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朱礼敏:装配式钢节点混合框架结构体系的研究与应用

朱礼敏:装配式钢节点混合框架结构体系的研究与应用

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导语


装配式钢节点混合框架结构体系(CABR-HF体系),是由“PC梁柱+钢连接节点”组成,通过在PC梁、PC柱的端部预埋钢连接件,现场连接钢连接件来实现梁-柱连接和柱-柱连接。该体系将PC构件与钢结构连接方式有机结合、混合应用,综合了传统PC结构和钢结构的优势,扬长避短,施工更高效、效益更显著。


中建研科技股份有限公司副总工程师朱礼敏分享了《装配式钢节点混合框架结构体系(CABR-HF体系)的研究与应用》,主要包含以下三个方面:结构体系介绍和优势、主要研究工作(包括理论分析及有限元模拟、试验研究)、研究成果和工程应用。

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结构体系介绍和优势


CABR-HF体系的框架梁采用“预制混凝土梁身+梁端钢连接件”组成的全预制或叠合混合梁,梁端钢连接件与预制混凝土梁身一般采用埋入式连接,梁纵筋与钢连接件进行搭接焊;框架柱采用“预制混凝土柱身+柱钢连接件”组成的预制混合柱,预制混合柱可单层预制也可跨层预制,柱钢连接件分为柱底、柱顶钢连接件,其与预制混凝土柱身采用埋入式或端板式连接,相应的柱纵筋与钢连接件采用搭接焊或穿孔塞焊连接。


该体系通过连接混合梁的梁端钢连接件与混合柱的柱顶钢连接件进行梁-柱连接,一般采用“腹板栓接+翼缘焊接”的方式;通过柱底和柱顶钢连接件的高强螺栓法兰连接或法兰灌浆连接完成上、下层柱-柱连接。节点连接施工完成后,可对外露的节点区域采用轻质无机材料填充,以满足防火防腐要求。


CABR-HF体系与传统框架结构体系相比,具有3大显著优势:(1)通过钢连接件实现了节点干式连接,并且利用钢连接节点构造形式可实现梁、柱构件的施工免支撑,施工速度快;(2)钢连接节点抗震性能好,节点延性和耗能能力均优于后浇混凝土节点;(3)建造成本低,经济效益显著。


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主要研究工作


针对CABR-HF体系的节点连接构造形式,开展了相应的有限元模拟和试验研究。


首先按照“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强连接弱构件”的原则设计了3个柱-柱连接节点和2个梁-柱连接节点,采用有限元模拟手段验证节点破坏形态是否符合设计预期,并对节点构造进行可行性和优化分析。两类节点的有限元模拟方式和结果分别为:(1)对于柱-柱节点模型,ZZ1用来模拟上层柱底连接,柱底钢连接件采用矩形钢管且与柱身采用埋入式连接,下层柱柱顶钢连接件采用工字形钢,上下层柱采用高强螺栓法兰连接;ZZ1a是ZZ1的对比模型,将连接处上下法兰板绑定并取消螺栓,为假想模型;ZZ2用来模拟下层柱顶连接,柱顶钢连接件采用工字形钢且与柱身采用端板式连接。计算时首先对柱施加恒定轴压力,然后采用柱顶加载方式进行水平往复加载。模拟结果表明,ZZ1与其对比模型ZZ1a的破坏部位及破坏形态一致,均为柱身底部混凝土受压损伤大、外侧纵筋屈服、钢连接件和高强螺栓仍保持弹性,ZZ2的破坏也发生于钢连接件范围外的混凝土柱身,与设计预期相符。并且ZZ1的承载力约为ZZ1a的95%,证明高强螺栓法兰连接传力可靠。(2)对于梁-柱节点模型,LZ1采用内隔板式连接,LZ2采用贯通隔板式连接,上层柱柱底钢连接件均采用矩形钢管且与柱身采用埋入式连接,下层柱柱顶钢连接件与柱身分别采用端板式连接和埋入式连接两种方式。计算时首先对柱施加恒定轴压力,然后采用梁端加载方式进行竖向往复加载。模拟结果表明,各模型破坏时梁端钢连接件外露区域全截面屈服,梁内纵筋屈服,但柱钢连接件和柱纵筋均未屈服,与预期破坏部位一致。


在有限元模拟的基础上,分别对柱-柱连接节点和梁-柱连接节点开展了拟静力试验研究,试验现象和破坏形态分别为:(1)对于柱-柱连接节点,混凝土柱身底部首先产生水平裂缝,然后水平裂缝逐渐斜向下发展,进而角部混凝土出现竖向裂缝并压溃剥落,最终混凝土柱身底部发生压弯破坏,形成塑性铰,钢连接件基本保持弹性;高强螺栓法兰连接节点中法兰板无明显变形,法兰灌浆连接的灌浆层张开,但张开量不及混凝土柱身主裂缝宽度的20%;试件承载力试验值比计算值高40%左右,说明规范公式适用且偏于安全;试件开裂位移角为1/300,远大于小震下弹性位移角限值1/550;极限位移角为1/45~1/40,满足大震下弹塑性位移角限值1/50的要求;延性系数5.0左右,变形能力及延性良好。(2)对于梁-柱连接节点,首先是梁端钢连接件上下翼缘屈服,进而钢连接件全截面屈服,梁纵筋受拉屈服,最终梁端钢连接件翼缘受压屈曲,发生受弯破坏。此时内隔板式连接的梁端焊缝也出现了开裂,导致加载后期荷载下降;试件承载力试验值约为计算值的1.1~1.25倍,说明规范公式适用且偏于安全;开裂位移角为1/466~1/240,大于1/550;极限位移角为1/36~1/25,明显大于1/50,变形能力良好;破坏前塑性变形主要集中于梁端钢连接件外露区域,梁端塑性铰显著,符合设计预期。


综合上述数值模拟和拟静力试验结果,得到以下结论:(1)柱钢连接件与柱身采用埋入式连接能够有效传力,所采用的的埋入长度和钢筋搭接焊构造可以保证柱钢连接件与柱身端部的内力传递;端板式连接也可以有效传力;上下层柱之间采用的高强螺栓法兰连接、法兰灌浆连接均安全可行;连接节点不影响混凝土柱截面承载力的发挥,规范公式适用且偏于安全。(2)梁端钢连接件与混凝土梁身采用埋入式连接安全可行,所采用的的埋入长度和钢筋搭接焊构造可以保证梁端钢连接件与梁身端部的内力传递;梁柱节点域采用内隔板式、贯通隔板式构造均能可靠传力,贯通隔板式构造更能充分发挥梁端钢连接件的塑性承载能力和变形能力。

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3

研究成果和工程应用


CABR-HF体系已取得发明和实用新型授权专利两项,编制完成了中国工程建设标准化协会标准《装配式钢节点混合框架结构技术规程》T/CECS 1354-2023和相应的节点构造图集,并在山东盛工装配式建筑产业基地、山东淄博周村区新材料产业园以及江苏省扬州市职业大学高邮湖校区电子工程学院楼等多个项目中进行了成功应用,总建筑面积达11.1万平米,工程应用效果良好,为该体系下一步的扩大应用奠定了坚实基础。

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结束语


与传统PC框架结构相比,CABR-HF体系采用节点干式连接,避免了现场湿作业,且实现了预制梁、柱的免支撑施工,可有效缩短施工周期,大幅降低施工措施费;与钢框架结构相比,CABR-HF体系构件自身成本低,无需大面积防火防腐维护,结构耐久性更好。


当前我国正在加快推进新型建筑工业化,同时致力于实现“双碳”目标,CABR-HF体系符合高效益、高质量、低消耗、低排放的发展要求,具有良好的市场应用前景。


作者简介


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朱礼敏,博士,研究员,国家一级注册结构工程师。现任中建研科技股份有限公司副总工程师,国家科技专家库在库专家,并担任北京市装配式建筑专家委员、中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土构件分会副理事长、中国钢结构协会智能建造与新型建筑工业化专业委员会专家委员等职务。主要从事装配式新型结构体系研发、装配式建筑咨询与设计、装配式绿色围护系统产品研发、智能建造评价标准等领域的工作,具有深厚扎实的专业理论知识和丰富的工程实践经验。主编和参编行业、地方和团体标准20余项,出版专著2部,发表论文40余篇,获得发明、实用新型专利10余项,取得省部级科技奖励4项,入选“第二届建筑结构行业杰出青年”。


(责任编辑:何雯丽)


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[责任编辑:Susan]

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