装配式钢结构建筑体系研究及应用综述

近年来随着我国城镇化进程的持续推进，仍然需要建造大量房屋。传统的建造方式质量差、效率低、污染大，且对劳动力依赖程度高，因此房屋建造方式急需升级，工业化生产、装配式施工、绿色环保的建造方式应运而生。装配式钢结构建筑天然具有绿色装配的特点，还可以化解钢铁产业过剩产能，是最理想的住宅之一，近年来在国家政策的倡导下取得了较大的发展。针对装配式钢结构建筑的特点，列出了11种装配式钢结构建筑结构体系，并对每种结构体系的优缺点、研究现状及应用进行了总结归纳，在已有研究的基础上指出目前装配式钢结构建筑体系发展中存在的问题。

为研究装配式偏心支撑钢框架在地震作用下的抗震性能与破坏机理，对两种1层单跨的剪切屈服型装配式偏心支撑钢框架进行了拟静力试验，分别从两种框架的斜撑构造以及可替换能力两方面研究装配式偏心支撑的抗震性能，观察钢框架在低周往复荷载作用下的破坏特征，结合试验结果深入分析此类结构的抗震性能指标。试验结果表明：斜撑构造对装配式偏心支撑钢框架的抗震性能有较大影响，斜撑与框架横梁间采用螺栓连接的钢框架REBF在承载能力、耗能能力、耗能梁段的转动能力等方面均优于上半部分斜撑与框架横梁间采用焊接连接的钢框架KEBF；但在可替换能力方面，KEBF框架替换耗能梁段后各项抗震指标与原框架相当，而REBF框架在替换耗能梁段后，其滞回性能、延性系数、耗能能力等较原框架均有明显下降，表明KEBF框架的替换性能更好。

为探究桥梁工程中装配式组合梁内集束钉群的荷载-变形特征，以钉群内栓钉数量为参数，开展了10个装配式群钉剪力键试件和3个现浇群钉试件的推出加载试验，对比破坏形态、承载力、滑移和剪切刚度，研究装配式与现浇式群钉剪力键的区别以及钉群内栓钉数量对力学行为，特别是界面滑移剪切刚度的影响。结果表明：相同参数下，装配式群钉剪力键试件的抗剪承载力和滑移刚度均略低于现浇试件；装配式和现浇群钉剪力键的荷载-滑移曲线均可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段；相同荷载条件下，装配式群钉剪力键的滑移剪切刚度小于现浇试件；随着钉群内栓钉数量增加，装配式群钉剪力键整体剪切刚度增加而平均单个栓钉的剪切刚度则明显降低。基于理论分析及试验数据，提出了装配式群钉剪力键的剪切刚度计算表达式。

为了促进全生命周期可拆卸钢结构和钢-混凝土组合结构的发展，完善相关受力性能评价方法和结构设计方法，针对新型可拆卸钢-混凝土组合梁抗剪连接件的受力机理和力学性能进行了试验研究。试件设计考虑不同的连接件（螺栓）直径（M20、M24）和材料强度（C50、C60混凝土），通过标准推出试验，分析了破坏模式、荷载-滑移响应、滑移和峰值荷载以及可拆卸性能等。通过将试验结果与中国、欧洲以及美国相关规范中针对组合梁栓钉抗剪连接件和螺栓紧固件抗剪承载力的计算方法进行对比分析，提出了该类新型抗剪连接件的摩擦型抗剪承载力和承压型抗剪承载力计算方法；基于受力机理分析，提出了该类可拆卸组合梁抗剪连接件的力学本构模型，并给出各个参数的确定方法。结果表明，提出的特征承载力和抗剪-滑移本构模型能够很好地描述该类抗剪连接件的力学性能，为在可拆卸钢-混凝土组合梁中的应用提供了理论和技术基础。

为了探究钢-混凝土组合梁中摩擦型高强螺栓抗剪连接件的受剪性能，采用ABAQUS有限元软件建立了抗滑移试件和推出试件有限元模型，并通过与试验结果的对比验证了数值模拟的可靠性。试件抗滑移性能与螺栓预拉力密切相关，且在螺栓杆应力状态处于弹性工作范围时，预拉力的施加取决于混凝土的局部抗压损能力。通过数值分析研究了垫片尺寸、混凝土强度和混凝土板厚度、螺栓直径和强度等级对螺栓预拉力的影响。此外，通过对推出试件进行有限元参数化分析，研究了混凝土强度、混凝土板厚度、螺栓预拉力和螺栓直径对抗滑移强度、抗滑移刚度和极限抗剪承载力的影响。结果表明：螺栓预拉力的施加范围受混凝土强度、厚度、螺栓等级、螺栓直径和垫片尺寸的影响，且各参数之间的合理匹配可有效减小混凝土板面的损伤程度。根据推出模拟结果可知，随着混凝土强度和螺栓预拉力的增加，试件抗滑移强度和刚度显著增大，而极限抗剪承载力受螺栓预拉力的影响较小。随着混凝土强度和螺栓直径的增大，试件的极限抗剪承载力显著提高。

以再生骨料取代率为主要参数，完成了6根圆形钢管地聚合物再生混凝土短柱和2根圆形钢管地聚合物普通混凝土短柱在轴压作用下的试验研究。基于试验结果，考察了试件的破坏模式、荷载-变形关系曲线、极限承载力、延性等，结果表明：圆形钢管地聚合物再生混凝土和普通钢管混凝土的破坏模式无明显差异。与钢管混凝土试件相比，圆形钢管地聚合物再生混凝土的荷载-变形关系曲线下降段更为平缓。随着再生骨料取代率的增大，试件极限承载力随之降低，而延性有提高的趋势。最后，采用现有规范提供的普通钢管混凝土设计公式对试验实测的极限承载力进行计算比较，结果表明现有规范的计算结果均偏于安全。

完成了12根带脱空缺陷的钢管混凝土试件在压弯剪复合作用下的滞回试验，考察了脱空缺陷对试件破坏模态、滞回曲线、极限承载力、耗能和延性的影响。建立了带脱空缺陷的钢管混凝土压弯剪试件的有限元分析模型，采用试验数据验证了有限元模型的可靠性。利用有限元模型分析了带脱空缺陷的钢管混凝土试件在压弯剪复杂受力作用下的工作机理，揭示了缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响规律，并系统分析了含钢率、钢材屈服强度、剪跨比、轴压比和混凝土强度等参数对带缺陷试件抗剪承载力的影响规律。在参数分析的基础上，提出了用于区分试件剪切破坏和弯曲破坏的界限剪跨比，回归了考虑脱空缺陷影响的钢管混凝土压弯剪承载力实用计算公式，可为相关规范的制定或修订提供依据。

为了解决超高层建筑的混合框架-钢筋混凝土核心筒结构中设置加强层带来的结构刚度和内力突变，并易形成结构薄弱层的问题，基于前期的工程研究和对已有成果的理解，提出了采用箱形钢梁替代传统的工字形钢梁作为楼盖主梁，提高钢楼盖主梁的抗弯和抗扭刚度，期望其可以达到代替结构加强层的效果。在分析了箱形钢楼盖主梁替代工字形钢楼盖主梁的技术可行性后，以已建成的实际工程——海南大厦主楼为研究对象，利用PKPM-PMSAP软件对两种楼盖主梁结构方案进行分析，分别从结构设计指标、经济指标等方面进行了对比分析。研究表明，采用箱形钢楼盖主梁的方案有效且又可靠地解决了设置加强层而产生结构薄弱层以及结构刚度和内力突变的问题；采用箱形钢楼盖主梁方案的（超）高层建筑，在满足建筑使用净空高度的条件下，可以降低结构层高而降低建筑高度，或者保持需要高度而增加部分建筑面积，会产生一定的经济性；箱形钢楼盖主梁在（超）高层混合框架-钢筋混凝土核心筒结构方面的应用研究值得继续开展。

屈曲约束支撑的合理布置及运用后的减震效果是业内较为关注的问题，针对高层钢管混凝土框架-中心支撑结构，设计若干方案开展了平立面布置研究、不同烈度减震效果研究、不同高度减震效果研究和不同性能目标减震效果研究。结果表明：高层钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构中屈曲约束支撑连续布置在结构边跨中部减震效果较优，分散布置在角部减震效果较差；立面由下至上布置1/2~3/4高度楼层减震效果较优；7度、8度区较9度区减震效果较优；结构高度较高的长周期结构减震效果较优；结构性能目标等级低时减震效果较优。

提出了一个考虑内力重分布影响的高层结构减震构件单步优化法，为高层结构减震构件的优化设计提供了一个单步、高效的方法。首先，考察了内力重分布对单自由度并联体系比虚应变能的影响规律。然后提出了考虑并联关系的目标比虚应变能修正系数用以解决已有的单步优化法没有考虑超静定结构内力重分布的问题，并用算例说明优化结果的合理性。然后，作者用非减震构件的单步优化法去优化减震构件，并结合减震性能曲线提出了考虑内力重分布影响的高层结构的减震构件的单步优化法。最后通过算例对所提出的优化法进行验证，结果表明利用所提出方法优化后的减震构件在满足减震性能目标的同时用钢量相比原构件降低11.7%~27.9%。