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    装配式多高层钢结构研究要点与现状分析
    刘学春,商子轩,张冬洁,徐路,崔小雄,和心宁
    摘要:装配式多高层钢结构构件或者模块宜工厂内焊接连接,工地全螺栓连接。通过对国内外装配式钢结构建筑的研究和工程应用进行综述,总结了装配式钢结构中柱与柱连接节点、梁与柱连接节点、支撑与框架连接节点、楼板与楼板连接、楼板与梁连接、围护墙体与主体结构连接,以及装配式钢结构整体结构受力与抗震性能的研究成果和研究方法。对国内外研究的问题和发展方向提出了几点建议。
    国内外研究现状
   1 。装配式钢结构体系与工程应用
    由于装配式钢结构具有降低环境污染、减轻劳动强度、加快施工速度等特点,在国内外已有广泛的发展和应用,其主要为装配式住宅。装配式住宅诞生于20世纪初期,在二战后得到发展。20世纪年代,二战使欧洲遭受到严重的创伤,建筑尤其是住宅急需大量重建。欧洲采取工业化的方式建造了大批的房屋,并因此建成了标准、完整的住宅体系。法国是世界上推行建筑工业化最早的国家,从50年代到70年代走出了一条全装配化大板和工具式模板现浇为主的工业化道路。法国的工业化装配式建筑主要采用预应力混凝土框架结构体系,工业化程度达到了80%,构件的连接多为干式连接。德国主要釆用钢筋混凝土框架剪力墙结构形式,构件均采用工厂化预制。德国在二次大战后,前西德地区~80%的房屋遭到破坏,德国住宅产业化迎来了发展契机,经过几十年的发展,目前德国的住宅产业化技术已相当成熟。丹麦是世界上第一个将模数法制化的国家,大批居民住宅采用装配式大板体系,在新建的建筑中通用构件的使用率占到了80%,在满足多样性需求的同时又达到了50%以上的节能效率。瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家,也是当今世界上最大的轻钢结构制造国家,其轻钢结构住宅预制构件达到95%。意大利BSAIS工业化建筑体系适用建造1~8层钢结构住宅。英国在世纪60年代开始建造工业化装配式住宅,将制造业的生产方式引入建筑业,以模数化构建标准化,以标准化推动工业化,以工业化促进产业化。美国是最早采用钢框架结构建造个性化和多样化住宅的国家,高度工业化的轻钢结构在美国发展最快,美国钢结构学会和金属房屋制造协会(AISC和MBMA)联合编制了低层建筑的设计指南,推进了钢结构住宅在美国的发展,2000年轻钢结构在美国的建筑市场中占75%。日本是世界上最早在工厂里生产建筑构件的国家之一,钢结构占据了绝对的主导地位,世纪90年代末,日本预制装配住宅中木结构占,混凝土结构占11%,钢结构占71%。澳大利亚应用最为广泛的是以冷弯薄壁型钢作为承重结构的轻钢结构建筑体系。日本、美国、德国、法国、瑞典、丹麦、意大利等国家装配式钢结构建筑经过几十年的发展,技术和应用都较成熟,但是主要应用于低层住宅结构,且以轻钢结构为主,其中冷弯薄壁型钢应用较为广泛,较少国家采用装配式高层钢结构。
    只有日本采用装配式高层钢结构,但是其柱子的连接还是现场焊接,影响现场装配速度[8-14]。装配式钢结构建筑在欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家已广泛应用,钢结构建筑的比例已达45%~,但我国钢结构建筑只占5%,钢结构建筑发展严重滞后[2]。虽然我国装配式钢结构起步晚,但在国家的大力支持下,目前发展速度很快,许多企业、高等院校、科研院所等进行了装配式钢结构的研究和应用,取得了大量的成绩[1,2,15-26]:宝业集团与同济大学合作研发分层装配式支撑钢结构,哈尔滨工业大学、天津大学、湖南大学、华南理工大学研究集装箱建筑,长沙远大与北京工业大学、湖南大学合作研发装配式斜支撑建筑,杭萧钢构研发钢管束+剪力墙体系、钢筋桁架楼承板,精工钢构研发绿筑PSC集成建筑系统,东南网架研发装配式绿色低碳民用钢结构建筑体系,实现钢结构产业化。在北京、上海、天津、包头等地已相继兴建了一批钢结构住宅示范、试点工程。北京工业大学刘学春、张爱林等研发了多个装配式钢结构体系,并建设了二层足尺寸试验楼[27-29]。
    2。柱与柱的连接节点
    低层装配式钢结构建筑中,轻钢龙骨结构中龙骨采用热浸锌薄壁钢板制成,其连接主要是普通螺栓连接或者铆接。文献[30]主要研究其抗拉强度,获得了其承载力、破坏状态和设计表达式。为了保证等强连接,在普通钢结构中柱与柱的连接主要采用焊接,这是因为当时行业内普遍认为焊接连接强度更高,更具有安全性,但是美国北岭地震中150多座多高层钢结构焊接节点遭受了严重破坏,日本阪神地震中钢结构建筑倒塌、破坏较大的有栋[31-33]。日本兵库县南部地区地震中一焊接箱型柱在焊接热影响区发生脆性断裂[34]。阪神地震中,芦屋市海滨城高层住宅小区的21栋住宅楼37根钢柱的断裂发生在拼接焊缝处[35-36],暴露了焊接结构的一些不足。但由于我国GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[37]8.2.8要求:多高层钢结构抗侧力构件连接的极限承载力设计值不应小于相连构件的极限承载力设计值,高强螺栓连接不得滑移,且抗侧力构件连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力,使得螺栓的连接手段难以满足,对柱与柱的连接仍采用等强焊接为主。实际上焊接连接具有较高的焊接残余应力和焊接热影响区,在地震下具有脆性断裂的安全隐患,尤其在低温下焊接连接脆性更大。另外,焊接连接施工速度慢,工地焊接质量受焊工水平、焊接位置、施工天气等影响,质量难控制,验收时除了施工方自己检测外还需要第三方检测,增加了建设成本。
    螺栓连接是代替焊接的有效连接形式之一。法兰连接是螺栓连接的一种形式,其在管道、压力容器以及运载火箭、航天器、塔架等方面具有广泛的应用,但是受力主要以承受轴向拉压力为主。国内外学者对法兰受拉作用下刚度不连续且非线性变化的性能进行了研究[38-41],相关研究成果较多、较成熟可靠,并建立了T型连接件类推和屈服线两种典型的理论方法[42-44],为法兰连接的进一步研究奠定了理论基础。为了简化法兰的非线性计算,梁峰改进了法兰构造,对超大尺寸法兰节点实现了刚性连接[45]。Wheeler对4个方钢管法兰梁柱连接和梁梁拼接进行了受弯试验研究和有限元模拟,考虑了端板柔性变形引起的翘力和屈服变形的综合影响[46-47]。王元清进行了2个方钢管和2个圆钢管法兰连接受纯弯试验研究,推导了简化计算公式,进一步扩展了研究[48]。Luan对圆管结构中法兰连接在弯矩和剪力作用下的静力和动力性能进行了研究,提出了简化的非线性动力模型[49]。Hoang对一个圆管结构中的法兰连接进行了循环轴向荷载试验,试验结果与现有公式结果进行了对比[50]。刘学春将柱子法兰与梁柱节点全螺栓连接结合,提出了一种同时连接梁、柱的节点,并进行了有限元分析和模型试验,验证了节点的可行性[51-52]。刘学春还对高层装配式斜支撑钢框架结构设计进行了研究,通过试验验证,从工程角度将法兰连接简化为刚性连接,对其进行强度设计[19,20,53]。Liu等对方钢管柱法兰连接试件在压弯剪组合[54]、弯剪组合[55]、拉弯剪组合[56]作用下受力性能进行了研究,获得了复杂受力下法兰厚度、螺栓边缘距离等参数影响下试件的受力性能,并基于屈服线理论及T型钢连接方法,得到了法兰试件的荷载传递机理,提出了屈服承载力算式。
    3。梁与柱子的连接节点
    按照连接的刚度,梁柱连接分为刚性连接、半刚性连接和铰接。按连接的措施分为全焊接连接、栓焊混合连接、全螺栓连接。多高层钢结构中的梁柱连接主要采用刚性连接,刚性连接可以采用梁翼缘和腹板全部焊接、翼缘焊接和腹板螺栓连接、翼缘和腹板均为螺栓连接的形式。全焊连接可以实现等强刚性连接,但是工地焊接工作量大、施工质量难以控制、焊接残余应力大、施工困难、检测费用高,不宜采用现场焊接。栓焊混合连接施工方便,可以达到全焊连接一样的强度。美国北岭地震和日本阪神地震后发现,尽管钢结构具有较高的强度和良好的塑性与韧性,但在强震作用下,很多钢结构梁柱节点发生了脆性破坏,破坏位置在梁下翼缘和柱的连接焊缝处[31-36]。这暴露了焊接连接的不足,激发了各国学者对其抗震性能的研究及改进,同时也提出了一些新型节点。Popov研究了大量节点的滞回性能和焊缝脆性破坏对节点抗震性能的影响[57]。在节点改进和新型节点方面的研究主要分为减小焊缝应力集中、局部削弱、端部加强。减小焊接应力集中的措施主要有采用强度和韧性好的焊接材料,去掉垫板清根补焊,消除裂纹,采用更合理的焊接工艺等[58-59]。
    局部削弱节点有腹板开长槽孔、半圆孔,离柱子边缘一定距离削弱翼缘,梁腹板开各种洞或直接采用蜂窝梁等[60-63]。端部加强型节点主要在梁端部加盖板、边板、腋板、腋梁、凸缘板、肋板、翼缘加宽[64-71]。
    也有同时加强梁端部和靠近端部削弱的节点[72]。
    相关文献对这些节点的抗震性能、焊缝损伤断裂等进行了有限元分析和试验研究,这些改进措施和新型节点对防止梁柱节点焊接的脆性破坏、提高节点的延性性能、耗能能力效果显著,并获得了一些节点的恢复力模型[73-74]。
    为了提高安装速度和保证质量,装配式钢结构梁柱节点工地连接采用螺栓连接,虽然螺栓节点比焊接节点可能存在螺栓数目多、节点大、螺栓价格高等问题,但是其综合经济成本不一定高于现场焊接。
    梁柱全螺栓连接可以实现刚性连接和半刚性连接刚性连接计算分析简单,应用较普遍,但螺栓数目多;半刚性连接耗能能力更好,螺栓用量小,更经济,但计算分析复杂,对整体结构的非线性影响经常需要迭代分析,这两种连接都能应用于抗震区多高层建筑[75-78]。端板螺栓连接为典型的半刚性连接,主要有外伸式和平齐式两种,国内外学者对此进行了较完善的理论和试验研究,获得了节点的静力承载力和滞回性能、弯矩转角曲线[79-81]。Clinton研究了单板加承托板半刚性连接节点,揭示了节点的初始刚度、强度和荷载-位移全过程的特性[82],研究了梁端上下翼缘单角钢或者双角钢螺栓连接,其塑性铰发生在角钢上,耗能能力较好,且角钢方便更换[83]。T型板螺栓连接可以实现刚性连接,文献[81,84-86]对T型板全螺栓节点进行了静力设计方法研究和抗震性能研究。
    国内外在全螺栓节点、栓焊混合连接节点、全焊接节点的研究成果主要集中在树状节点、狗骨型节点、带悬臂段节点、梁腹板开洞节点、长圆孔螺栓节点、加腋板或肋板加强型节点、翼缘加强型节点、蜂窝式框架梁柱节点等的基础理论与试验研究以及设计施工方法研究上。但是较少针对于装配式钢结构的梁柱节点进行专门研究。近年来在装配式国内兴起,在装配式钢结构节点方面取得了一些成果。胡方鑫研究了工厂加工的带悬臂梁段的端板螺栓节点破坏形态、承载力、塑性转角、延性性能和耗能能力等抗震性能[87]。张爱林等提出了多种震后可恢复功能的装配式钢框架梁柱节点,并建立了相应的设计理论,通过低周往复循环加载试验及有限元模拟对此类节点的抗震性能及修复性能进行了评价[88-91]。汪青杰对一种新型钢管混凝土柱与型钢梁装配式节点进行了抗震性能研究,对不同参数的节点进行低周往复循环加载试验[92]。郁有升对一新型梁柱装配式刚性节点进行了静力和滞回性能有限元分析,研究了静力荷载作用下的破坏模式,螺栓数目、盖板宽度及厚度、悬臂梁段长度等参数对节点滞回性能的影响[93]。江磊鑫提出了一种用于连接钢管混凝土柱与钢梁的自锁节点,进行了有限元分析[94]。张爱林对一新型装配式方钢管柱桁架梁节点进行了单调加载试验研究,分析节点的刚度、强度以及延性性能等指标[95]。马人乐对带悬臂梁段全螺栓拼接长圆形螺栓孔梁柱节点进行了低周反复加载试验[96]。曹正罡提出一种可根据梁高在一定范围内调节节点连接高度的可变梁高装配式钢框架节点,结合4个足尺试件在低周往复荷载作用下的试验研究及有限元分析,对节点的失效模式、滞回性能以及L形连接件的滑移情况进行了分析[97],该类节点可方便地应用于轻型装配式钢框架结构。刘学春针对角钢桁架梁与方钢管柱模块化装配体系节点进行了研究,包括模块内部的全焊接节点[27],模块间工地连接的半焊半螺栓连接节点[27,98]和全螺栓刚性节点[29,52]、全螺栓滑移节点[99-101]。该节点能够同时考虑模块拼装、梁柱节点连接和柱柱连接,施工速度快。通过有限元分析和试验研究,获得了一些节点的承载力计算方法和抗震性能。同时刘学春还针对装配式多高层钢结构体系,对H型钢梁与方钢管柱的全螺栓连接节点进行了试验和理论的抗震性能研究,证明了其良好的抗震性能[102-104]。
    4。支撑与框架的连接节点
    随着建筑高度的增加,纯框架结构越来越不经济,中心支撑或者偏心支撑框架结构是一种更经济的结构形式,但是支撑受力较大。对于装配式钢结构而言,支撑与框架的连接也应采用全螺栓连接,以方便现场快速装配及震后更换修复。支撑框架体系的节点设计,通用且较方便的做法是采用板式连接节点,将支撑与梁、柱进行连接,节点板也可以耗能,国外对其拉压性能早有研究[105-107]。国内张文元等对人字形支撑与横梁的板式连接节点进行了低周疲劳性能的有限元分析,研究了节点板稳定承载力,其连接接近于铰接,容易导致支撑受压时的平面外失稳[108-109]。孟宪德对高层钢结构经常采用的一种支撑扩大头连接节点进行研究,指出了存在承载能力不足的缺陷,给出了改进措施[110]。这种连接支撑承载力高,支撑端部为扩大头与梁柱节点焊接,目前在多高层钢结构中广泛应用,是规范标准推荐的连接方法,但其不符合装配式钢结构现场快速装配的理念,需要研究现场螺栓快速装配连接。
    将支撑板式连接用于角钢和端板全螺栓的梁柱节点与支撑连接,可为装配式钢结构中支撑与框架的全螺栓节点研究提供参考[111]。刘学春提出了几种支撑和框架的螺栓连接节点,从构造上看可以实现节点的刚性连接和半刚性连接,保证节点强度,但尚需进行深入的理论和有限元分析及模型试验研究[112-113]。
    5。楼板与楼板的连接
    现浇钢筋混凝土楼板采用现场浇筑,施工湿作业,对环境影响大,施工速度慢,楼板的装配化是实现钢结构全装配的关键。但是全装配楼板安装后的板缝影响结构的安全,必须获得其影响机理和采取可靠处理措施。拼接板缝使得楼板平面刚度不连续,影响楼板的整体作用。通常楼板需要传递水平力到各个竖向抗侧力构件,协调竖向抗侧力构件共同工作。装配式楼板拼接板缝的存在,使得装配式楼板与普通楼板不同。力在带缝楼板中的传递机理和板缝的处理措施,成为装配式钢结构需要解决的关键问题。文献[114-119]在装配楼板的上部叠合现浇一层楼板,这种做法加大了结构自重和水平地震作用,叠合层混凝土交界处龄期存在差别,板缝间易出现裂缝。板缝后浇整体,施工简单,但需要湿作业,硬化需要周期,由于混凝土本身的化学收缩、干缩和徐变,灌缝混凝土与预制板之间容易产生裂缝[120-121]。庞瑞等设计了焊接的板缝连接方式,研发了一种全预制装配式RC楼盖体系[122-123]。通过试验证明其中部分节点具有较高的承载力、延性和耗能能力。但其所述连接方式采取焊接,焊缝长,工作量大,应研究采用螺栓连接的形式,提高施工速度。由于全装配楼板的整体性还有待进一步研究,目前在装配式钢结构和混凝土结构中普遍采用的还是钢筋桁架混凝土叠合楼板。钢筋桁架叠合楼板分为全现浇[124-125]、钢筋桁架混凝土叠合楼板[126-128]、预制带肋底板混凝土叠合楼板[129-134]。
    6。围护墙体与主结构的连接
    地震震害表明,建筑中墙体的破坏非常严重,土耳其的Kocaeli地震和台湾的9.21集集大地震中,填充墙体垮塌和整片甩出的情形大量出现,直接导致严重的损失。汶川5.12地震,大多数框架结构房屋的围护墙体比主体震害更严重,震后修复工作量很大,费用很高。震害的主要原因是墙体与主体结构连接性能不良[135-138]。
    国内外学者研究了适用于不同墙体的节点连接,李国强进行了外挂墙板的二层模型振动台试验和ALC墙板钢框架结构水平静力及低周往复加载试验,结果表明柔性连接可使得墙板破坏减轻,更好地适应结构的变形[139]。Aref用螺栓将复合材料墙板与钢框架相连,进行了抗震性能试验研究[140]。Mermari对AAC(蒸压轻质加气混凝土)墙板的斜柄连接件进行了抗震试验和摆锤冲击试验[141]。金勇对蒸压加气混凝土板与主框架结构的四种连接构件进行试验[142]。Heimbs研究了蜂窝夹层复合墙板不同形式的插入螺栓节点和铰接节点的破坏行为[143],研究表明墙板具有一定的刚度,其对主体结构有影响,一些学者对这种影响进行了研究。
    对框架结构与复合墙板相互作用的试验研究发现,墙板对整体结构的贡献取决于节点强度[144]。DeMatteis对外挂复合墙板的钢框架进行了抗震试验研究,外挂墙板有利于减小结构构件的截面尺寸,增大结构的抗震性能[145]。Baird等进行了预制混凝土板和框架相互作用的数值分析[146]。
    一方面,为了减小主体结构和墙板的相互作用,一些学者试图将主体结构和墙体的变形脱离,陈涛等发明了线支承式连接,对试件进行了往复水平力加载试验[147]。线支承式连接在主体结构大变形时工作性能良好,预制外挂墙板对主体结构的破坏模式没有明显影响。Mcmullin进行了两个足尺5层的外挂预制混凝土板的钢框架地震台和节点的滞回耗能试验[148-149],研究开槽螺栓滑动连接的有效性及外墙对地震下结构的影响。另一方面,为了利用墙体对结构的有利作用,一些学者采用墙体对结构进行消能减震。Pinelli提出利用建筑外墙和建筑结构之间连接节点去消散能量,进而保护墙板及结构主体[150]。李久鹏等结合耗能减震的思想对围护体系进行优化,设计了一种摩擦型连接件[151]。王立忠对螺栓连接的高层钢结构外挂钢筋混凝土预制墙板进行研究,利用自编程序结合试验研究建立了墙体的滞回关系模型[152]。
    目前对外挂墙板及其节点的研究主要是对块体和条板安装的研究,刘学春针对整体装配及保温一体化外墙板进行了研究,提出的墙体可以实现一个开间的整体装配,同时墙体的保温和性能满足受力要求[153-155]。
   7 。装配式钢结构整体结构受力与抗震性能
    装配式钢结构节点一般为半刚性连接,其对整体结构影响规律与传统结构不同。周青、王伟等进行了分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系拟静力加载试验,考察了分层装配式支撑钢结构在水平地震作用下的抗侧力机制、破坏模式与滞回特性,以及刚度和承载力的变化规律[156]。舒兴平采用Pushover分析方法对装配式斜支撑节点钢框架结构进行罕遇地震作用下的弹塑性分析,并与无斜撑钢框架结构进行对比[157-159],证明塑性铰大部分出现在桁架梁腹杆部位,框架柱处于弹性阶段。同时,对装配式斜支撑节点钢框架和装配式无支撑节点钢框架进行7度罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。分析表明,斜支撑节点使结构整体刚度大幅提高。又通过3个4跨5层装配式斜支撑节点钢框架结构算例,验证了日本《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》中抗连续倒塌能力评价指标对装配式斜支撑节点钢框架结构的适用性。刘学春采用有限元分析方法,研究装配式斜支撑节点钢框架结构受梁柱节点影响的斜支撑柱的承载能力,获得结构体系的受力性能和设计方法[25-26]。同时,进行了30层结构的整体有限元分析,获得该结构体系的极限承载力、破坏模式和机理。

本文由 安徽钢结构厂家 整理编辑。