模块化预制钢-混凝土组合框架结构关键技术与抗震性能研究

This project has proposed modular prefabricated steel-concrete composite frame structure, which applies the combination of precast technology, steel-concrete composite structure technology and modular construction technology. The project utilizes theoretical analysis, model test and numerical analysis to solve the key problems in structural design and construction and the seismic issues. The project will be conducted through three levels of components/joints, modules and structure. The main research contents are as following: (1) Based on the mechanical and deformation characteristics and the seismic property of the key mechanical components, such as bunched columns and stacked beams, as well as the critical joints, the applicable design method and elasto-plastic model will be established and the reasonable components/joints constructional detail will also be developed. (2) Considering the influencing of construction process on the mechanic behavior of modules, control index system for module design will be developed and then applicable design method and elasto-plastic model of modules will also be established. (3) The practical seismic behavior of the proposed structure will be obtained through shaking table test. Based on the measured results, using the applicable design method and elasto-plastic model of components/node and modules, evaluation method of seismic behavior of the structure will be developed. The research results of the project have obviously great value on the engineering application of modular prefabricated steel-concrete composite frame structure. It will promote building industrialization in China to develop in the direction of reasonable structure, standardized design, effective construction and higher technical level.

本项目将预制技术、钢-混凝土组合结构技术及模块化施工技术有机结合，提出了模块化预制钢-混凝土组合框架结构，针对该新型结构设计与施工过程中关键问题及抗震问题，综合采用理论分析、模式试验、数值分析等技术手段，从构件/节点、模块、结构三个层次进行研究，主要研究内容包括：（1）根据束柱、叠梁等关键受力构件及构件间重要连接节点受力与变形特性及其抗震机制，建立适用的设计方法与弹塑性分析模型，开发合理的构件/节点构造；（2）考虑施工过程对模块性能的影响，提炼模块设计的控制指标体系，建立模块适用的设计方法及与弹塑性分析模型；（3）通过模型振动台试验检验结构抗震性能，根据试验结果，基于构件/节点与模块设计方法和弹塑性分析模型，建立结构抗震性能评价方法。项目研究成果对模块化预制钢-混凝土组合框架结构这一新型结构的工程应用具有重要价值，将推动我国建筑工业化向结构合理、设计标准、施工高效、技术含量更高的方向发展。

建筑工业化是我国建筑行业转型升级的必然趋势，装配式混凝土结构由于其质量可靠、施工效率高、环境影响小等特点，成为我国建筑工业化进程中研究与应用热点。基于3D装配工艺的模块化预制钢-混凝土组合框架结构研究将有利于我国建筑行业的转型升级，促进我国建筑工业化进程，具有明显的社会价值。.本项目基于模块化预制钢-混凝土组合框架结构特点，重点针对适用于模块化组合框架的连接节点开展技术研发与试验研究工作，提出了综合应用圆钢管接头连接与预应力压接混合连接组合柱节点和基于钢接头的框架节点两种技术方案。.针对混合连接组合柱节点，开展了钢管混凝土粘结滑移性能试验和混合连接组合柱节点抗震性能试验。钢管混凝土粘结滑移性能试验考虑了钢管径厚比、长细比、浇筑材料强度及螺旋箍筋等参数的影响，通过对试验实测荷载-滑移曲线与钢管应变的分析，建议径厚比取值范围为4.56~19.4，长细比取值范围为3.09~7.02，混凝土强度取C40以上，且在钢管外周点焊螺旋箍筋。混合连接组合柱节点抗震性能试验考虑了柱截面尺寸、方钢管截面尺寸、圆钢管直径、圆钢管厚度及圆钢管长度等参数的影响，综合试验数据及有限元分析结果，混合连接柱与现浇柱破坏形态一致，总体抗震性能基本等同。同时，开展了基于混合连接组合柱节点的模块化组合框架结构的预制与施工工艺的研发。.针对基于钢接头的框架节点，开展了节点抗震性能试验，试验考虑了钢接头的构造加强措施及箍筋形式，试验结果表明装配式节点与同条件现浇节点抗震性能相当，试验参数对节点性能表现无明显影响。通过有限元参数化分析发现，钢接头与预制梁的焊缝质量是确保节点整体性能的关键，钢接头保证构造即可满足设计要求。.通过以上研究工作，本项目初步探讨了模块化预制钢-混凝土组合框架结构的节点构造与抗震性能，并提出了相关预制与施工工艺，开辟了模块化装配式组合结构领域，为我国装配式建筑的发展提供了新的有效途径。