摘 要

装配式建筑是建筑产业未来的发展潮流，当前大力发展装配式建筑受到了国家的高度重视，同时也得到了建筑业界的积极响应和参与，建筑产业现代化趋势已经在全国各地蓬勃兴起。工业化生产将逐渐替代传统的建造方式。目前装配式结构中节点形式大多为湿式连接，干式连接较少。并且针对装配式梁柱节点的研究较多，工艺已经相对成熟，但关于柱-柱节点连接研究还不完善。

本文对装配式框架结构柱-柱节点试验模型进行有限元分析，结合与整浇柱有限元分析的对比结果，探讨柱-柱节点承载能力。本文的柱-柱节点采用的是单齿柱的连接方式，即上段柱设有柱齿，下段柱留有柱槽，上下段以类似于榫接的方式连接，与榫接方式稍有区别。与目前已有的柱-柱节点相比，单齿柱-柱节点具有施工简便、传力途径明确、现场湿作业较少等优点。本文以电力行业的某工业装配式建筑为研究对象，选取了典型的装配式框架结构柱单元，对其进行了非线性有限元建模分析，主要内容包括：

1、采用 ANSYS软件对单齿柱和整浇柱的试验模型进行数值模拟。建立了单齿柱和整浇柱的非线性有限元模型，通过计算分析得到了模型的荷载-位移曲线、变形形态以及应力分布，对比分析在一端固接、一端滑动情况下整浇柱和单齿连接预制柱的受力性能，验证了单齿柱有限元模型的准确性。

2、以上述单齿柱有限元模型为基础进行拓展，对此类结构的轴压比等设计参数展开了讨论。经计算结果分析发现：在一定范围内，增大单齿柱的轴压比，能够有效提高单齿柱的侧向承载能力。

3、本文通过对单齿柱-柱节点的研究提出了一些设计建议：1）建议增加侧向钢板的长度，使钢板下边缘低于于企口高度；2）在企口周边混凝土中增加钢筋网，延缓企口周边混凝土的开裂；3）钢板应与纵向钢筋、箍筋同时焊接，保障钢板焊接的牢固。

关键词：装配式结构；柱-柱节点；单齿柱；有限元分析

Abstract

Assembly building is the future trend of construction industry. At present, the state attaches great importance to the development of assembly building. At the same time, it has also received the positive response and participation of the construction industry. The trend of modernization of construction industry has flourished all over the country. Industrialized production will gradually replace traditional construction methods. At present, most of the nodes in assembly structures are wet connections, but few are dry connections. There are many studies on the fabricated beam-to-column joints, and the technology is relatively mature, but the research on the column-to-column joints is not perfect.

In this paper, the experimental model of column-column joints in assembled frame structures is analyzed by finite element method, and the bearing capacity of column-column joints is discussed by comparing with the results of finite element analysis of whole cast-in-place columns. In this paper, the column-column joints are connected by a single-tooth column, that is, the upper column has cylindrical teeth, the lower column has cylindrical grooves, and the upper and lower columns are connected in a way similar to tenon connection, which is slightly different from tenon connection. Compared with the existing column-column joints, single-tooth column-column joints have the advantages of simple construction, clear way of force transmission and less wet operation on site. In this paper, a typical assembled frame structure column element is selected for the study of an industrial assembly building in the power industry, and its nonlinear finite element modeling analysis is carried out. The main contents include:

1. The ANSYS software is used to simulate the experimental model of single-tooth column and cast-in-place column. A non-linear finite element model of single-tooth column and prefabricated column is established. The load-displacement curve, deformation form and stress distribution of the model are obtained through calculation and analysis. The mechanical properties of the prefabricated column with one-tooth connection and one-tooth connection under the condition of one-end fixed connection and one-end sliding are compared and analyzed. The accuracy of the finite element model of single-tooth column is verified.

2. Based on the single-tooth column finite element model mentioned above, the design parameters such as the axial compression ratio of this kind of structure are discussed. The results show that in a certain range, increasing the axial compression ratio of the single-tooth column can effectively improve the lateral bearing capacity of the single-tooth column.

3. Through the study of single-tooth column-column joints, this paper puts forward some design suggestions: 1) It is suggested to increase the length of the lateral steel plate so that the lower edge of the steel plate is lower than the height of the entrance; 2) It is suggested to increase the steel mesh in the concrete around the entrance of the entrance to delay the cracking of the concrete around the entrance; 3) The steel plate should be welded simultaneously with the longitudinal steel bar and stirrups to ensure the solidity of the welding of the steel plate.

Key words: Assembled structure; Column-column joint; Single-tooth column; Finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 装配式建筑的发展概况 1

1.2.1 国外装配式建筑的发展概况 1

1.2.2 国内装配式建筑的发展概况 2

1.2.3 装配式节点连接形式 3

1.3 装配式建筑发展存在的不足 3

1.4 装配式柱-柱节点概述 4

1.4.1 装配式柱-柱节点的分类 4

1.4.2 装配式柱-柱节点的研究现状 6

1.5 本文主要的研究内容 7

第 2 章 有限元数值计算 9

2.1 有限元法介绍 9

2.1.1 ANSYS简介 9

2.1.2 钢筋混凝土结构有限元模型 9

2.2 单元类型 10

2.2.1 混凝土单元 10

2.2.2 钢筋单元 10

2.3 本构关系 11

2.3.1 混凝土本构模型 11

2.3.2 钢筋本构模型 12

2.3.3 接触本构模型 12

2.4 建立有限元模型 12

2.4.1 建立几何模型 12

2.4.2 网格划分 13

2.4.3 定义接触 14

2.4.4 施加约束和荷载 15

2.4.5 分析求解 15

第3章 单齿柱与整浇柱有限元结果对比 16

3.1 验证整浇柱有限元结果 16

3.1.1 整浇柱有限元结果 16

3.1.2 整浇柱理论计算结果 18

3.1.3 整浇柱有限元与手算结果对比 20

3.2 单齿柱与整浇柱有限元结果对比 20

3.3 单齿柱讨论 21

3.3.1 弹性阶段 21

3.3.2 屈服阶段 23

3.3.3 破坏阶段 25

3.4 设计参数分析 26

3.5 小结 27

第4章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 选题背景

目前现浇钢筋混凝土结构，绝大多数工作都是由人工现场湿作业完成。存在着许多缺陷和不足，比如对环境的污染问题严重；需要很多施工工人，且对施工熟练度要求较高；施工质量易受自然环境的影响；模板消耗量大；施工速度慢，影响建设工期；浪费材料严重等情况^[1]。装配式混凝土结构有效地解决了上述此类的问题，通过工厂预制生产和现场安装两个建设阶段，可大大节省施工工期，且其节能环保、安全隐患低、生产效率高、保证工程质量等优势也日渐凸显。

在建筑工业化发展理念的推动下，国家在近几年发布了一系列装配式结构的标准和规范，并制定了相关政策推动其发展，使其展现出良好的发展趋势，但是装配式结构建筑这种新型工业化建筑仍处于摸索阶段，有必要对其进行持续且深入地研究以确保装配式结构的质量。换流站阀厅以及主控楼作为我国电网工程的重要组成部分，因此研究并推动其结构装配化意义重大。

1.2 装配式建筑的发展概况

在古代，预制的建筑技术是由我国的工匠掌握，并使用原木作为材料，以建造一个坚固的装配式建筑。但是现代的装配式建筑起源于20世纪早期西方国家，材料以混凝土，钢材和木材为主。经过几十年的发展，它们已成为许多发达国家和地区主要的建筑形式。现在提到的装配式结构主要是指装配式钢筋混凝土结构。钢筋混凝土预制技术是实现装配式建筑的先决条件。 这种建筑结构具有许多优点，其施工方法可以实现建筑业的高生产效率，高施工质量，有效地缩短工期，低资源消耗和低环境影响，为社会带来巨大的经济和生态效益。随着建筑业的迅猛发展，装配式建筑结构具有十分广阔的发展和应用前景

1.2.1 国外装配式建筑的发展概况

对于装配式钢筋混凝土框架结构，国外比我国早发展了许多年，可追溯于第二次世界大战之后^[2]。当时一些欧洲国家、英国、法国以及苏联等国家，由于战争对房屋的破坏，极大地影响了人们的住房问题，且战后严重缺乏劳动力，所以急需一种能够使房屋建筑快速成型并投入使用的施工方法。在技术力量不足，但工程量十分巨大的情况下，为了加快施工进度，减少劳动量，节省人工及材料用量，开始大力发展装配式建筑。到了二十世纪六十年代，装配式建筑已经成为了上述国家的主要建筑形式之一，且逐渐形成了一套独特的建筑体系。此后逐步向其他国家推广，如美国、加拿大及日本等国家。

目前，装配式建筑结构在上述国家的应用已经十分普遍，对于建筑业的发展方向有着很大的影响。装配式建筑发展比较先进的国家和地区，已经到了发展成熟阶段，这个阶段解决的重点问题是进一步降低在建造装配式住宅时对资源的消耗以及对环境产生的负面影响。目前，各工业大国的装配式建筑在住宅建筑方面的比例始终处于前沿行列。德国的所占的比例最高，已经达到了94.5%。美国约在35%，欧洲国家占35%~40%，日本则在50%以上^[3]。

1.2.2 国内装配式建筑的发展概况

国内也正在积极有效地将装配式结构的发展向前推进。在二十世纪五十年代，中国开始发展建筑工业化，装配式建筑结构的应用研究得到了极大的发展^[4]。在河北唐山地震中，相对严重的破坏绝大多数都发生在装配式建筑的节点部位，从而引发整个结构的破坏，所以在这以后的几十年里，装配式建筑基本不在地震区域使用。最近十几年来，由于我国综合实力的大发展，节能环保问题受到越来越多的关注，加上劳动力成本上升，装配式建筑又逐渐被提上议程。建设施工的过程更加重视环保要求，所以目前我国正在大力支持装配式建筑的发展。2016年，中央提出要用10年时间使装配式建筑占到新建建筑比例的30%^[5]，即开始全面发展装配式建筑。根据“十二五”规划的要求，需要提高预制装配式钢筋混凝土结构的重要节点连接技术水平，从而促进我国预制结构体系的发展，以达到促进我国建筑工业化的目的。因此，加快发展预制装配式建筑结构体系，走建筑工业化的道路是我国建筑业以后的必然发展趋势。

由于技术水平有限，预制构件的装配组装在节点处可能不可靠，在重复荷载下容易出现破坏，这也就导致建筑工业化的发展受到了极大的限制。从此看来，装配式构件之间的拼接节点是整个装配式建筑结构的重中之重^[6]，对整个结构体系是否安全可靠有着至关重要的意义。当前应用比较广泛的节点连接方式，比如装配式框架结构的梁-柱节点、柱-柱节点等基本上都是采用现场湿式连接，布筋都十分复杂、操作起来都比较繁琐、更重要的是质量不易保证。目前国内的装配式框架结构的节点处还有许多需要改进的地方，如连接节点延性较差，受动荷载作用时耗能能力差，构造复杂、传力不直接、不易施工、造价较高，难满足重载、抗裂和整体性强的要求等^[7]。所以，对于装配式框架建筑结构节点的研究，将成为未来主要的研究工作。

1.2.3 装配式节点连接形式

装配式框架结构中预制构件之间的节点连接，是最重要也是最关键的技术环节，是设计的重点。装配式混凝土结构的节点连接方式可以分为两类：湿式连接和干式连接^[8]。

湿式连接是指在预制上下段柱的接头在对接连接的时候，先将柱头预留纵向受力钢筋通过某种方式（如焊接）进行连接固定之后，再对连接部位进行一定的湿式处理（通常为浇筑混凝土）确保连接节点的性能，从而使预制上下段柱连接成一个整体。这种连接方式的优点是可以消除焊接应力带来的影响，缺点是需要进行支模和混凝土养护等工作，施工周期比干式连接较长，对施工进度有影响。

干式连接则是在预制构件中预埋钢板，然后通过螺栓连接或焊接的方式来实现预埋钢板之间的连接^[9]，从而使上下段柱连接成一个整体。干式连接是的优点是操作简便、施工工期短、可尽量避免现场湿作业；缺点是预制结构节点之间一般采用焊接、螺栓等方式连接，这种连接方式的效果与施工精度和技术水平息息相关，操作失误将影响节点的可靠性。

1.3 装配式建筑发展存在的不足

近年来，在国家政策的支持和引导下，装配式建筑发展迅速，建筑体系和配套技术日趋成熟。但是由于我国建筑工业化的底蕴尚有些不足，必需承认整个装配式建筑结构体系的发展形式依然比较严峻。目前，主要面临着以下几个问题：

1）技术标准不完善，建筑材料和产品的标准化、通用化程度不高

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