多层装配式钢框架体系和研究

文章编号：ＣＳＴＡＭ２０１５．Ｐ３２．Ｅ０１０１多层装配式钢框架体系和研究陈学森１，＋施刚１，王酷２，王琼２（１．清华大学土木工程系，土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京１０００８４：２．中国建筑标准设计研究院，北京１０００４８）摘要：多层装配式钢框架体系具有便于快速施工和规模化生产的特点，是符合住宅产业化要求的结构形式。介绍了工程应用中某多层装配式钢框架体系，结合已有研究分析了该体系在抗侧力性能、梁柱连接节点和楼板形式方面的主要特点。分析表明，该多层装配式钢框架体系具有较强的抗侧承载力，所采用的梁柱连接节点有较强的耗能能力，所采用的预制楼板与钢梁之间的栓钉连接承载和变形性能良好。对于该体系在地震作用下结构的整体延性和耗能能力还需要进一步的分析。关键词：钢结构，装配式框架，抗侧力体系，梁柱节点，栓钉连接ＡＮＡＬＹＳｉＳＡＮＤＳＹＳＴＥＭｏＦＰＲＥＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤＭＵＬＴＩ．ＳＴｏＲＹＳＴＥＥＬＦＲＡＭＥＳＧａｎ９１，ＷＡＮＧＺｈｅ２，ＷＡＮＧＱｉｏｎ９２ＣＨＥＮＸｕｅ．ｓｅｎｌ，ＳＨＩ（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳａｆｅｔｙａｎｄＤｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＣｈｉｎａＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒｙ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＳｔａｎｄａｒｄＤｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｅｅｌｆｌａｍｅｓｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｌｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｒａｐｉｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｓｃａｌｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａｓｙｓｔｅｍｏｆｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｍｕｌｔｉ—ｓｔｏｒｙｓｔｅｅｌｆｌａｍｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｌａｔｅｒａｌｆｏｒｃｅｒｅｓｉｓｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｅａｍ—ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｏｆｓｌａｂｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｎｂｅａａｎａｌｙｓｉｓ，ａｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｌａｔｅｒａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ａｓｗｅｌｌａｓａｌａｒｇｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｉｔｈｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｅｃａｓｔｓｌａｂｓａｎｄｔｈｅｓｔｅｅｌｂｅａｍｓｓｈｏｗｇｏｏｄｓｈｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄａｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌａｍｅｕｎｄｅｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｓｔｉｌｌｎｅｅｄｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｆｌａｍｅ，ｌａｔｅｒａｌｆｏｒｃｅｒｅｓｉｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｂｅａｍ—ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ预制装配式钢框架体系具有便于设计、工期较短、便于规模化生产等优点，是适于多层产业化住宅的结构形式…。但由于预制装配式结构的整体性一般较差，在有抗震设防要求的地区应用预制装配式钢框架时需要确保其具有良好的抗侧力性能，并且预制构件之间的连接应安全可靠。本文针对实际工程中某多层装配式钢框架体系进行了研究。该体系的主要特点为：柱采用冷弯方钢管柱，梁采用工字型钢梁，抗侧力体系采用框架一支撑体系，当抗震设防烈度为７度及以下时采用中心交叉支撑，当抗设防烈度为８度及以上时采用屈曲约束支撑；梁柱连接采用半刚性端板连接；楼板采用预留栓钉孔的预制混凝土楼板，通过栓钉与钢梁连接。结合以上特点对该预制装配式钢框架体系的受力性能进行了分析和论证，以期为该体系的推广应用提供依据。作者简介：陈学森（１９９０－－），男，河北人，博士生，主要从事钢结构研究；’施冈Ｕ（１９７７一），男，安徽人，教授，博士，主要从事钢结构研究（Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｇａｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃ１１）王酷（１９７６一），男，北京人，教授级高工，硕士，主要从事钢结构设计和研究：王琼（１９８４一），男，河北人，工程师，博士，主要从事钢结构设计和研究．・ＩＩ－００５・１抗侧力体系抗侧力体系是钢框架设计中的重要内容。纯框架体系通过梁、柱和刚接节点提供侧向刚度和水平承载力，抗侧能力相对较弱；在某一跨或几跨之间增加支撑后，抗侧体系变为支撑框架体系，能够显著增大结构的抗侧刚度和承载力【２Ｊ。针对所分析的钢框架所采用的抗侧力体系，对一榀采用不同支撑形式（包括无支撑、中心交叉支撑和屈曲约束支撑）的六层框架结构进行了不同地震烈度（７度、７．５度和８度）下的弹塑性时程计算ｐＪ，计算模型如图ｌ所示。输入地震波为按烈度调幅后ＥＬ—Ｃｅｎｔｒｏ波。对每一烈度下不同支撑形式框架的位移时程和最大层间位移角进行了对比分析。分析结果表明，在７度区罕遇地震下各模型的最大层间位移角均小于１／５０，但在７．５度区和８度区纯框架己不满足要求；７．５度区和８度区罕遇地震下中心支撑框架和屈曲约束支撑框架仍能满足最大层间位移角小于１／５０的要求，但屈曲约束支撑框架的层间位移角明显小于中心支撑框架【３Ｊ。基于该分析结果，在７度区应用中心支撑框架，在８度及以上地区使用屈曲约束支撑框架可以提供足够的抗侧承载力，保证结构的安全。中心交叉支撑屈曲约束支撑＞＜＞＜＞＜＞＜＞＜／＼／＼／＼／＼／＼＋』哟——盟Ｌ卡塑ｑ牛』螋—卜幽Ｌ苄型ｑ牛』螋Ｌ卜丛虹卡型斗（ａ）纯框架体系（ｂ）框架－中心支撑体系（ｃ）框架．屈曲约束支撑体系＞＜／＼＼图Ｉ钢框架计算模型示意副３】２梁柱节点２．Ｉ梁柱节点选型分析端板连接节点通常不需要现场焊接，符合快速施工的要求，并且在合理设计的情况下能发展较大的转动刚度和承载力【４】，是预制装配式钢框架中较为理想的节点形式。传统梁柱端板连接中梁和柱一般都采用工形截面，而所分析的框架体系中采用的是冷弯方钢管柱，因此在该体系中使用螺栓端板连接时有必要对其形式和性能进行分析。综合考虑节点的制作难度和经济性，图２给出了４种可选的连接形式【５Ｊ，通过对这４种连接形式的有限元分析发现：节点四的承载力和刚度都较大；节点二能发展较大的承载力，但初始刚度较节点四小：节点三和节点二的初始刚度相当，但节点三的承载力明显降低；节点一的承载力和刚度都较低。依照欧洲规范的节点分类标准，节点一属于铰接节点，其余节点则都属于半刚性节点【６Ｊ。茸簦』一璋崖。；！蚓舒≥一？璺＃—薛—ｒ，８』垂一，８一与ｒ，８重１『—一（ｂ）节点二（ｃ）节点三（ａ）节点一图２梁柱节点备选形式【５】通过选型分析可以看出，节点四的刚度和承载力都较大，是性能最好的连接形式；但节点四需要在柱外设置外环板，导致其用钢量大、节点局部的楼板布置和混凝土浇筑难度大，并且会在一定程度上影响结构的使用功能；节点二初始刚度稍低于节点四，但也能得到较高的承载力，因此该体系最终采用节点二作为梁柱连接节点形式。２．２节点性能试验研究为了对节点二的性能做进一步的分析，进行了４个十字形节点足尺试件的试验研究，分析了节点的单调承载性能、延性和耗能能力。结果表明，节点塑性转角的主要来源是柱翼缘的鼓曲，在循环荷载下的失效模式是柱翼缘开裂；不管是单调荷载还是循环荷载下，节点的最大承载力都已经超过了梁的全截面塑性屈服弯矩，表明节点二能发展较大的抗弯承载力；各试件的延性系数均达到５以上，能量耗散系数为５．３５—５．７４，表明节点二具有良好的延性和耗能能力。３预制楼板栓钉连接３．１预制楼板栓钉连接的特点所分析的框架体系中采用的楼板为预制混凝土楼板。使用预制楼板可以节省模板、加快工期，更符合其快速安装的要求，并且在一定程度上可以避免现场湿作业从而减少施工过程中的环境污染。为了提高该体系中楼板的整体性能以及楼板和梁的组合效应，在预制楼板与钢梁之间采用栓钉抗剪连接。对于栓钉抗剪连接件应用于普通现浇混凝土楼板时的性能国内外学者已经做过很多的研究，我国钢结构设计规范中也给出了栓钉连接抗剪承载力的验算方法【７Ｊ。但是在采用预制混凝土楼板时，为了应用栓钉抗剪连接，预制楼板在栓钉对应位置需要预先留孔并在吊装完成后浇筑灌浆料补孔。由于后浇区域的存在，栓钉抗剪连接应用于预制混凝土楼板时的性能与应用于整体现浇混凝土楼板时的性能相比会存在一定的差异。目前国内外对于这种构造的栓钉连接也有一定的研究，但相对较少。３．２抗剪性能试验研究为了研究预制楼板留孔后浇的施工方式对栓钉抗剪连接造成的影响，并对比现浇楼板与留孔后浇的预制楼板采用栓钉连接时抗剪性能的差异，进行了３个栓钉抗剪连接试件的推出试验研究，见图３。试验结果表明，留孔后浇的预制楼板栓钉连接与整体现浇楼板栓钉连接相比，滑移刚度较小，变形能力较强，抗剪承载力基本相同，可以满足规范规定的抗剪要求【７Ｊ。图３推出试验试件构造示意图４下一步研究工作以上介绍了所分析的多层装配式钢框架体系已开展的相关研究工作。然而现有的研究仍局限在对于单榀平面框架或局部连接构造的性能分析，尚无法对结构的整体性能进行评价；同时，对于平面框架的弹塑性时程分析仅计算了某一地震时程下结构的最大层间位移角，而在进行抗震设计时，框架的延性和耗能能力也是十分重要的性能指标‘８１。因此，为进一步验证该体系的有效性，并综合考察该体系的抗震性能，在・ＩＩ－００７・下一步的研究工作中计划开展足尺框架子结构的拟静力试验。图４给出了框架子结构拟静力试验加载方案示意图。试验计划在清华大学结构试验室进行，选取的子结构为三层两跨ｆ含走廊跨１的两榀框架，考虑混凝土楼板的影响。每层通过两个ＭＴＳ千斤顶施加水平往复荷载。第三层的千斤顶通过位移控制加载，第一层和第二层的千斤项则通过ＭＴＳ系统控制千斤项的出力值为第三层的１／３和２／３。通过拟静力试验预期得到所分析的装配式钢框架体系的滞回性能、延性、耗能能力及失效模式，基于试验结果可以对该体系的抗震性能做进一步的分析和优化。彝５结论情况下可以得到较大的抗侧承载力；卜。ｍ一。一盯竺＂］≤．吣：菩＃Ｌ”是＿一弩ｔ莨蔗毒．。≯一一碍小专书圣：Ｉ．．一卜一型盟一音—塑Ｌ＿（ｂ）拟静力试验装置俯视圈鏊却鎏＿图４拟静力试验加载方案本文介绍了实际工程中某多层装配式钢框架体系的主要特点及研究情况，可以得到的主要结论如下。（１）所分析的多层装配式钢框架体系中采用框架．支撑体系抵抗水平荷载作用，在合理选用支撑形式的（２）该体系所采用的梁柱端板连接节点形式具有较强的抗弯承载力、延性和耗能能力，可以在抗震区的框架设计中予以应用。（３）该体系所采用的留孔后浇的预制楼板与钢梁之间通过栓钉连接，该连接的滑移刚度较小，变形能力较强，能够满足规范规定的抗剪承载力要求。（４）为进一步分析该体系在地震作用下的整体性能以及框架的延性和耗Ｉｉｔｉ力，拟开展足尺框架子结构的拟静力试验研究，以期为该体系在抗震区多层住宅建设中的推广应用提供依据。参考文献：［１】Ｔａｍ［２］［３】【４】４［５】［６】６［７］［８】ＶＷＹＴａｍＣＭ，ＺｅｎｇＳＸ，ｅｔａ１．Ｔｏｗａｒｄｓａｄｏｐｔｉｏｎｏｆｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ【Ｊ］．Ｂｕｉｌｄｉｎｇａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，４２（１０）：３６４２－－３６５４．黄怡，王元清，石永久．支撑布置方式对多高层钢结构抗震性能的影响分析叨．钢结构，２００６，２０（５）：４１—４４．王掂，王琼，陈学森，等．预制装配式钢框架抗侧力体系研Ｅ［ｃ］／／钢结构工程研究（十）．中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第１４届（ＩＳＳＦ．２０１４）学术交流会暨教学研讨会论文集，２０１４．施刚，石永久，王元清．钢结构梁柱半刚性端板连接弯矩．转角全曲线计算方法［Ｊ】．工程力学，２００６，２３（５）：６７－－７３．陈学森，施刚．王拮，等．多层装配式钢框架梁柱节点选型分析［ｃＦ第十四届全国现代结构工程学术研讨会论文集，２０１４．ＢＳＥＮ１９９３—１－８：２００５，Ｅｕｒｏｃｏｄｅ３：Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｐａｒｔ１－８：ＤｅｓｉｇｎｏｆＪｏｉｎｔｓ［Ｓ】．ＣＥＮ，２００５．ＧＢ５００１７．２００３，钢结构设计规范［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．ＧＢ５００１７．２０１０，建筑抗震设计规范［Ｓ】．北京：中国建筑工业出版社，２０１０．・ＩＩ一００８・