超轻大尺寸复合材料拉挤型材...建筑外挂构架梁中的应用研究_秦珩.pdf
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1、超轻大尺寸复合材料拉挤型材在高层建筑外挂构架梁中的应用研究:.超轻大尺寸复合材料拉挤型材在高层建筑外挂构架梁中的应用研究秦 珩,刘天桥,于涛峰,易树声,熊进凤,范艳君,冯 鹏(.雄安万科绿色研发有限公司,雄安;.北京工业大学,北京;.南京斯贝尔复合材料仪征有限公司,仪征;.沈阳汇斯安装有限公司,沈阳;.清华大学,北京)摘要:提出了一种基于复合材料拉挤型材的新型高层建筑外挂构架梁。结合实际工程问题,设计并制备了大尺寸拉挤型材外挂构架梁,通过有限元数值模拟分析验证了拉挤型材构架梁的力学性能。对构架梁的安装施工方法进行了介绍,并和传统钢结构方案进行了经济性比较。提出的拉挤型材外挂构架梁可以大幅降低结
2、构自重(仅为同类型钢结构的四分之一),提高结构的环境耐腐性能,并有效减少施工相关的措施费。关键词:复合材料拉挤型材;高层建筑;外挂构架梁中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(.,;.,;.,;.,;.,):(),:;收稿日期:基金项目:非金属材料创新中心研发类项目()作者简介:秦珩(),男,教授级高级工程师,学士,主要从事建筑工业装配式技术方面的研究。通讯作者:刘天桥(),男,校聘教授,博士,主要从事复合材料拉挤型材及其新型结构方面的研究,.。引 言玻璃纤维增强复合材料拉挤型材(,)具有轻质、高强、耐腐等特点,在国内与国际土木工程建设中展现出了强大的应用潜力。拉挤型材得益于高度自动化的生产
3、工艺(如图 所示),其材料力学性能较强,生产稳定性较高,目前可制成任意截面和任意长度。值得指出的是,拉挤型材已成为实现复材结构大型化的不二选择,其代表性工程应用包括冷却塔、人行桥、风机叶片等(如图 所示)。年 月复合材料科学与工程图 拉挤工艺示意图.图 复材拉挤型材大型化应用范例.拉挤型材虽具有出色的力学性能,但较高的材料成本极大地限制了其在实际工程中的应用,除风力发电机叶片属于近十年迅速发展的市场热点外,其他典型应用(例如冷却塔和人行桥)自二十世纪八九十年代便已兴起,在近二十年来仍未获得市场的广泛接受。在材料成本的制约下,如何发挥拉挤型材轻质、高强、耐腐,以及便于施工的综合优越性,便成为扩大
4、其建筑领域应用的关键。本文以某地高层建筑工程应用为出发点,采用复合材料拉挤型材,研发设计了一种新型外挂构架梁。本文提出的外挂构架梁相较原钢结构方案大幅降低了结构自重,有效节省了施工时间及成本,充分满足了建筑立面的风貌要求。本文首先对遇到的工程问题进行了阐述;其次,对拉挤型材的生产制备过程进行了介绍;然后,开展了有限元数值模拟,对提出的拉挤型材外挂构架梁的力学性能进行了研究和评价;最后,对拉挤型材外挂构架梁取得的综合效益进行了分析。本文提出的外挂构架梁进一步挖掘并扩大了拉挤型材在我国建筑领域的应用潜力。工程概况本文以青岛市某小区在工程建设中遇到的痛点展开研究。依据当地建筑规划设计要求,小区 幢高
5、层建筑需分别设置 组外挂构架梁,跨度均为.,分别位于建筑第 层、层及 层(屋面机房层)(如图 所示),其中第 层构架梁建筑设计高度为.,第 层和 层构架梁建筑设计高度为.。图 方案比选:钢结构 拉挤型材结构.:传统外挂构架梁设计方案常使用钢结构(如图 所示),但钢构架梁方案在本项目中存在以下痛点:工字形钢梁自重过大(总重约 ),吊装安装需使用 起重重量的塔吊,而此时小区内主体结构以及地下车库等均已完工,地库顶面覆土回填也已完成,施工场地狭小,工期紧张,分项工程在地面交叉作业,现状场地难以架设大型塔吊;若采用吊臂长度大于 的重型汽车吊吊装钢构架梁,需对地下车库顶板做临时支撑加固处理,且重型汽车吊
6、的设置会对地库顶面的管网、景观、道路造成较大破坏,影响项目整体交付节点;钢构架梁高空吊装就位后,需在高空继续开展人工作业,包括人工安装外包铝板、装饰格栅等构件,而此时高空作业缺少安装操作面,存在较大安全隐患;传统钢构架梁方案造价过高,尤其是措施费较高,极大提高了项目成本;钢构架梁方案施工周期较长,难以满足交付节点;小区临近海岸线,钢构架梁易受碱性侵蚀环境影响而发生材料锈蚀破坏,后期要求较高频率的保养 年第 期超轻大尺寸复合材料拉挤型材在高层建筑外挂构架梁中的应用研究和维护,且维护工程施工难度较大。为降低构架梁结构自重、简化高空作业流程、减小施工操作面面积、降低构架梁施工对小区附属设施的影响,以
7、及提高构架梁的环境耐腐性能,本文团队结合有限的场地条件和工程机械(即 台起重重量为.的提升机),创新性地使用复合材料拉挤型材设计研发了一种新型建筑外挂构架梁(如图 所示),本文提出的拉挤型材外挂构架梁在满足了结构设计强度和刚度的基础上,还成功减小了 的结构自重,充分保障了本项目的顺利实施。材料制备本项目使用的复合材料拉挤型材包括三种截面尺寸:主梁为 .(高宽壁厚)三腔箱形截面、立柱为 单腔箱形截面、格栅为 单腔箱形截面,材料组成为无碱玻璃纤维和不饱和聚酯树脂,纤维质量含量约为,材料均由本文团队成员之一的南京斯贝尔复合材料仪征有限公司生产制备,制备流程如图 所示。拉挤型材主梁截面的初设计尺寸达到
8、了 (高宽壁厚),在复合材料领域内属于“大截面”,为进一步减轻结构自重,对型材壁厚()进行了优化(优化后尺寸如图 所示):首先,在满足强轴方向弯曲性能的基础上,减小了中间两道翼缘板的壁厚(从 减小到.);然后,在满足弱轴方向弯曲性能的基础上,减小了上、下两个腔体的腹板厚度(从 减小到.);最后,截面重量减小了()。图 材料制备流程图.在材料制备过程中,首先,依据截面尺寸()对拉挤生产线进行了设计,使用了 牵引机和 股 玻璃纱线;其次,在纱线浸胶过程中对树脂颜色进行了调配,以满足建筑设计中关于颜色的要求;然后,在进模固化过程中使用了 和 的固化温度,并使用了 和的侧面辅助加温技术,以保证大截面拉
9、挤型材充分固化并形成设计强度;最后,依据设计长度对拉挤型材进行切割。在出厂前,对拉挤型材进行了力学性能测试,测试结果见表。在纵向拉伸强度和弹性模量方面,材料力学性能达到了 结构用纤维增强复合材料拉挤型材和 复合材料拉挤型材结构技术规程中规定的 级的要求。表 复合材料拉挤型材力学性能汇总 力学性能数值纵向拉伸弹性模量,横向拉伸弹性模量,面内剪切模量 层间剪切模量 主泊松比 副泊松比 纵向拉伸强度,横向拉伸强度,纵向压缩强度,横向压缩强度,面内剪切强度 层间剪切强度 数值模拟本文开展了有限元数值模拟,对提出的新型拉挤型材外挂构架梁的力学性能进行了研究和评价。有限元模型如图 所示,材料力学性能如表
10、所示。模型使用了壳单元()模拟主梁(.三腔箱形截面)和立柱(单腔箱形截面)。格栅(单腔箱形截面)不计入受力构件,其承担的风荷载假设由主梁承担,并将格栅区整体面积的一半保守地作为迎风面的计算面积。各构件之间采用共节点的方式连接。构架梁总跨度为 ,端部牛腿支撑段长度为 ,拉挤型材主梁与钢支座由螺栓进行连接,形成端部固结体系。依据 建筑结构荷载规范,荷载组合采用.恒载.风载,其中拉挤型材密度为.,风 年 月复合材料科学与工程载为.(.),格栅部分的风载由主梁承担,因此主梁承担风载为.(.)。通过网格敏感性分析发现,采用 和 的网格尺寸时,构架梁跨中最大位移分别为.和.,差异小于,因此采用了兼顾计算精
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