項(xiàng)目意義和來源
我國單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國家的2倍以上，建筑垃圾、施工灰塵是城市主要污染源之一。我國房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展面臨重大機(jī)遇，中國作為7億噸的世界第一產(chǎn)鋼大國，產(chǎn)能過剩近1億噸，但鋼結(jié)構(gòu)建筑只占5%，而發(fā)達(dá)國家占50%以上，保障性住房建設(shè)速度、地震災(zāi)區(qū)住宅重建速度有待進(jìn)一步提高。目前，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部明確提出要在保障性住宅中推動(dòng)使用鋼結(jié)構(gòu)住宅。工業(yè)化、裝配式節(jié)點(diǎn)斜撐加強(qiáng)型鋼框架結(jié)構(gòu)體系符合“十二五”時(shí)期，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化方針政策和中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，是國家支持的鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)。
遠(yuǎn)大可建為改善傳統(tǒng)建筑存在的建設(shè)周期長、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、施工過程污染大等缺點(diǎn)，吸取汶川地震慘烈教訓(xùn)，從2010年世博會(huì)開始，開發(fā)工廠化生產(chǎn)的新型裝配式節(jié)點(diǎn)斜撐加強(qiáng)型鋼框架結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)。該結(jié)構(gòu)體系適用于多高層鋼結(jié)構(gòu)，主要由主板、立柱、斜支撐幾部分組成，壓型鋼板混凝土組合樓板支撐于鋼梁上形成主板，主板支撐于立柱上，在梁與柱之間設(shè)置斜支撐，斜支撐加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，同時(shí)和梁柱框架共同抵抗水平和豎向荷載。承重構(gòu)件連接采用高強(qiáng)螺栓，在保證強(qiáng)度的前提下達(dá)到易安裝、易拆卸、易維護(hù)的目的。
為了推進(jìn)該鋼結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)發(fā)展，確保設(shè)計(jì)、施工安全，需要對(duì)該體系進(jìn)行科學(xué)合理的研發(fā)、系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范化、生產(chǎn)工業(yè)化、安裝機(jī)械化，解決產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和驗(yàn)收幾方面的問題，滿足國家在建設(shè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
北京工業(yè)大學(xué)發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的優(yōu)勢和鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究經(jīng)驗(yàn)，受遠(yuǎn)大可建科技有限公司委托，聯(lián)合遠(yuǎn)大科技集團(tuán)、中國建筑科學(xué)研究院、湖南大學(xué)、遠(yuǎn)大可建科技有限公司承擔(dān)了湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目《裝配式斜支撐鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)研究與應(yīng)用》，對(duì)該體系進(jìn)行了理論分析、有限元模擬、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系試驗(yàn)研究，經(jīng)過多層次的計(jì)算分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終獲得了該體系的受力特性和破壞機(jī)理，使其滿足現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)規(guī)范要求。
二、主要研究內(nèi)容和結(jié)論
（1）結(jié)構(gòu)整體有限元分析與設(shè)計(jì)研究
分別采用目前國內(nèi)通用的有限元設(shè)計(jì)分析軟件Etabs、Midas/GEN、SAP2000、ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（包括靜力分析、反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析）與設(shè)計(jì)。在建Etabs、Midas/GEN、SAP2000有限元模型中，整個(gè)模型包含15萬梁桿系單元、26000個(gè)樓板單元。模型龐大，模擬的精度高，能夠較為真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況。在有限元模型的設(shè)計(jì)中，通過建立彈性單元連接，考慮了螺栓拼裝連接節(jié)點(diǎn)的影響，連接節(jié)點(diǎn)的剛度是通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)測得的實(shí)際剛度帶入整體分析模型，使分析模型的受力能夠非常真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)受力?；谠撥浖闹袊?guī)范設(shè)計(jì)程序，進(jìn)行了8度常遇地震的內(nèi)力計(jì)算和設(shè)計(jì)，結(jié)果證明其能夠滿足8度設(shè)防的抗震要求。同時(shí)采用ANSYS軟件進(jìn)行了最大工況荷載的精細(xì)有限元分析，共劃分了100萬單元，采用高性能計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并與Etabs、MIdas、Sap2000有限元相同工況的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，ANSYS與Etabs、MIdas、Sap2000軟件分析結(jié)果差別較小，分析結(jié)果得到了互相驗(yàn)證。同時(shí)，采用ansys軟件的APDL語言開發(fā)了基于中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的后處理設(shè)計(jì)程序，該程序結(jié)果與Etabs、MIdas、Sap2000有限元設(shè)計(jì)結(jié)果相比，四者的腹桿計(jì)算結(jié)果基本相同，梁上下弦桿有所不同，但是都能滿足規(guī)范要求。
（2）整體結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析
采用ansys和ABAQUS軟件，建立反映實(shí)際結(jié)構(gòu)受力的空間桿系有限元模型，根據(jù)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的截面，進(jìn)行9度罕遇地震的大震彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)新《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，選用了兩條天然波（EL-Centro波和Taft波）和一條人工波，將峰值調(diào)整到了620cm/s2,進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。分析表明，該體系在9度罕遇地震作用下，整個(gè)塑性應(yīng)變的積累和構(gòu)件損傷都較小，塑性應(yīng)變主要布于柱子斜支撐和斜支撐節(jié)點(diǎn)區(qū)外的桁架梁腹桿上，柱子塑性應(yīng)變很小。該體系的破壞機(jī)理為，桁架腹桿首先進(jìn)入屈服,斜撐范圍內(nèi)的柱段應(yīng)力較低，沒有或者較晚進(jìn)入屈服。體系具有較好的延性，滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的受力要求。（待續(xù)）
