基于施工全过程健康监测的装配式部分包覆钢-混凝土组合结构体系动力特性研究

为研究装配式部分包覆钢-混凝土组合结构的动力特性,基于世博文化公园双子山项目,采用全过程健康监测手段对装配式PEC结构体系施工全过程的应力、加速度进行监测,研究其阻尼比和自振频率在施工过程中的变化情况,将实测结果与有限元计算结果进行对比。结果表明:结构应力计算值、自振频率计算值等均与实测值吻合较好,验证了结构施工全过程仿真模拟计算的合理性。施工过程中PEC框架梁柱及节点后浇区的型钢及混凝土应力实际监测结果均满足强度要求。节点后浇区混凝土浇筑前后,结构自振周期和阻尼比差别较小;结构顶部覆土恒载施加完成后,结构的自振周期和阻尼比均较之前有所增大。结构设计时阻尼比取0.04,小于施工完成后的阻尼比实测值最小值0.046,阻尼比取值偏于安全,设计阻尼比取值合理。

工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能影响的试验研究

为了研究工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁(大截面PEC梁)受弯性能的影响,对5根不同构造的大截面PEC梁进行了静力试验,研究了两点加载下主次梁腹板开洞方式对大截面PEC梁试件受弯性能、延性、破坏模式等的影响规律。结果表明:静力荷载作用下,各个试件均表现出良好的延性,腹部开孔对试件承载力和截面刚度有一定的削弱作用。型钢主钢件的应变与混凝土的应变沿截面高度方向均大致呈线性变化,符合平截面假定。按《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)计算得到的开工艺孔的大截面PEC梁抗弯承载力与试验值误差较小,受尺寸效应影响不大,所采用计算公式安全可靠。

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

针对部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点区域后浇筑混凝土不易密实的问题,研究了受拉侧混凝土对局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁(局部半包裹PEC梁)受弯性能的影响,进行了2根不同构造的局部半包裹PEC梁的四点弯曲试验,模拟局部半包裹PEC梁负弯矩区受力状态,对其受弯性能、延性、破坏形式等展开分析。结果表明:局部半包裹PEC梁表现出良好的延性,挠度达到l_(0)/50时截面抗弯承载力并未下降。型钢主钢件、混凝土的应变沿截面高度方向大致呈线性变化,可引用平截面假定计算受弯承载力及刚度。局部半包裹PEC梁受拉侧混凝土对其极限承载力与破坏模式影响不大,在计算局部半包裹PEC梁柱节点受力时可不考虑受拉侧混凝土作用,节点后浇筑区域可采用半包裹填充,以加快施工进度。此外,对局部半包裹PEC梁进行建模,进行梁受弯过程的有限元分析,对比模拟结果与试验结果,二者荷载-挠度曲线吻合较好,误差均在10%以内。

装配式部分包覆钢-混凝土组合剪力墙受弯承载力计算

为研究装配式部分包覆钢-混凝土组合短肢剪力墙的受弯承载力和抗震性能,设计制作了5片短肢剪力墙。通过拟静力试验,分析轴压比、翼缘板厚度、混凝土强度和型钢强度对试件破坏形态、滞回性能、受弯承载力、变形能力、刚度退化和耗能能力的影响。试验结果表明:短肢剪力墙表现为典型的压弯破坏;轴压比由0.4增大至0.6,试件的承载力及延性均降低;翼缘板厚度的变化对试件的承载力和延性影响较小;随着混凝土和型钢强度的增大,试件的承载力随之增大;罕见地震作用下,试件表现出良好的抗震性能,提出部分包覆钢-混凝土组合剪力墙受弯承载力计算公式,计算结果与试验值吻合度较高。

包覆钢技术在框架结构项目中的应用

以南京市某住宅小区社区配套商业服务中心项目为例,拟采用装配式钢混组合框架结构。结构采用PEC柱、PEC梁、钢梁及钢筋桁架楼承板,通过将装配的属性赋予钢混组合结构。通过本项目验证装配式钢混组合框架结构既能保证结构的安全性,满足建筑使用功能,又能缩短工期,节省材料,满足国家绿色低碳智能建造的要求。通过本项目,在新型工业化建筑设计与建造方向做出积极探索,为以后同类项目提供借鉴。

部分包覆钢-混凝土组合空腹梁受弯性能试验研究

为了研究部分包覆钢-混凝土组合空腹梁(简称PEC空腹梁)不同构造的效果及优劣,对5根不同构造措施的PEC空腹梁进行四点弯曲试验,研究其破坏形态、承载能力、变形性能、型钢与混凝土应变、型钢翼缘与腹部混凝土之间的滑移量等指标。试验结果表明:静力荷载作用下,5根PEC空腹梁均具有良好的延性和变形能力;从承载力和位移延性系数等来看,π型桁架构造形式较优;蜂窝及空腹构造形式在截面变化处易出现应力集中,使型钢下翼缘发生断裂破坏;型钢、混凝土应变沿截面高度基本符合平截面假定;型钢翼缘与混凝土之间的滑移量不大,对受弯承载力计算的影响可忽略不计。按全截面塑性准则来计算PEC空腹梁的受弯承载力是可行的,理论值与试验值误差较小。

部分包覆钢-混凝土组合蜂窝框架梁抗震设计研究

部分包覆钢H形蜂窝钢-混凝土组合梁(简称PEC-H梁)是在H形主钢件腹板开孔的水平受力构件,开孔后使得PEC构件能一次浇筑完成且方便通过孔洞铺设设备管线。随着PEC相关规范的发布,PEC这种结构形式得到了更多的研究和应用,但对PEC-H梁抗震的研究较少,本文结合已有试验实测数据,通过理论分析,结合相关规范研究了弯剪共同作用下PEC框架梁受弯承载力和受剪承载力之间的相关性,提出了适用于已有试验中PEC框架梁试件的弯剪相关性方程;PEC框架梁设计时可优先考虑圆形孔洞且选用主钢件由错位成孔法形成的圆孔PEC-H梁;PEC-H梁的承载力于高跨比、截面高宽比及孔洞尺寸有关,其孔洞边缘与梁端最小距离应在设计时进行验算。

部分包覆钢-混凝土装配式框架-现浇钢筋混凝土核心筒结构应用研究分析

某建筑主体结构高度为172.4m,采用框架-核心筒结构体系。核心筒采用现浇钢筋混凝土结构,外框架进行了装配式钢筋混凝土框架、钢管混凝土柱钢梁框架、部分包覆钢-混凝土组合框架三种结构方案对比。部分包覆钢-混凝土组合框架采用钢管混凝土柱、部分包覆钢-混凝土框架梁、部分包覆钢-混凝土次梁、预应力混凝土叠合楼板。并对部分包覆钢-混凝土组合框架-核心筒进行了地震作用下动力弹塑性分析,考察此结构动力性能。

十字形部分包覆钢-混凝土组合柱轴压性能数值分析与承载力计算方法

为研究十字形部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)轴向荷载作用下的受力性能,通过有限元软件ABAQUS建立了足尺十字形PEC柱模型,并利用已有的试验数据验证了其可靠性;在此基础上,进行了典型十字形PEC柱轴压全过程受力分析,揭示了其在轴压作用下的受力机理和破坏模式,并对该构件进行了受力性能参数分析,系统分析了含钢率、截面高宽比、钢材强度、混凝土强度、系杆间距和截面面积等参数对其轴压性能的影响规律。研究结果表明:十字形PEC柱受力性能良好,其破坏模式主要表现为柱中部混凝土被压碎,钢筋骨架向外发生鼓曲,横向系杆间的型钢翼缘发生波纹状的局部屈曲;极限轴压承载力随截面含钢率、钢材强度、混凝土强度和截面面积的提高而增大,但截面高宽比和系杆间距等对其承载能力影响不大。最后,考虑混凝土约束效应分区,提出了十字形PEC柱轴压承载力简化计算方法,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。研究结果将为十字形PEC柱的设计和应用提供参考。

部分包覆T形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

进行了2个主钢件为T形蜂窝钢的部分包覆钢-混凝土组合梁(PECCS-T梁)的静力单调弯矩加载试验研究,并将其与已有的部分包覆H形蜂窝钢-混凝土组合梁(PECCS梁)的试验研究结果进行对比,考察主钢件受压翼缘对组合梁受弯性能的影响,并研究用钢量相近情况下增大蜂窝式主钢件截面扩张比对PECCS-T梁受弯性能的影响。研究结果表明:PECCS-T梁的破坏模式与PECCS梁的破坏模式不同,表现为受拉钢翼缘屈服后受压区混凝土被压碎。组合梁中的受压钢翼缘能有效地约束混凝土,显著提高组合梁的抗弯承载力、变形能力和延性。PECCS-T梁按主钢件最大削弱截面计算得到的理论值Mu与试验值Mtest比较接近。增大T形主钢件的截面扩张比,能够有效提高PECCS-T梁的抗弯承载力,且保持变形能力不降低。

部分包覆钢-混凝土组合梁抗火性能研究

为研究部分包覆钢-混凝土组合梁(PEC梁)的抗火性能,基于既有试验建立PEC梁有限元分析模型,对PEC梁高温下的受力性能展开研究,考察防火涂层厚度、截面尺寸等因素对构件温度场的影响,考察荷载比、防火涂层厚度、截面尺寸、纵筋配筋率等因素对构件耐火极限的影响。结果表明:温度越高,构件的跨中变形速率越大;构件的升温速率随截面尺寸和防火涂层厚度的增加而减小;荷载比、防火涂层厚度和截面尺寸是影响PEC梁耐火极限的主要因素。在参数分析的基础上,提出PEC梁耐火极限计算公式,计算结果与数值模拟结果的误差在5%以内,因此该公式可为PEC梁的抗火设计提供参考。

主钢件腹板开孔对部分包覆钢-混凝土组合梁性能的影响

部分包覆钢-混凝土组合梁(简称PEC梁)中主钢件腹板开孔时,构件厂浇筑混凝土可一次成形,且钢腹板两侧混凝土整体性好,但钢腹板开孔也带来应力集中等问题。本文研究了主钢件腹板开孔对PEC受弯性能、抗震性能的影响。结果表明:对比钢腹板未开孔的PEC梁,钢腹板开六边形孔、圆孔的PEC梁的抗弯承载力分别降低了15%、7%,延性也有所降低,但钢腹板开圆孔时PEC梁的延性仅略有降低;钢腹板开孔导致PEC梁的弯矩-转角滞回曲线由轻微的捏拢现象,但滞回曲线总体上依然饱满,表现出良好抗震性能;此外,在往复荷载作用下,钢腹板开孔将导致孔洞附近混凝土出现“X”状斜裂缝、以及主钢件最大削弱截面处翼缘拉断。

十字形部分包覆钢-混凝土组合异形柱轴压性能试验研究

为研究十字形部分包覆钢-混凝土组合异形柱(PEC柱)的轴压受力性能和破坏模式,设计制作了一根十字形PEC柱并进行轴心受压试验研究,并参考相关规范对试验数据进行理论分析对比。研究结果表明:在轴心受压的情况下,试件经历的工作阶段为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段与塑性工作阶段,试件的最终破坏现象为柱中部的混凝土被压溃、部分混凝土脱落、柱中部的钢翼缘局部屈曲、钢翼缘与混凝土脱离、柱整体产生弯曲变形;试件破坏模式为整体失稳破坏;试件的试验承载力比参考《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》计算的理论计算值低,比考虑稳定系数后的理论计算值高,验证了十字形PEC柱的破坏模式,说明十字形PEC柱的承载力良好,该结构具有良好的工程应用前景。

部分包覆蜂窝钢-混凝土组合柱轴心受压数值分析

部分包覆蜂窝钢-混凝土组合柱是将传统的部分包覆钢-混凝土组合柱和蜂窝钢柱结合起来的一种新型结构构件形式,目前国内外相关研究较少。利用ABAQUS有限元软件建立模型,对PEC蜂窝柱进行参数化分析,研究不同参数下其轴压性能的差异。研究结果表明:PEC蜂窝柱的极限承载力受主钢件截面扩高比、翼缘宽厚比及混凝土强度的影响较大,受纵筋配筋率、连杆配置及孔洞形式的影响较小;PEC蜂窝柱中的混凝土强度等级建议选择常用的C30、C40;PEC蜂窝柱在孔洞形式为圆形时承载力最高,方形最差。

部分包覆钢-混凝土组合构件中主钢件翼缘的局部稳定性能研究

部分包覆钢-混凝土组合构件因两种组成材料的相互约束,能大幅增强H型钢翼缘的局部稳定性,因而设计时可以采用较大宽厚比的板件。增大冀缘宽厚比能提高钢材利用效率,但也存在降低构件承载能力和塑性变形能力的风险。对这类构件中钢翼缘板受压条件下的局部稳定性能进行了研究,推导了弹性与弹塑性失稳条件下的临界应力与冀缘宽厚比;根据试验研究结果,分析了翼缘宽厚比和连杆间距对构件延性的影响;讨论了现行规范有关规定的合理性。结果表明:混凝土单侧约束能大幅提高钢板的局部稳定临界应力,并可由此推导出PEC构件中主钢件翼缘板的宽厚比限值;当设置连杆约束时,在一定范围内采用较密的连杆间距,可以满足较大宽厚比截面的塑性承载的要求。

部分包覆钢-混凝土组合柱单向压弯面内整体稳定承载力的工程计算

利用有限元方法建立部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)模型,对比既有试验数据,校核其可行性。经大量参数计算,在多高层建筑结构常见的柱子长细比范围内考察了压弯构件极限状态下轴力-弯矩相关曲线的特点。提出了采用轴力-弯矩相关方程表达的PEC柱单向面内压弯整体稳定承载力计算公式,利用既有试验数据、有限元计算数据对该公式的适用性、可靠性进行校核。结果表明,在绕强轴失稳与绕弱轴失稳的情况下公式均偏安全且经济,可用于实际工程中。

部分包覆钢-混凝土组合柱轴压整体稳定承载力的工程计算

部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)能以较小的截面尺寸承担较大的荷载,因而在实际工程应用中具有较大长细比,承载力转为由整体稳定控制。利用有限元软件ABAQUS建立PEC轴压柱模型,对比既有试验数据,校核其正确性。在此基础上,对不同截面尺寸、材料强度配比下的构件进行参数分析。根据计算结果,对PEC柱的轴压整体稳定系数取值提出两种方案:一是按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)b,c类柱子曲线进行设计计算;二是借助《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的柱子曲线形式,更新缺陷系数,给出新的稳定系数曲线。将两种方案计算结果与试验数据进行了比较,对其适用性进行了研究。

部分包覆钢-混凝土组合柱单向压弯承载力计算方法比较

总结欧洲规范EN 1994-1-1、加拿大规范CSA-S16-09和国内规范《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)中部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)以及《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)和《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159∶2004)中组合柱的单向压弯承载力计算方法,将五种方法得到的轴力-弯矩(N-M)相关曲线计算结果与已有试验数据进行比较。结果表明:规范EN 1994-1-1曲线是各种试验点的下包线,规范EN 1994-1-1和《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)曲线均具有外凸特性;《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)曲线与规范CSA-S16-09曲线较为接近,且均偏保守;《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159∶2004)曲线为外凸折线,与试验值吻合较好。

部分包覆钢-混凝土组合梁受弯承载能力及变形能力试验研究

针对不同剪跨比、翼缘宽厚比、混凝土类型(普通混凝土及轻骨料混凝土)及连杆形式(C型及X型)的部分包覆组合梁,进行了纯弯与剪弯受力状态下的静力性能试验,分析了梁的弹性及塑性承载能力和延性。试验结果表明:部分包覆组合梁的受弯承载能力试验值与采用边缘屈服及全截面塑性理论计算得到的理论值较为接近;试件的位移延性系数在9.84~21.32间,具有较好的变形能力;采用了较小翼缘宽厚比的试件延性较好;配置了轻骨料混凝土的试件延性稍低;配置了不同连杆形式的试件延性相近。