弱轴偏心作用时,GB 50018-2002和NAS 100-2016计算结果偏于安全,而JGJ/T 421-2018计算值较为保守,试验与其比值约为1.64,该文建议腹板双肢并合截面整体协同工作下绕弱轴稳定承载力可按全截面计算。

冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙抗剪性能试验及理论研究

为推动冷弯薄壁型钢结构体系由低层向多层发展,解决传统剪力墙抗剪承载力不足、端柱易发生屈曲和局部承压破坏的技术难题,提出了冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的新型墙体构造形式,以实现“强端柱、弱墙板”的设计原则。通过水平低周往复加载试验对剪力墙的抗剪性能进行研究,试验结果表明:钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的破坏形式为钢板周边螺钉连接破坏导致蒙皮作用失效,钢管端柱未见压屈。减小剪力墙周边自攻螺钉的间距,使钢板拉力带得到充分发展,可提高剪力墙的抗剪承载力、抗侧刚度、延性以及耗能能力。对钢管—钢板自攻螺钉连接试件的抗剪性能进行试验研究,结果表明:螺钉连接试件的破坏特征为钢板的孔壁承压破坏,自攻螺钉群的抗剪承载力具有“群体折减效应”。基于剪力墙和自攻螺钉连接试件的抗剪试验结果,提出了钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的抗剪承载力和抗侧刚度的计算方法。研究成果为多层冷弯薄壁型钢结构体系的理论研究和工程应用提供可靠依据。

风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究

在风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中,转接结构是用于连接上部钢塔段与下部混凝土塔段的过渡结构,其受力复杂,采用传统的钢筋混凝土结构形式容易产生裂缝甚至发生破坏。提出了一种中空夹层钢管混凝土转接结构,并进行了4个中空夹层钢管混凝土转接结构试件及1个钢筋混凝土转接结构对比试件的轴压试验。结合有限元及理论分析揭示了中空夹层钢管混凝土转接结构的承载能力及隔板、栓钉等因素对其受力性能的影响。结果表明:在相同用钢量下,中空夹层钢管混凝土结构形式显著提高了转接结构的承载能力及变形能力;隔板和栓钉的设置增强了钢与混凝土的连接,限制了内外钢板的局部屈曲、延缓了混凝土的压溃,进一步提升了结构的轴压受力性能;其中,栓钉对于增强结构整体性更为有利,使结构延性增加更为显著。

冷弯薄壁型钢组合楼盖面外和面内刚度试验研究及理论分析

冷弯薄壁型钢组合楼盖作为冷弯薄壁型钢结构住宅体系中主要竖向承重和水平传力构件,应具备良好的面外和面内受力性能以推动轻钢结构体系由低层向多高层发展。基于此,对冷弯薄壁型钢组合楼盖分别进行正常使用阶段抗弯刚度试验、抗弯承载力试验以及面内刚度试验,试验结果表明:组合楼盖面外最终破坏模式为C形楼盖梁在最外侧加载点处压屈破坏,面内最终破坏模式为两侧C形楼盖梁与压型钢板间自攻螺钉连接破坏,冷弯薄壁型钢组合楼盖属于部分抗剪连接的组合楼盖。设置楼面板会大幅提高组合楼盖的面内承载力、面内刚度及面内延性,混凝土组合楼盖的抗弯刚度和刚度退化程度优于石膏基自流平砂浆组合楼盖。基于组合楼盖的受力机理和破坏特征,引入C形楼盖梁与组合楼板界面滑移模量,推导了部分抗剪连接T形截面组合梁的等效抗弯刚度公式来计算楼盖的竖向挠度;建立宽翼缘深梁受力分析模型,推导出组合楼盖面内跨中位移计算方法。该文研究成果为完善冷弯薄壁型钢多层住宅体系中组合楼盖的设计计算理论提供了科学依据。

钢管混凝土加劲环管板节点受力性能研究

为研究钢管混凝土加劲环管板节点在轴向拉力作用下的受力性能,开展了3个节点试件的单调加载试验,分别得到了管板节点加强前后的荷载-位移曲线和破坏模式。试验结果表明:SPR节点在单调荷载作用下主管和加劲环发生局部屈曲,表现为延性破坏;CFT节点在荷载作用下主管壁发生剪切破坏,荷载-位移曲线没有明显的屈服段,表现为脆性破坏;CFTR节点在荷载作用下,连接板处加劲环发生剪切破坏,同时加劲环局部V形屈曲;加劲环能够明显提高管板节点的承载力,同时改善节点的塑性性能;相较于主管外设加劲环,主管内部填充混凝土具有更好的承载力提升效果,节点的刚度变大但塑性性能变差;钢管混凝土加劲环管板节点具有加劲环和混凝土的双重特性,在显著提高节点承载力的同时保障节点塑性性能。在264个有限元模型参数分析的基础上,得到了双加劲环管板节点受拉承载力的计算方法,给出了加劲环厚度和宽度组合的设计建议。基于极限分析的塑性铰线方法,推导出SP节点和SPR节点极限承载力的理论计算模型,计算结果与有限元结果吻合较好。

毛竹杆纯弯构件受力性能试验研究

为研究毛竹杆的受弯性能,先对取自10根毛竹的40组竹条标准材性件进行抗弯试验,得到其破坏模式和抗弯强度;再对直径为90、120 mm,跨距为3000、3600 mm的24根毛竹杆进行弯曲试验,研究其荷载—位移曲线、初始抗弯刚度、极限承载力、挠度、破坏模式等相关力学性能;理论推导毛竹梁破坏受压区高度及受拉区边缘应力。结果表明:毛竹梁跨距变化对挠度的影响大于直径变化对挠度的影响,毛竹梁直径越大、跨距越小,初始抗弯刚度越大;根据试验数据,按弹性理论计算出毛竹杆受弯破坏时的受压区高度在3R/2处,在小挠度条件下,毛竹梁受弯符合平截面假定,大挠度条件下,截面受压区高度上移,计算出的破坏边缘拉应力与平截面假定计算的结果不一致,建议毛竹梁受弯破坏弯矩按上边缘顺纹抗压强度达到最大进行计算。

拉索预应力巨型网格结构参激振动及动力稳定性研究

针对拉索预应力巨型网格结构的参激振动及动力稳定性问题进行了研究。首先建立索-拱简化模型,分析了桁架拱拉索参激振动的诱发机制与特征,并利用ANSYS软件进一步探究了参激振动的影响因素,然后对简谐荷载作用下拉索预应力桁架拱及整体结构的动力稳定性进行了分析。研究表明:当结构振动频率为索基频的2倍左右时,拉索会发生参激振动,振动响应特征与激励幅值、阻尼、拉索初张力、支承方式等相关;拉索预应力桁架拱在水平简谐荷载作用下一般会发生动力失稳破坏,在竖向简谐荷载作用下发生动力强度破坏,拉索预应力巨型网格整体结构在简谐荷载作用下通常发生动力失稳破坏。

缀板加强冷弯薄壁C形钢受压极限承载力研究

为研究缀板加强冷弯薄壁C形钢受压构件的受力性能,采用ANSYS软件建立其非线性有限元模型,并与试验破坏特征、极限承载力进行对比,验证建模方法的正确性.研究缀板间距及偏心距对缀板加强冷弯薄壁C形钢在轴压及单向偏心受压作用下的极限承载力及屈曲模态的影响规律.结果表明:随缀板间距减小,C形钢的屈曲变形由畸变屈曲逐步转为局部屈曲,轴心受压及偏心受压构件极限承载力逐渐增高;随偏心距增大,偏心受压构件的极限承载力逐渐降低;建议缀板加强冷弯薄壁C形钢轴压、偏压构件的缀板间距分别取λ/3、λ/4(λ为屈曲半波长度).基于缀板加强冷弯薄壁C形钢的受力特点及直接强度法,提出缀板加强冷弯薄壁C形钢构件轴压及偏压极限承载力的修正公式,并验证了公式的准确性.

波纹钢腹板组合箱梁的抗剪受力性能

以某跨径为40 m的波纹钢腹板预应力组合梁桥为原型,根据相似理论设计制作了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静力荷载作用下的挠度和应变,研究了该桥型的抗剪受力性能。采用有限元方法研究了波纹钢腹板的整体尺寸、波纹板厚度、波折角度、波纹板高度和平板宽度等对波纹钢腹板构件非线性剪切屈曲性能的影响。另外,对Hamilton所做的波纹钢腹板剪切屈曲试验结果进行了回归分析,给出了波纹钢腹板局部屈曲强度的半经验半理论计算公式。结果表明:混凝土顶板和底板承担了大部分弯矩,波纹钢腹板主要承担剪力,且剪力沿波纹板高度方向均匀分布。

低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系

详细介绍了冷弯薄壁型钢结构住宅体系的组成、材料、基本构件形式、一般构造、楼盖构造、墙体构造、屋盖构造、肾固件连接要求,以及该结构体系的保温隔热、隔声、防火与防护、防潮、管道与电线安装等具体构造措施;同时还根据冷弯薄壁型钢结构住宅体系的组成和构造,归纳和评述了该结构体系所具有的节能、节地、节材、环保,有利于住宅产业化,并具有结构自重轻、施工周期短、综合效益好等一系列特点。冷弯薄壁型钢结构住宅结构体系适合中国国情,符合中国土地资源政策、环保政策和可持续发展战略,在中国具有广阔的应用前景。

大跨径简支转连续箱梁桥的线形观测与控制

采用杆系模型计算箱梁预制过程和施工过程中的应力分布和线形变化,分析了二次张拉的作用以及预应力管道参数、合龙时间、收缩徐变等对结构线形的影响。研究结果表明:二次张拉能有效地控制箱梁早期裂缝且对线形影响很小,而预应力管道参数、合龙时间、收缩徐变等对结构线形的影响不容忽略;在理论计算控制线形中,能否合理地选取计算参数是控制线形的关键。进而通过实测值和理论值的比较,验证了理论计算对线形控制指导作用的可靠性,为今后同类桥型施工控制提供了参考。