装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系设计开发及建造

《装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系设计开发及建造关键技术研究与应用》项目总结报告一、项目概况项目名称:装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系设计开发及建造关键技术研究与应用立项时间：2016年7月项目编号：BY2016076-06项目负责人：陆金钰主持单位：东南大学合作企业：江苏赛特钢结构有限公司项目经费：60万元，其中省拨专项经费30万元，单位自筹30万元。主要研究内容：装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系开发及其节点/组件连接技术研究；装配式钢板剪力墙-钢框架结构连接节点/组件抗震性能研究；装配式钢板剪力墙-钢框架结构分析设计方法及其力学性能研究。具体包括：1.装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系研发；2.适用于快速装配的节点连接及单边紧固螺栓研发；3.高延性、易装配的钢板剪力墙组件研发及其抗震性能研究；4.装配式钢板剪力墙-钢框架结构性能化抗震设计研究；5.装配式钢板剪力墙-钢框架结构抗连续倒塌性能研究。二、项目实施情况本项目组建了由东南大学与江苏赛特钢结构有限公司共同组成的研发团队。东南大学主要负责装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系开发、连接节点形式、高性能钢板剪力墙抗震性能、结构分析设计方法及其力学性能等关键技术研究。与江苏赛特钢结构有限公司合作，对相关研究成果进行应用。项目组成员分工明确，定期召开交流讨论会，按照既定研究方案和技术路线有序完成项目的各项任务，并对研究生、企业员工等相关研发人员开展培养与培训，项目的各项指标顺利完成。经过校企双方联合攻关，本项目开发出了装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系，并实现了优化选型及相关配套技术研制；给出了装配式连接节点形式及单边连接紧固件，解决闭口截面构件快速装配问题；研发出了不等高开缝装配式钢板剪力墙、基于折纸理念的折痕钢板剪力墙，满足体系抗侧刚度及耗能要求；给出了新型高性能钢板剪力墙的抗震性能、稳定性能指标，通过精细化有限元分析及模型试验揭示其破坏形态及机理；提出装配式钢板剪力墙-钢框架结构性能化抗震设计方法，揭示整体结构的塑性发展过程和损伤演化机理；研究了偶然荷载下钢板剪力墙-钢框架结构抗连续倒塌性能。本项目达到预期目标。项目经费共计60万元，其中省拨专项经费30万元，单位自筹30万元。项目经费计划中省拨款、自筹资金已按计划到位。项目承担单位对科技拨款、单位自筹严格按照科技经费的有关规定，专款专用，有力地保障了本项目的顺利完成。项目总经费支出57.872263万元，其中省拨款支出27.872263万元、自筹经费支出30万元，结余2.127737万元。三、项目技术情况主要研究成果如下：1）装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系开发及其节点/组件连接技术研究A．装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系开发、优化选型及配套技术开发了装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系，开展了结构受力性能研究。综合考虑层数、建筑总高度、空间布置、结构受力状态等多因素影响，优化结构选型，提出钢板剪力墙的合理布置方式，并提出了新型带缝钢板剪力墙-框架结构简化设计方法。B．钢板剪力墙与钢框架装配式连接节点及其连接件开发研究给出了钢板剪力墙与框架梁装配式连接形式，提出了一种可实现不等高开缝钢板剪力墙与钢框架两边连接的构造，以及一种可用于双层预折痕钢板剪力墙的两边连接方法，连接方法减少了钢板墙与柱子的连接，避免框架柱失稳。基于机构原理，设计出了两种新型单边紧固螺栓，与基于材料特性原理的单边螺栓相比，不依赖材料变形形成支撑，机构支撑受力更为直接可靠。同时提出了3种套管约束折叠钢板耗能支撑，给出了相关构造。C．新型高性能装配式钢板剪力墙开发研究研发出2类新型高性能钢板剪力墙：不等高开缝钢板剪力墙、基于折纸理念的折痕钢板剪力墙，并提炼出钢板的重要设计参数，给出了钢板剪力墙与框架梁的快速连接构造。2）装配式钢板剪力墙-钢框架结构连接节点/组件抗震性能研究A．开展了装配式带缝钢板剪力墙力学性能参数化数值模拟提出了梭型、蝶型不等高开缝形式，对这类新型开缝钢板剪力墙进行了耗能性能及稳定性能数值模拟。采用数值模拟，借助ANSYS对边缘加劲带缝钢板剪力墙的滞回性能进行研究，系统分析了加劲肋刚度比、加劲肋宽厚比、墙板高厚比、开缝参数等各种特征参数对墙板抗侧刚度、极限承载力、延性系数及耗能能力等的影响，考察了该耗能组件的耗能机理、滞回性能及破坏模式，并在此基础上提出设计建议。B．建立了装配式带缝钢板剪力墙弹塑性简化分析模型提出了侧边加劲带缝钢板剪力墙的弹塑性简化分析模型，基于带缝钢板剪力墙的基本受力特点和变形特征，提出了一种弹塑性简化分析模型，并分别定义了模型的几何参数与非线性参数。为验证简化模型的正确性，分别对带缝钢板剪力墙以及钢框架-带缝钢板剪力墙结构进行Pushover分析。分析结果表明：简化模型计算得到的荷载-位移曲线与试验及有限元分析结果较为接近，可反映带缝钢板剪力墙的主要受力特征；简化模型可较为准确地反映协同工作时墙板对周边框架的附加作用力。C.开展了装配式带缝钢板剪力墙试验研究 开展了试验试件的低周往复加载试验，研究了不等高开缝钢板剪力墙的破坏模式、受力性能、延性、滞回性能以及耗能性能，并与传统等高开缝钢板剪力墙进行对比。试验表明：相对传统带缝钢板剪力墙，不等高开缝钢板剪力墙在保证墙板耗能不降低的情况下，具有较高的侧向刚度和极限承载力。对试验试件的有限元分析结果显示：循环荷载下，试件滞回曲线、骨架曲线与试验结果吻合良好。D.开展了装配式折痕钢板剪力墙抗震性能研究基于折纸理念，提出了3种具有塑性铰引导机制的新型钢板剪力墙，分析了折痕单元的受力机理和变形趋势，并利用ABAQUS有限元分析软件分别对折痕钢板剪力墙进行了弹塑性屈曲性能研究，给出了塑性铰开展机制，分析了初始刚度、极限承载力、延性系数等各项指标，并与平钢板剪力墙和压型钢板剪力墙进行了对比。引入折纸原理后，有效避免了钢板剪力墙的整体面外失稳。塑性铰率先出现在钢板剪力墙折痕处，且折痕引导了塑性开展过程。3种折痕钢板剪力墙的延性比压型钢板剪力墙均有不同程度的提高，最高可达到压型钢板剪力墙的5.2倍，平钢板剪力墙的8.2倍。对折痕钢板剪力墙的滞回特性开展研究。通过对比折痕钢板剪力墙的滞回曲线、骨架曲线以及耗能系数等特征参数，分析叠纸机构单元的参数变化对折痕钢板剪力墙滞回性能影响。结果表明，叠纸机构的引入可提升钢板剪力墙的耗能性能。3）装配式钢板剪力墙-钢框架结构分析设计方法及其力学性能研究A.开展了不等高开缝（及折痕）钢板剪力墙-钢框架结构抗震分析将这不等高开缝钢板剪力墙应用于钢框架结构中，采用数值模拟的方法对其滞回性能及耗能性能进行研究，并与内嵌传统等高开缝钢板剪力墙的框架结构进行对比分析。将壁式框架等代模型用于模拟不等高开缝钢板剪力墙受力特性，并将计算结果与ABAQUS壳单元计算结果进行对比。结果表明：相对于传统开缝钢板剪力墙而言，内嵌新型开缝钢板的框架结构的抗侧刚度和极限承载力均有显著提高，且具有良好的耗能性能。壁式框架等代模型可以准确地模拟不等高开缝钢板剪力墙的受力特性。建立纯框架、平板式钢板剪力墙-框架及折痕钢板剪力墙-框架三种模型，并对结构进行pushover对比分析，考察了折痕钢板剪力墙与框架协同工作时对框架性能的提升。B．装配式钢板剪力墙-钢框架结构性能化抗震设计研究针对装配式钢板剪力墙-钢框架结构进行了基于性能的抗震设计研究，给出了抗震设计流程。对装配式带缝钢板剪力墙—自复位钢框架结构进行pushover和滞回性能研究。C．钢板剪力墙-钢框架结构抗连续倒塌性能研究建立偶然荷载作用下钢板剪力墙-钢框架结构倒塌分析精细化模型，采用抽柱法，对结构开展动力非线性分析，研究其可能存在的失效倒塌模式，并考察了钢板剪力墙的影响。四、合同任务指标完成情况本项目开发了装配式钢板剪力墙-钢框架住宅结构体系，包括高性能钢板剪力墙、新型连接紧固件的设计、开发及其构造；完成了抗震与抗倒塌分析设计方法、装配施工全过程分析研究。实现装配式钢板剪力墙-钢框架住宅结构体系建造技术及构配件标准化、工厂化，为实现钢结构住宅产业化提供技术支持。已完成全部合同内容。项目申请国家发明专利6项（授权4项）；授权实用新型5项；发表论文13篇。五、项目绩效分析本项目面向多高层钢结构住宅结构功能及性能要求，研究开发出的新型高性能钢板剪力墙及装配式钢板剪力墙-钢框架结构体系，在保证钢框架结构抗侧刚度和抗震性能的同时具有较高装配程度，促进了住宅钢结构体系的技术改进与创新，为其在实际工程中的推广应用提供有力的技术保障。项目的实施将产生较大的经济效益和社会效益，为合作企业的生产带来直接的经济效益，也将在一定程度上助力我省建筑工业化发展，将进一步推动住宅钢结构设计建造的标准化、部榀化、工厂化。六、存在问题、有关建议及下一步研究设想随着我国钢结构市场不断扩大和建筑工业化的不断深入，钢结构建筑已成为拉动国民经济增长的重要环节，需要不断的科研与攻关。本项目基于对各类新型钢板剪力墙的开发分析，针对装配式钢板