模块化钢结构建筑体系应用与研究进展

近年来,模块化钢结构建筑以其施工高效、绿色环保等优点,逐渐成为国家大力推广的新型装配式建筑体系,国内外学者针对模块化钢结构建筑受力性能做了大量研究。从模块连接节点、模块单元抗侧力体系、模块柱受力性能、结构整体性能分析等方面,系统综述了近年来模块化钢结构建筑体系的应用与研究成果。结合现有模块化钢结构建筑相关规程和标准,给出该领域的研究方向及未来发展趋势,为工程实践和科学研究提供一定参考。

带翼缘板嵌入式连接件抗剪性能提升试验研究

为防止波纹钢腹板PC箱梁桥带翼缘板嵌入式连接件翼缘板过早失稳导致失去抗剪能力,在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉。设计制作7组足尺试件进行推出试验,分析栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件在剪力作用下的破坏形态和荷载滑移性能,以及翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度、翼缘板栓钉、腹板厚度和接合钢筋直径对抗剪性能的影响,并验证嵌入式连接件极限承载力计算公式适用性。结果表明:栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件试件破坏模式为混凝土劈裂,荷载~滑移曲线分为弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉,阻止了翼缘板失稳,抗剪承载力得到显著提高;翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度对栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的抗剪性能影响较明显,而腹板厚度和接合钢筋直径的影响可以忽略。带翼缘板嵌入式连接件承载力修正计算公式与推出试验结果吻合度较好,可适用于栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的设计计算。

波形钢板-混凝土组合桥面板焊接残余应力与疲劳性能研究

为了解波形钢板-混凝土组合桥面板中考虑残余应力时波形钢板-横隔板焊接部位的疲劳性能,采用热-结构顺序耦合法对波形钢板-横隔板焊缝的焊接及冷却过程进行有限元模拟,研究焊接及冷却过程后所产生的残余应力场,并基于应变能的评估方法对组合桥面板波形钢板-横隔板焊接区域疲劳寿命进行评估。结果表明:波形钢板-混凝土组合桥面板中波形钢板-横隔板焊接区域在焊接过程中焊缝的温度急剧变化,温度最高可达到1439 ℃,热源作用位置附近的温度梯度较大;起弧和落弧位置残余应力分布较为不均匀,应力梯度较大;其中横隔板上焊缝的下部水平段处竖向残余应力最大(400 MPa)因此应考虑焊接残余应力对结构受力的影响;波形钢板组合桥面板波形钢板-横隔板焊接部位最不利疲劳易损细节为第2纵肋左侧下部倒角波形钢板焊趾处,基于考虑焊接残余应力的应变能的评估方法计算得出波形钢板-混凝土组合桥面板最不利疲劳易损部位的疲劳寿命为60年,小于100年的设计使用寿命,因此采用波形钢板-混凝土组合桥面板的桥梁在运营60年后应在加强波形钢板-横隔板焊缝处疲劳破坏的监测。

钢结构集成模块建筑新型节点力学性能研究

为推广钢结构集成模块建筑在抗震设防地区的应用,解决传统节点不能与模块内部装修配合的技术困难,提出一种应用于钢结构集成模块建筑的螺栓-封板组合节点.建立了其简化力学模型,推导了其初始转动刚度和抗弯承载力计算公式,并通过11个足尺试件的单调加载和循环加载试验对其进行验证.结果表明,上部模块地板梁和下部模块天花板梁无组合效应,独立承担弯矩;所提螺栓-封板组合节点为半刚接节点,可有效传递地震作用引起的轴力、弯矩和剪力;节点初始转动刚度和抗弯承载力的试验结果与所提计算公式吻合较好,验证了节点简化力学模型和理论计算公式.

带自复位耗能连梁的剪力墙结构的抗震性能

为了减小强地震作用下钢筋混凝土联肢剪力墙的连梁结构损伤,实现震后结构功能的快速恢复,提出了一种兼具自复位和耗能功能的新型自复位耗能连梁。新型自复位耗能连梁在跨中安装了由形状记忆合金绞线和粘弹性耗能单元并联而成的新型复合自复位阻尼器。以一榀10层双肢剪力墙结构为例,对连梁跨中分别安装该新型自复位阻尼器的联肢剪力墙、粘弹性阻尼器的联肢剪力墙和普通钢筋混凝土连梁的联肢剪力墙进行了动力时程分析,对比分析了不同阻尼器对联肢剪力墙结构的减震效果。结果表明:地震作用下,结构变形和耗能都集中在连梁阻尼器上,但新型自复位连梁阻尼器对结构地震响应的控制效果要优于粘弹性阻尼器,新型复合连梁阻尼器在地震过程中表现出较好的自复位及耗能能力。

带翼缘板嵌入式连接件抗剪承载力试验研究

在嵌入式连接件的基础上,提出一种带翼缘板嵌入式连接件,依据实际工程,进行8个试件的推出试验,分析其在不同阶段的荷载-滑移曲线关系,研究抗剪承载力的影响因素及破坏模式。结果表明:在钢翼缘板宽厚比满足一定条件时,混凝土板厚处裂缝为直线,板宽处裂缝为波纹线;当钢翼缘板宽厚比未满足条件时,翼缘板发生失稳现象,混凝土裂缝未充分发展,加载因翼缘板失稳无法继续,试验提前结束。翼缘板未失稳试件抗剪承载力约为现有嵌入式连接件承载力理论计算值的1.5倍,证明较嵌入式连接件,翼缘板明显提高了该新型连接件的抗剪承载力。

高强钢框架-屈曲约束支撑体系抗震性能研究

针对高强钢结构在抗震设计中存在的结构延性差、刚度小的问题,提出了高强钢框架-屈曲约束支撑结构。为研究此类结构的抗震性能,对2个足尺单榀单跨单层试件进行了拟静力加载试验,观测了结构在水平往复荷载下变形特征与破坏模式,分析了结构及构件滞回曲线特征,探讨了试件强度退化、刚度退化、塑性变形、耗能能力以及钢框架和屈曲约束支撑的承载力分配和耗能分配。结果表明:高强钢框架-屈曲约束支撑结构滞回性能稳定,塑性变形及耗能能力强,最大水平层间位移角达3%,最大等效阻尼比达30.4%~36.3%。试件破坏模式为整体延性破坏,最终失效模式为柱底翼缘严重局部屈曲以及柱底焊缝撕裂。水平荷载由钢框架与屈曲约束支撑共同承担。当水平位移角在1.5%以内时,塑性变形集中于屈曲约束支撑,钢框架塑性变形仅占总变形的3%~5%,塑性损伤较小,可通过性能化设计方法将结构的塑性变形限制与屈曲约束支撑,可实现震后快速修复。当层间位移角在1.5%以内时,屈曲约束支撑耗能占结构总耗能的95%以上。采用ANSYS软件建立了相应的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。

双阶屈服屈曲约束支撑混凝土框架结构抗震性能研究

结合实际工程项目,提出将新型双阶屈服屈曲约束支撑应用于传统混凝土框架结构。设计一榀缩尺单层单跨双阶屈服屈曲约束支撑混凝土框架结构试件,采用低周往复试验,对双阶屈服屈曲约束支撑在混凝土框架结构中的抗震性能以及二者的协同工作性能进行试验验证。在此基础上,进一步研究双阶屈服屈曲约束支撑在钢筋混凝土框架结构体系中的抗震性能,对双阶屈服屈曲约束支撑框架结构体系进行弹塑性时程分析,并与单阶屈服屈曲约束支撑框架结构体系对比。结果表明,双阶屈服屈曲约束支撑在小震作用下实现第一阶屈服并保持刚度,为结构提供附加阻尼,参与耗能;在中震与大震作用下发生第二阶屈服,持续耗能。与单阶屈服屈曲约束支撑相比,双阶屈服屈曲约束支撑具有更优的抗震性能。

模块化钢结构建筑连接节点研究进展

模块化钢结构建筑是近年来建筑工业化发展的重要趋势,模块间连接节点对于结构整体性能有显著影响,因此其设计至关重要。为此,基于国内外模块化钢结构建筑发展历程,从构件装配层面、模块化结构层面和模块化建筑层面分别综述了国内外模块化钢结构建筑连接节点构造形式和研究现状。结果表明:国内外已经出现多种形式的模块化钢结构建筑连接节点并应用于实际工程中,但对其受力性能的研究相对匮乏,严重滞后于工程实践;同时,缺乏能够与建筑层面模块化作业相适应且受力性能优良的节点形式,无法满足模块化钢结构建筑在高层建筑及抗震设防区域的应用。因此,对节点装配构造、传力机理、抗震性能及其设计理论的研究具有一定的迫切性和现实意义。综述了近年来国内外模块化钢结构建筑连接节点方面的最新进展,结合作者在该领域的研究工作和成果,给出了该领域的研究方向和未来的发展趋势。

模块化集装箱建筑波纹钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究模块化集装箱建筑波纹钢板剪力墙抗震性能,根据模块化建筑建造方式设计加载方案,完成了6个足尺波纹钢板剪力墙试件的拟静力试验。试件参数包括波纹板厚度、长度、波纹型式和是否设置竖缝,通过试验研究其抗侧机理、滞回性能、抗侧刚度、延性及耗能能力等抗震性能。结果表明：增加波纹板厚度和长度,均可有效提高试件抗侧刚度和承载能力;波峰高36 mm较波峰高20.5 mm的波纹板抗侧刚度和屈曲荷载分别增大48.9%和110%,但试件延性有所降低;设置竖缝可使试件破坏模式由整体屈曲转变为剪切屈服,使试件平均能量耗散系数提高12.8%-43.6%,但设置竖缝使试件初始刚度降低48.6%-69.7%。采用CECS 291：2011《波纹腹板钢结构技术规程》中相关规定可以有效预测波纹钢板剪力墙的受剪承载力。

开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法研究

波纹钢板是模块化钢结构中常用的抗侧力构件,由于建筑功能的要求,常常需要在波纹钢板上开设门窗洞口。然而,目前对开洞波纹钢板剪力墙抗侧性能及设计方法的研究比较匮乏,一定程度上制约了模块化钢结构的推广和应用。基于已完成的开洞波纹钢板剪力墙抗震性能试验,利用通用有限元软件ABAQUS建立开洞波纹钢板剪力墙精细化有限元分析模型,考虑了几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷的影响。通过与试件在低周往复荷载作用下的试验结果对比,验证所建立有限元模型的可靠性,揭示了试件的破坏机理。结果表明:所建立的有限元模型可以良好模拟开洞波纹钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的初始抗侧刚度、极限抗剪承载力和破坏模式。由于地震作用下洞口四角存在较强的应力集中,为保证开洞波纹钢板剪力墙具有良好的延性和变形能力,门窗洞口应避免设在试件对角线的端部。建立了开洞波纹钢板剪力墙理论计算模型,将开洞波纹钢板剪力墙等效为若干不开洞波纹钢板组成的一系列串并联弹簧模型,推导了开洞波纹钢板剪力墙抗侧刚度计算式,并与相关试验和数值模拟结果对比验证所推导的计算式。结果表明:所推导的计算式具有较好的精度,可以良好预测开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度。通过参数分析给出了不同波纹钢板厚度、不同波峰高度、不同开洞位置对开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度的影响规律。结果表明:开洞位置显著影响开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度,为使开洞波纹钢板剪力墙具有较高的抗侧刚度,洞口位置宜靠近框架外边缘。基于上述研究工作,给出开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法,建议了合理的开洞位置。