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工业化装配式钢结构建筑就是将建筑中所需要的构件在特定的工厂进行生产,然后运输到施工现场进行装配而成的建筑。工业化装配式钢结构建筑以其施工速度快、建造周期短、工程质量高、建筑垃圾少和现场劳动力消耗低等优点,必将成为我国未来住宅产业化发展的主力军。国内外在低层装配式钢结构方面的研究和应用较为广泛,而在多高层装配式钢结构方面的研究基本处于空白,因此迫切需要结合我国工业化装配式钢结构发展的实际现状,研发新型的装配式多高层钢结构体系。 本文将装配式方钢管法兰柱应用于装配式钢结构体系之中,有效地提高了结构的装配速度,获得了国家发明专利授权。为了研究装配式方钢管法兰柱的抗震性能,对3组共8个装配式方钢管法兰柱足尺模型试件进行了低周往复加载试验,考虑了法兰板厚度、螺栓个数、螺栓间距和法兰板形式的影响,对比分析了各试件的承载能力、滞回性能、延性性能、刚度退化、强度退化、耗能能力及破坏特征。研究结果表明,装配式方钢管法兰柱具有良好的抗震性能,满足抗震规范设计的要求。通过增加法兰板的厚度,减小螺栓间距,将螺栓集中布置在法兰板中部,可以有效地提高装配式方钢管法兰柱的抗弯承载能力和耗能能力。与柔性法兰连接相比,采用刚性法兰连接具有更高的抗弯承载能力和耗能能力。基于试验,采用ABAQUS建立了装配式方钢管法兰柱有限元分析模型,计算所得滞回曲线和骨架曲线与试曲线吻合较好,分析结果与试验观测的破坏形态吻合较好,验证了有限元模型的正确性,揭示了法兰板之间的接触应力分布规律和螺栓内力的变化情况,提出了螺栓贡献系数,给出了设计建议。 提出了一种带垂直加劲肋的装配式方钢管柱H型钢梁节点,具有构造简单和传力明确等优点,适用于装配式结构体系之中,获得了国家发明专利授权。为了研究带垂直加劲肋装配式方钢管柱H型钢梁节点的抗震性能和破坏机理,对6个装配式方钢管柱H型钢梁节点足尺模型试件进行了低周往复加载试验,考虑了垂直加劲肋的尺寸、垂直加劲肋的连接方式以及其他构造形式的影响,对比分析了各试件的承载能力、滞回性能、延性性能、刚度退化、强度退化、耗能能力及破坏特征。研究结果表明,带垂直加劲肋装配式方钢管柱H型钢梁节点滞回曲线饱满,具有良好的抗震性能,设置垂直加劲肋可以提高节点的承载能力、刚度和耗能能力,实现梁端塑性铰外移,满足“强节点弱构件”的设计要求。采用钢梁翼缘和垂直加劲肋的水平段与方钢管柱不焊接的节点形式,节点的承载能力、刚度、延性性能和耗能能力均有所下降,但影响不大。与设置内隔板的节点相比,设置垂直加劲肋可以更加有效地提高节点的承载能力、刚度和耗能能力,且构造简单、加工方便,具有很高的工程应用价值。 基于试验,建立了带垂直加劲肋装配式方钢管柱H型钢梁节点有限元分析模型,计算所得滞回曲线和骨架曲线与试曲线吻合较好,分析结果与试验观测的破坏形态吻合较好,验证了有限元模型的正确性,揭示了节点核心区的传力模式、应力分布规律、应变发展过程及破坏模式。进行了节点抗震性能参数化分析,考虑了垂直加劲肋水平板长度、水平板厚度、竖直板长度和竖直板厚度的影响,研究了不同加劲肋参数对节点的滞回性能、承载能力、刚度退化和耗能能力的影响规律,在此基础上,提出了节点垂直加劲肋实用设计方法,为工程设计提供参考依据。 提出了将柔性的拉索应用于工业化装配式钢结构体系之中,采用柔性的拉索代替刚性的支撑来提高结构体系的抗侧性能,获得了多项国家发明专利授权。本文研究了拉索的截面面积、初始预拉力、初始预应力度和柱子轴压比等参数对工业化装配式钢结构抗侧性能的影响,得到了结构的受力模式和拉索预应力的取值准则。通过对装配式多高层钢框架预应力支撑结构体系进行理论分析,结合拉索预应力的取值准则,得到了拉索截面面积和初始预拉力设计公式和设计方法,并通过算例验证了设计公式和设计方法的可行性,为装配式多高层钢框架预应力支撑结构体系在实际工程中的应用提供了理论依据。 本文对装配式方钢管框架节点抗震性能及预应力拉索支撑设计方法的研究,得到了大量有价值的研究成果,为工业化装配式钢结构相关技术规程和规范的编制提供了重要的理论依据,可以有效地推动工业化装配式钢结构体系在实际工程中的推广应用。