大规模定制的建筑工业化智能设计方法研究与案例展示

01

大规模定制建筑

工业化智能设计方法研究

郑子豪、李元琪、邵龙

摘要：为推进建筑工业化模式大规模定制，提出两种适用于工业化建筑的智能设计方法：面向装配的设计方法和面向销售的设计方法。以轻钢龙骨结构建筑为例，阐述设计流程和案例描述。面向装配的设计方法以二维块状构件为基本单元，以直接向工厂下订单为目标，首先建立预先校准结构性能的建筑构件数据库，生成建筑平面图后将结构荷载分配到各个墙体和楼板构件上，自动匹配所需的建筑构件模型，验证整体结构。面向销售的设计方法以三维建筑模块为基本单元，以直接向销售下订单为目标，定义具有各种功能的模块并建立生成式设计规则。在建筑初步设计阶段考虑不同建筑布局导致的建造成本不同，通过遗传算法对建筑布局和成本进行优化。 两种方法选取的部件和模块均满足工业化大批量生产的要求，为实现大批量生产的工业化设计过程提供了新思路。

关键词：大规模定制；建筑工业化；二维模块化构件；模块化建筑；生成式设计；遗传算法

02

预应力支撑构件的相互屈曲

承载能力智能估算方法

吴开东、李国强、常浩松、幸哲

摘要：预应力支撑构件造型美观、省料高效，但由于其柔性较大，易发生多种屈曲模态相互作用耦合，即“相互作用屈曲”模态破坏，而相互作用屈曲对其极限承载力和屈曲性能有显著影响。研究了相互作用屈曲对预应力对称和非对称支撑构件在轴压和压弯作用下的屈曲性能和极限承载力的影响，并在此基础上采用基于回归算法的人工神经网络建立其极限承载力估算模型。研究结果表明：对于预应力支撑构件，模态相互作用易导致失稳后屈曲，对其极限承载力有显著的削弱作用；这种削弱作用是否会产生影响取决于结构几何参数和参与相互作用的模态屈曲荷载，而削弱的程度受结构支撑的不对称性和预应力水平的影响； 建立的极限承载力ANN预测模型能够考虑相关屈曲的影响，准确可靠，适用性广。该研究可为后续开发预应力支撑构件智能设计软件平台提供依据，满足工程设计的需要。

关键词：预应力支撑构件；有限元分析；机器学习；交互屈曲；承载力；人工神经网络

03

半刚性柱脚自复位组件

钢框架拟动力试验研究

张艳霞、沈森、李仰龙、赵薇

摘要：针对刚性柱脚自复位预制钢框架结构在中震及烈度地震作用下底部柱可能发生较大塑性变形的问题，设计了一种半刚性柱脚自复位预制钢框架结构。对子结构进行拟动力试验，比较了Taft地震波、LOS000地震波、El-Centro地震波输入及不同等级地震作用下框架的节点张开、耗能能力、刚度退化、预应力损失及应变变化等。试验结果表明，该钢框架在烈度地震作用下具有良好的自复位功能和耗能能力，钢绞线平均预应力损失最多仅为1.58%，说明施加预应力的方法可靠。钢框架柱脚始终能保持弹性状态，地震后只需对钢梁进行修复，大大降低了修复费用。

关键词：半刚性柱脚；钢框架；拟动力试验；自复位函数；预应力损失

04

腹板开孔耗能支撑架

结构抗震性能研究

徐兴元、赵宝成

摘要：钢框架中心支撑结构为双重抗侧力结构体系，为避免中心支撑斜拉杆在水平荷载作用下失稳，提出采用矩形钢管腹板开孔耗能支撑，通过高强螺栓与钢框架连接，组成耗能支撑架结构，耗能支撑损坏后更换方便。耗能支撑的耗能板采用对称开孔和S型开孔两种形式。利用ABAQUS有限元软件分析耗能腹板厚度、长度、开孔间距等参数对耗能支撑及支撑架滞回性能的影响。研究结果表明：两种开孔形式的耗能支撑架结构支撑斜拉杆均未失稳，结构滞回曲线饱满无捏合现象。 耗能支撑主要依靠开孔腹板孔间板材首先进入塑性状态耗散大部分能量，与S形开孔形式相比，对称开孔耗能支撑架结构承载力和刚度更大，但在加载后期，S形开孔耗能支撑架结构的大变形优势更加明显，耗能效率高。

关键词：耗能支撑框架；腹板开孔形式；滞回性能；耗能能力

05

带有球冠状空腔的圆形钢管混凝土

T型相贯线节点滞回性能研究

张伟杰、廖飞宇、林志平、戴佩嘉、

李艳飞

摘要：为研究球形冠部空洞缺陷对圆钢管混凝土T型相贯节点抗震性能的影响，以孔隙率、支管与主管直径比、主管径厚比为主要试验参数，完成了18个圆钢管混凝土T型节点试件在主管承受恒定轴拉、支管承受往复轴向荷载作用下的滞回性能试验，研究了球形冠部空洞缺陷对其破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度及耗能的影响。建立有限元分析模型，分析球形冠部空洞缺陷对主管与核心混凝土接触应力发展的影响，分析了孔隙率、支管与主管直径比、主管径厚比、混凝土强度、钢筋强度、轴拉比等参数对节点抗拉承载力的影响。 研究表明：球冠空缺陷的存在会改变节点的破坏模式，导致节点的承载力、刚度和耗能能力不同程度的降低，并削弱主管与混凝土之间的相互作用，影响节点的荷载传递机制。最后提出了考虑球冠空缺陷影响的圆钢管混凝土T型节点拉应力承载力折减公式。

关键词：钢管混凝土 T 型节点；拉弯；滞回试验；球冠状空洞缺陷；有限元分析

06

大吨位销轴连接节点

静态性能研究

周瑶，丁英男，郭晓农

摘要：销接节点在实际工程中得到了广泛的应用，但大吨位销接节点的全尺寸试验尚少，且销轴与吊耳相互作用对节点承载力影响的研究尚不足。为研究是否设置内吊耳加强筋、销轴的制造误差、销套是否松动等因素对销接节点力学性能的影响，完成了2组2 000 t全尺寸试验和10组有限元模型分析。研究结果表明：加强筋对限制内吊耳变形作用强，对限制外吊耳相对变形作用弱；设置加强筋可有效降低销轴中部应力水平，但也会导致销轴端部应力集中现象加剧；销孔与销轴之间间隙增大，会导致销轴受压处的孔壁出现应力集中； 销套刚度不足会导致销轴应力水平上升，销轴连接节点加工制造时必须保证销孔直径的加工精度，安装时应保证销套具有足够的刚度并与销轴可靠连接。研究结论可为同类大吨位销轴连接设计及应用提供参考。

关键词：销连接节点；静力性能；试验研究；有限元分析

07

热-湿-力耦合对高温尾部钢管的影响

轴压对混凝土短柱力学性能影响的试验研究

薛媛媛、钟水荣、霍静思、陈俊、

蔡祖荣

摘要：火灾时钢管混凝土内部会产生水蒸气，为探究热-湿-力学耦合对高温后钢管混凝土轴压力学性能的影响，对10根高温后方钢管混凝土短柱进行了轴压力学性能试验，研究了通风孔数量、布置位置、轴压比、加热时间等参数对试件破坏模式、轴压刚度、剩余承载力等力学性能的影响。试验结果表明：试件的破坏模式均为压溃破坏。在其他参数相同的情况下，与加热前相比，随着通风孔数量由2个增加到4个和6个，轴压刚度分别降低了69.1%、73.3%和76.4%，剩余承载力分别降低了15.8%、16.2%和21.7%；轴压比越大，轴压刚度越小。 随着加热时间的增加,残余承载力先随轴压比的增加而增大,后随轴压比的增加而减小。研究结果可为钢管混凝土柱的抗火设计及火灾后该类结构的损伤评估与加固提供参考。

关键词：热-湿-力耦合；方钢管混凝土；高温后；轴压；力学性能

08

断电火灾后圆端不锈钢管

混凝土柱轴压性能研究

高贤，王辉，宋培，王志斌，

董静宜

摘要：对14根端圆头不锈钢管混凝土短柱进行火灾后轴压试验，分析了长宽比、受火时间及含钢量对其火灾后剩余承载力的影响。试验表明，该类短柱的破坏模式为局部屈曲、焊缝开裂和混凝土压溃；试件剩余承载力随受火时间或长宽比的增加而降低，火灾120 min后承载力下降7.8%~13.9%。建立有限元模型，能很好地模拟实测结果。基于有限元模型进行理论分析，结果表明初始荷载对该类组合柱剩余承载力影响不大。参数分析表明，当混凝土强度由30MPa提高到90MPa时，其强度折减系数减小15.8%； 当截面周长由1 228 mm 增加到4 913 mm 时，其强度折减系数增大了20.5%；当受火时间由0 min 增加到180 min 时，其强度折减系数减小了8%；但含钢量、长宽比及钢材强度对其强度折减影响不大。最后给出了动力火灾后圆端不锈钢管混凝土短柱剩余承载力的设计方法。

关键词：不锈钢管混凝土；圆端截面；电气火灾；剩余承载力；有限元；设计方法

09

间断焊接管钢筋圆钢管

轴压构件极限承载力研究

孟文清、闫培培、崔汉龙、张亚鹏、

张鲁旭、王超

摘要：为研究间断焊接管增强杆件轴压性能，设计13组试件进行单调加载静力试验，分析试件极限承载力、破坏模式、荷载-位移曲线及截面应变发展规律，比较荷载配筋与非荷载配筋对试件极限承载力的影响。研究结果表明：管增强构件的破坏模式可分为整体失稳破坏和内管延伸段强度破坏；管增强构件内、外管共同作用、共同受力，屈服后内、外管均发生整体失稳破坏；荷载配筋与非荷载配筋试件极限承载力基本相同，相差2.2%。与未加固试件相比，非荷载配筋试件极限承载力最多提高479.9%。 根据试验结果对管增强构件ABAQUS有限元模型进行修改，并利用该模型分析了主要影响因素对管增强构件极限承载力的影响，提出了管增强构件极限承载力的经验计算公式，公式计算结果与试验结果一致性较好。

关键词：间断焊接；管道补强；极限承载力；轴压；失效模式；计算公式

10

圆形钢管混凝土轴压柱

承载力及其构件研究

陈利康，黄源

摘要：为研究相互作用下圆形钢管混凝土柱中钢管与混凝土的承载力贡献，通过ABAQUS软件中VUMAT子程序引入新的混凝土材料本构模型，建立了能够反映圆形钢管混凝土柱中钢管与混凝土相互作用的三维有限元模型。通过试验数据对模型的荷载-位移曲线、钢管与混凝土的荷载-变形曲线及侧向变形曲线进行验证。在此基础上，分析了混凝土强度、钢管屈服强度、径厚比及环箍系数对圆形钢管混凝土柱承载力及组成的影响。然后，结合有限元模型推导了轴压荷载作用下圆形钢管混凝土柱峰值承载力的数学模型。模型中提出的钢管环箍应力比例系数和混凝土承载力贡献系数可以评价钢管和混凝土的应力状态。 将计算模型与现行规范及已有研究进行对比,发现提出的计算公式具有良好的计算精度,且能够评估钢管和混凝土的承载力贡献。

关键词：圆形钢管混凝土柱；相互作用；约束效应；有限元法；轴压承载力

11

风震作用下的平面索网

幕墙系统动态性能研究

王国维、张鹏、张明、陆文胜

摘要：平面索网幕墙在大型公共建筑中应用广泛，由于其阻尼小、刚度小、非线性强，在强风、地震作用下易出现索力突变、变形过大、面板损坏等不良现象。建立索网幕墙体系精细化数值模型，量化风震作用下相邻主体结构对幕墙动力性能的影响，分析两种灾害联合作用下索网的动态响应以及面板、密封胶的安全状态，计算幕墙风振系数并与规范参考值进行比较。研究结果表明：考虑主体结构影响的索网幕墙频率平均降低12%，地震作用下中部拉索峰值位移比为6.5，远大于风致反应，计算索网幕墙地震反应时不能忽略主体结构的影响。 当两种灾害共同作用时，索网位移的增幅大于索力的增幅，位移响应对外激励的变化更为敏感。此外，幕墙顶部玻璃板及密封胶的应力超过设计强度​​，在运行维护时应特别注意。此外，对索网幕墙的风致响应结果进行了数理统计，得到了可供工程设计参考的风致振动系数。

关键词：索网幕墙体系；非线性；主体结构影响；风震作用；动力性能；风振系数

12

南国寺 南山法身寺

舍利塔抗震性能研究

李灵君，王秀丽，苏勇，王欣，

李小莲

摘要：其建筑体型和结构体系较常规建筑略显复杂，首先通过动力特性分析得到塔楼的自振周期和振型，然后基于模态分解反应谱法和时程分析法，利用有限元软件midas Gen对结构在小震、中震和大震下的地震反应进行数值分析。由于结构一般描述中仅采用设计使用年限50年的地震作用，并未调整为100年，因此分析中取设计使用年限50年和100年两组地震动参数。中小震地震反应计算采用弹性法，分析结果满足结构抗震性能要求。计算大震反应时，模态分解反应谱法将特征周期增加0.05s，弹塑性时程分析采用塑性铰滞回模型。 最大层间位移角均小于限值1/100。弹塑性时程分析也表明，内层核心筒剪力墙塑性铰发展及屈服程度较外层框架严重，但结构整体处于明显塑性变形至未发生严重破坏状态，满足“大震不倒”的抗震性能要求。总体来看，南国寺南山佛法身塔抗震性能安全可靠，其结构体系对同类仿古塔建筑结构选型设计具有重要的借鉴意义。

关键词：南山塔；抗震性能；模态分解反应谱法；时程分析法；地震反应

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