装配式高层钢结构体系及关键节点性能与设计理论研究

With the advantages of factory production, assembly construction and environmental protection, prefabricated steel structures are widely used in developed countries and got great support in China. However, study and application of prefabricated steel structures are mainly focused on low-rise building. Few studies on high-rise structure because the lack of research of behavior and design method on new-type structure and key connection, which restricts the prefabricated steel structure to develop in high-rise structure. Aiming to the behavior and design method of the structure and main connections for the modular prefabricated steel structure, this project intends to carry out studies on the following scientific issues and key technologies: (1) Study the structure system of prefabricated high-rise steel structure and the key connections of column to column, beam to column and support to frame, present the load transfer mechanism and mechanical behavior, establish design method for calculating the bearing capacity. (2) Study the seismic behavior of key connections, present the energy dissipation, failure mechanism and failure mode, establish the restoring force models and seismic design method. (3) Study the rule of the key connections effect on the global structure under earthquake, present the failure mechanism and failure mode, propose seismic design method based on performance. Based on the comparisons between theoretical analysis, numerical simulation and model test, this project will propose the formulas of bearing capacity and seismic design methods for the structure and key connections, aim to provide references for compilation of code and practical engineering.

装配式钢结构工厂化生产、装配化施工，绿色环保，在发达国家应用广泛，在我国正获得大力推广。但是，其研究和应用主要集中在低层建筑，对高层建筑开展的研究较少，新体系和关键连接节点性能和设计方法研究不足严重制约其在高层结构中的发展。本项目针对装配式高层钢结构体系和关键连接节点的性能和设计方法，拟开展以下科学问题和关键技术研究：（1）研发装配式高层钢结构体系和柱与柱、梁与柱、支撑与框架等关键连接节点构造形式，揭示传力机理和力学性能，建立承载力计算方法；（2）关键连接节点的抗震性能，揭示耗能机制、破坏机理和失效模式，建立恢复力模型和抗震设计方法；（3）连接节点对整体结构性能的影响，揭示整体结构的破坏机理和失效模式，建立基于性能的抗震设计方法。采用理论分析、数值模拟和模型试验互相验证，提出体系和关键连接加点的承载力和抗震设计方法，为相关规范编制提供参考，为工程应用提供理论基础和技术支撑。

装配式钢结构工厂化生产、装配化施工，绿色环保，在发达国家应用广泛，但其研究和应用主要集中在低层建筑，对高层建筑研究较少，新体系和关键节点性能和设计方法研究不足制约其在高层结构中的发展。本项目针对装配式高层钢结构体系和关键连接节点的性能和设计方法，开展了以下科学问题和关键技术研究：（1）提出了方钢管柱-角钢桁架装配式多高层钢结构体系及方钢管柱与柱法兰连接、方钢管柱与角钢桁架工厂焊接节点、半焊半螺栓节点、全螺栓节点；提出索支撑钢框架体系及索支撑与框架连接；提出了方钢管柱-H型钢梁工地全螺栓装配式高层钢结构体系及带盖板柱与柱法兰连接、梁柱工厂焊接节点、半焊半螺栓节点、全螺栓节点；提出适用于多高层体系的T型自复位耗能支撑及支撑与框架的连接。获得国家发明专利8项。实现了工厂焊接，工地全螺栓快速装配的目标。（2）开展了大量的框架、框架支撑体系、梁柱节点、支撑等的承载力和抗震试验及有限元分析，揭示了体系和节点的传力机理，建立了体系和节点的力学模型，获得其力学性能，建立了承载力计算方法。（3）获得了柱与柱、梁与柱、桁架与柱等关键节点的滞回曲线、骨架曲线、耗能、延性、转动能力等描述抗震性能的指标，揭示了节点的耗能机制、破坏机理和失效模式，建立恢复力模型，推导了节点的抗震设计方法。（4）研究了连接节点对整体结构性能的影响，揭示整体结构的破坏机理和失效模式。研究成果为实现钢结构工厂焊接，工地全螺栓的快速装配提供了体系和节点设计方法，提高施工质量，降低现场劳动强度，为相关规范编制提供参考，为工程应用提供理论基础和技术支撑。柱与柱法兰连接、梁柱Z字型连接的设计方法写入《全装配式多高层钢结构技术标准》。Z字型梁柱连接节点和T型自复位耗能支撑在北京和深圳获得工程应用。研究成果发表在ES、JCSR《建筑结构学报》等SCI一区检索期刊和国内一级学报。发表论文32篇，其中SCI检索16篇，EI检索7篇，一篇论文评为领跑者5000论文。