现代预应力高层钢结构支撑—框架体系基础理论与关键技术研究

Steel structure building is green building which has excellent seismic performance. Prestressed steel structure not only can produce novel and significant lightweight structure system, but also significantly improve the stress condition, increase the rigidity and integral stability, and save material and reduce cost. Currently, large-span prestressed steel structure has been extensively studied and applied, but the research of new structure system and whose static and dynamic properties of high-rise prestressed steel structure are almost in the blank. The main subject of the project is to produce kinds of new brace-frame prestressed high-rise steel structure system which have the character of novelty and economy. Using theoretical analysis, optimization, computer simulation, model testing and other methods to study the mechanical properties, multi-constraint optimization, aseismic performance and overall stability of the beam and column elements, joints, resist lateral force structure and other key parts of prestressed high-level steel structure system. The lateral resist force system, joint structure, aseismic performance-based design, constructional prestress loss and tension control methed and other key issues of prestressed high-rise steel structure will be solved. The reasonable values of cross-section parameters of the prestressed beam and column, the setting of prestressed degree, the reasonable connection method of joint and the selection of parameters, the reasonable mode and parameter value of the resistant-lateral force strucutre, the dynamic performance and key construction requirements of the structure system at different earthquake fortification intensity will be gotten. The study results of the project will provide scientific basis for the design standards development of the pre-stressed high-level steel structure building.

钢结构建筑是抗震性能优良的绿色环保建筑。预应力钢结构既能创造新颖轻巧的结构体系，又能显著改善受力，增大刚度和稳定性，节约材料，降低造价。目前，大跨度预应力钢结构得到广泛研究和应用，但是，预应力高层钢结构新体系研发和静动力性能研究基本处于空白。本课题意在提出新颖节材的预应力高层钢结构支撑—框架体系，并应用理论推导、优化设计、计算机仿真、模型试验等方法，深入研究其钢结构体系、梁柱构件、节点、抗侧力结构等关键部位受力性能、多约束优化设计、抗震性能及整体稳定性能，解决预应力高层钢结构支撑—框架体系构造、节点构造、抗震性能化设计、预应力损失及张拉施工等关键问题。得到预应力梁柱截面参数的合理取值、预应力度的设定、节点的合理连接方式及参数的选择、抗侧力结构合理方式及参数的取值、结构体系在地震下的动力性能各参数的取值和关键构造要求。本项研究成果为预应力高层钢结构设计标准规范制定提供科学依据。

本项目主要进行了预应力高层钢结构支撑—框架体系研发和优化，研发得到了耗能减震、受力合理、施工方便的预应力高层钢结构支撑—框架体系和典型节点。获得适合预应力高层钢结构支撑—框架体系优化设计的方法、控制指标和优化目标。得到性能指标优秀的新型预应力高层钢结构支撑—框架体系，指导实际工程的设计施工，在二层小型试验工程中得到应用。得到预应力新型耗能减震的预应力支撑—框架体系的构件布置、预应力度、预应力施加方法、设计控制指标、静力力学性能和抗震动力特性反应等一套研究成果。. 本项目进行了预应力高层钢结构支撑—框架体系典型节点抗震性能研究。研究了适合预应力张拉、锚固的梁柱节点承载力计算理论和计算方法；地震作用下节点域的变形性能、应力分布状态、破坏模式、极限承载力及其变化规律；节点的局部稳定要求；节点的设计参数控制要求。结合实际工程进行了装配式预应力高层钢结构支撑—框架体系节点静力性能试验与设计研究。获得了节点的受力性能、破坏模式、破坏机理，极限承载力、桁架梁腹杆和弦杆的破坏模式。进行了典型节点抗震性能模型试验，制作不同形式的梁柱典型节点试验模型，获得了低周循环荷载下节点的滞回性能、节点的变形性能、耗能能力及其影响因素。. 本项目进行了预应力高层钢结构支撑—框架体系抗震性能研究。获得了预应力构件布置对预应力高层钢结构支撑—框架体系破坏模式、滞回性能、延性性能、耗能能力的影响规律。获得了预应力高层钢结构支撑—框架体系的承载力的计算理论和方法。获得了主要控制参数（预应力度等）对预应力高层钢结构支撑—框架体系抗震性能的影响规律；包括破坏模式、滞回性能、延性性能、耗能能力的影响规律。. 本项目进行了带跨层预应力斜支撑的高层钢框筒结构受力性能研究，通过对施加跨层预应力斜支撑前后的钢框筒结构的静力分析，得出预应力支撑对体系侧向刚度、对结构的角柱应力、结构局部的剪力滞后效应的影响规律。得到了预应力支撑布置方式、角度、截面、弹性模量等参数对结构受力的影响规律。. 本项目进行了新型装配式预应力防屈曲支撑抗震性能研究。获得了预应力防屈曲支撑的极限承载力和滞回性能。. 本项目申请发明专利30项，已发表论文5篇，其中SCI或EI收录论文3篇，投稿学术论文7篇，培养博士研究生2名，硕士研究生3名。