专家解读
为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果,反映相关研究发展动态和趋势,推动学术交流,《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性,研究成果具有创新性和实用性,研究方法具有可借鉴意义的优秀成果,由作者介绍研究背景,深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 长安大学赵均海 教授,为您解读 装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙结构体系研发及抗震性能 。
装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙结构体系研发 及抗震性能研究
1.
研究背景
复式钢管混凝土源自于钢管混凝土,通过双层钢管从内外两个方向约束钢管内混凝土,可以更好地改善内填混凝土力学性能,有利于结构抗震。目前工程中钢管混凝土结构中柱-柱拼接常采用焊接,梁柱连接大多采用栓焊连接(图1),涉及大量高空焊接作业和现场湿作业,施工工序较繁琐、工业化程度相对较低。为此,课题团队在国家自然科学基金和陕西省重点研发计划等项目的资助下,自主研发了装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙结构体系,针对该体系建造技术、抗震试验、设计方法等关键问题展开了系统研究。
专家解读长安大学赵均海教授为您解读装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙结构体系研发及抗震性能
图1  钢管混凝土结构传统建造方法
传统建造技术的特点: 1)现场施工涉及大量的焊接作业、湿作业和定位对中、垂直度矫正等,工序较繁琐; 2)焊接大多是高空作业,对工人技术要求高且存在一定的施工安全风险; 3)施工工种较多,对现场施工场地要求高,各工种间协调施工要求高; 4)现场湿作业对场地和设备要求高,人力成本和工程造价相对较高。
研发需要解决的核心问题: 1)减少现场施工量,将现场难操作的焊接和湿作业转交于工厂,从而实现施工现场的快速建造; 2)实现各关键节点的装配式连接并保障其安全性,既方便现场装配、实现标准化模块化生产,又安全可靠。
2.
研究过程
2.1  装配式复式钢管混凝土框架-剪力墙结构(PCFDSTF)体系研发
2.1.1 研发思路
1)将复式钢管混凝土结构体系划分成柱模块、梁模块、剪力墙模块和楼板模块; 2)各模块均可在工厂预制生产,均可模块化设计,养护后运输到现场装配式安装; 3)各模块安装后可为下一步安装的模块提供支撑,从而减少施工现场临时支撑的加设,以及室外施工的工作量。
2.1.2 装配式拼接方法
1)柱-柱连接。 具体连接方法见图2。其优点是: 实现全螺栓连接,减少现场焊接和湿作业工作,现场仅需螺栓安装和极少量的灌浆工序,工序简便; 下层柱连接板为上层柱提供支撑、T形连接件为U形钢提供支撑,省除现场连接所需的临时支撑; 所有连接均可作为结构受力的一部分。
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图2  复式钢管混凝土柱装配式拼接节点示意
2)梁-柱加强装配式连接。 具体连接方法见图3。其 优点是:全螺栓连接可有效降低对接焊缝带来的施工难度和工作量,并免除框架梁定位、固定和支承工序; 通过端板和加强块,实现对节点核心区的约束,强化梁柱连接处,提高节点抗震性能。
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图3  复式钢管混凝土柱-钢梁加强装配式连接节点示意
3)框架-梁端连接剪力墙连接。 具体连接方法见图4。其优点是: 剪力墙可在工厂预制后运至现场装配安装,施工简便快捷,装配化程度高; 连接简便且可逆向施工,可根据结构设计需求进行更换和修复,也可根据建筑设计需求二次变更,灵活度高,适应性强。
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图4  复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙装配式连接示意
2.2  装配式复式钢管混凝土框架-剪力墙结构抗震性能试验
共完成3榀框架和6榀1:2缩尺框架-剪力墙结构低周往复荷载试验,结构模型建造过程见图5,柱装配式拼接示意见图6,试验加载装置见图7,试件参数见表1和表2。
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图5  试验模型制作、安装和装配流程
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图6  CFDST柱装配式拼接
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图7  试验加载装置
表1  装配式复式钢管混凝土框架试件
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表2 装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接剪力墙试件
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3.
研究结果
3.1  破坏模式及滞回性能
三榀框架的破坏模式如图8所示。在梁柱节点处,采用传统栓焊连接的试件TBF破坏模式为节点处CFDST柱外钢管板件被撕裂,试件PJBF和试件FPBF均为节点处梁端加劲肋沿焊缝方向被撕裂、盖板出现局部屈曲、盖板与梁高强螺栓出现滑移现象等。三个试件在柱底处出现外钢管压屈破坏,柱底形成塑性铰式破坏模式。采用柱-柱装配式拼接的试件FPBF在柱拼接处未见明显破坏现象。
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图8  三榀框架试件破坏模式
六榀框架-梁端连接剪力墙的破坏模式如图9所示。BF-BSW试件均在钢板屈曲后形成了明显的局部拉力场,BSW螺栓连接处出现钢板撕裂现象;BF-BRW中钢筋混凝土剪力墙均呈现出弯剪破坏模式,加载后期螺栓连接处BRW破坏严重形成明显通缝;由于钢板的限制,BF-BCW中钢筋混凝土剪力墙首先因为剪力产生中部裂纹,随着钢板剪力墙的屈曲,加载后期BCW在螺栓连接处及四个角部区域破坏严重。
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图9  六榀框架-梁端连接剪力墙试件破坏模式
3.2  滞回性能和关键抗震指标
三榀框架荷载-位移曲线如图10所示。三榀框架试件的滞回曲线均较饱满,初始抗侧刚度相近。与传统栓焊梁柱连接的试件TBF相比,加强装配式梁柱节点不仅可提高框架极限承载力和变形能力,还可改善结构延性,是一种抗震性能较好的节点连接方式;所提柱-柱装配式拼接方法在层间位移角小于4%前几乎不影响结构的变形、承载力和耗能能力,性能稳定,技术可靠。
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图10  三榀框架试件荷载-位移曲线
六榀框架-梁端连接剪力墙的骨架曲线对比如图11所示。BSW可以有效地提高FPBF框架的抗侧刚度、屈服荷载、极限荷载和延性,增大幅度与BSW个数近似成正比例关系;布设多片BRW可以使结构承载力分阶段退化,BRW交替承载损伤有助于提高结构延性,可成为结构第一道抗震防线;BCW可大幅提高结构承载力和刚度,但延性略有下降,BCW承载力可达BSW和BRW之和的90%左右,尽管有所削弱,但仍具有较稳定的承载能力和对框架的提高作用,可用于对承载力要求较高的CFDST框架中。
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图11  框架-梁端连接剪力墙试验模型的骨架曲线对比
4.
工程应用前景
自2016年国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》及2020年住房和城乡建设部、工业和信息化部等九部门联合发布《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》以来,装配式建筑与建筑工业化已是我国建筑业发展的重要方向。
复式钢管混凝土在竖向承载、抗震及抗火方面具有优势,在高层建筑中具有很好的应用前景。研究团队结合CFDST受力特点,研发了装配式CFDST框架-梁端连接剪力墙结构体系,提出梁柱加强式、柱对接及框架-梁端连接剪力墙等关键节点装配式连接方法,开展了不同装配程度、不同剪力墙类型CFDST结构的系列性抗震性能试验,提出了适用于此类装配式节点的结构抗震设计方法。未来设计人员可以根据结构设计、结构类型和材料的需要,挑选适当的剪力墙类型,实现对CFDST框架抗震性能的提升。研究有望促进装配式复式钢管混凝土结构的推广应用,可用于指导CFDST结构的抗震设计和性能提升,具有重要的研究意义和工程应用前景。

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