【结构学院】郝际平：装配式钢结构建筑体系之结构研究

作者：郝际平    来源：同济绿建，如有侵权，请联系删除

2018装配式建筑融合发展产业高峰论坛现场照片

郝际平

中国建筑金属结构协会会长

西安建筑科技大学西安建筑科技大学副校长

装配式钢结构建筑体系之结构研究

主要内容

01 概述

1.1  绿色装配式钢结构

装配式钢结构建筑是指：标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，支持标准化部品部件的钢结构建筑。

1.2  目前市场中装配式钢结构建筑存在的常见问题

1.结构体系超出相关规范规定，需要专门超限审查；

2.结构体系未发挥钢结构大跨度、大空间优势，仍然采用混凝土结构思路；

3.体系需要专用设备生产，投资大，不利于产业化

4.仅研发结构体系，围护体系成熟度低，结构与围护体系不配套；

5.围护体系的三板问题；

6.构件及部品标准化程度低，同时未能较好应用BIM技术；

7.未注重成熟产品的 “集成创新”，采用过多未经检验的新产品，新工法。

1.3  西建大装配式建筑体系

研发思想：

1.以建筑功能为核心，结构为基础；

2.集成成熟可靠的围护体系和技术；

3.关注细节和构件标准化、工业化；

4.注重成本，企业投资小，安装简单，易于产业化；

5.结构具有较好的抗震、抗风性能。

体系特点：

1.具有完全自主知识产权；

2.易于实现产业化；

3.全产业链策划；

4.标准化、信息化程度高；

5.产品成熟、可靠、使用性能好；

6.造价相对经济。

02基本构件

2.1  竖向构件

为避免外露梁柱，同时考虑便于装配和工业化生产，确定了几类通用构件，然后由通用构件组成适用各种建筑功能的结构体系。

除了钢结构装配式通用构件，发展了具有钢结构安装特点的高强箍筋约束混凝土预制柱、型钢混凝土预制柱。

 预制高强箍筋约束混凝土剪力墙。

2.2 抗侧力构件

装配式防屈曲密肋钢板剪力墙。

2.3 附属构件

03 试验研究

3.1 壁式钢管混凝土柱

为配合建筑体系的研发，对壁柱构件及节点进行了系统的试验研究，均采用足尺构件试验。

试验为低周反复加载拟静力试验，采用可考虑P-Δ效应的柱端加载试验装置。

3.2  壁柱修复加固

除进行破坏性试验研究，在破坏构件基础上，做了震后修复加固抗震试验研究。

壁式柱加固修复简便易行，加固后承载力和延性大幅提升，可以满足更高的抗震性能水准。

3.3  平面内梁柱节点

3.4  平面外梁柱节点

装配式对穿圆钢-端板梁柱连接节点，具有连接刚度大，装配施工等优点，适用于壁式柱平面外连接。

3.5  防屈曲钢板剪力墙

3.6  钢连梁

采用钢连梁能够解决普通钢筋混凝土在强烈地震下延性不足、容易发生剪切破坏的难题,充分发挥联肢剪力墙双重抗震机制的优势。

壁式柱钢连梁节点滞回曲线饱满,抗震性能良好,节点延性系数大于4.5 。

04有限元分析

4.1 壁式钢管混凝土柱

在试验研究的基础上，结合壁式柱受力特点，考虑钢材和混凝土材料的非线性行为，钢管与混凝土之间的相互约束、滑移和摩擦，管壁板件的局部屈曲，大位移状态下的几何非线性，以及边界条件对试件受力性能的影响，建立了壁式柱精细化有限元模型。

4.2  双侧板节点

按照双侧板节点试件分别建立了全焊接、全螺栓连接双侧板节点精细化有限元模型。

4.3 对穿圆钢节点

按照对穿圆钢-端板节点节点构造分别建立了3个节点精细化有限元模型。

4.4  壁式柱简化纤维梁模型

试验和分析均表明管壁板件局部屈曲行为是影响壁式柱受力性能的关键因素。在深入研究内部填充混凝土矩形钢管局部屈曲行为的基础上，分别建立了适用于壁式柱的钢管和混凝土单轴滞回本构模型。

05设计方法

5.1  壁式柱轴压构件设计

经过系统的有限元分析和试验研究，对壁柱破坏机理研究后，得到轴心受压构件简化计算公式：

5.2  壁式柱压弯构件设计

壁式柱压弯构件强度计算公式由塑性应力分布法得到：

5.3  双侧板节点设计

5.4  预制约束砼柱设计

06结构体系

6.1  高层住宅结构体系

由通用构件壁柱组成适用于住宅的高层结构体系：壁式钢管柱框架-支撑体系。

6.2  高层共建结构体系

由壁柱用钢连梁连接后形成密柱核心筒-外框架结构，可广泛的应用在高层建筑。

由通用构件PC预制柱轧制钢梁构成： PC约束砼柱-钢梁混和框架结构体系。

07其他研究

7.1  围护体系

7.2  墙体材料及试验研究

对轻质石膏基砂浆预制墙板—轻钢龙骨复合墙体相关材料进行了系统的测试和研究，如：材料抗压、抗折、粘结强度，墙体耐火测试等7.3  细部处理—喷涂式包裹轻质砂浆

08项目案例

装配式建筑体系在各地做的部分示范项目，主要如下:

结语