钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系可行性研究.docx

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1、附表一科研项目立项建议书项目名称：钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系可行性研究申请单位（部门）:项目负责人:中国联合工程公司一、申请立项依据及研究意义高层、超高层建筑是一个城市发展水平的标志。随着城市人口增多，地价飞涨，在城市中建造高层、超高层建筑是必然选择。钢管混凝土柱成为许多高层、超高层建筑的选择，采用钢管混凝土柱可提高柱子的极限承载能力和塑性变形能力，可以减少柱的截面积，增大建筑使用空间。但对于超高层建筑，采用钢管混凝土柱、普通混凝土梁和剪力墙，建筑的自重仍较大，地震效应较大。如果能在钢管混凝土柱、梁和剪力墙中采用轻骨料混凝土，以降低建筑自重，减少梁、剪力墙及基础的配筋量，减少在地

2、震荷载作用下的地震作用（地震作用是与建筑的总重量成正比），这将进一步突破高层建筑发展的瓶颈，推动高层建筑结构技术的进步。轻骨料混凝土（LWAC）由于密度小、保温性能好、抗震性能好，适用于高层及大跨度建筑，目前国内外已有轻骨料混凝土的许多理论研究成果和丰富的工程应用经验，并取得了显著的技术效益、经济效益和社会效益。轻骨料混凝土中的轻骨料包括陶粒、火山渣（浮石）、煤砰石等，其中陶粒包括页岩陶粒、粉煤灰陶粒及粘土陶粒。陶粒的生产能够减少对自然环境的破坏，促进资源的循环利用，这主要是因为生产陶粒的原材料可以是页岩、工业废料、燃料废渣以及河流湖泊中的淤泥等，来源十分广泛，有效减少人类对自然资源的过度开采

3、和利用。陶粒混凝土具有许多优点和特殊的功能，如陶粒混凝土质轻、环保、节能等，虽然单价偏高，但其能减轻建筑自重，减少梁、柱、基础的配筋，提高建筑的抗震性能，在合理设计情况下，能获得较好的综合经济效益。目前申请号200610151188.5张素梅等人发明的钢管约束型钢高强混凝土柱,可提高柱极限轴压比，具有良好的抗震性能。申请号200910086837.1于清、宋天诣发明的混合式-混凝土组合框架结构体系，该结构通过在采用钢管轻骨料混凝土梁和柱减轻了结构自重，另外通过钢管外层设置混凝土以及构造钢筋和箍筋，提高了结构耐火性能和承载力。申请号86106474刘建群发明的预应力钢管混凝土柱，该专利主要通过对

4、混凝土柱核心区混凝土施加预应力从而达到提高钢管混凝土柱轴向抗压承载力的目的。现有专利及文献均没有关于钢管LWAC柱-扁梁-剪力墙结构体系的报道。在建筑物的总高度受限制，又耍增加层数，或者层高一定，要增加建筑室内净高时，采用常规的框架结构体系已不能满足要求，这时采用扁梁结构体系是解决此类问题的有效方法之一。扁梁结构体系具有降低建筑总高或增加室内净高，避免管道穿梁等优点。多年来，国内外专家学者对扁梁结构体系进行了多方面的科学研究，例如扁梁在荷载作用下的受弯性能、扁梁与柱节点内外核心区的受力机理，以及扁梁和柱的受力性能和抗震特性等。因为扁梁结构体系的受力特性和优点，在结构设计中采用扁梁较容易实现“强

5、柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的抗震设计理念,再加上目前国家对建筑物高度的限制，因此近年来扁梁作为一种新的结构体系在建筑结构中获得广泛的应用。本课题提出的钢管LWAC柱扁梁剪力墙结构体系汇集了钢管混凝土柱结构体系、扁梁结构体系、轻骨料混凝土结构体系和剪力墙结构体系四者的优点，还具有一些独特的力学性能和使用性能：1.在高层、超高层建筑中，当普通钢管混凝土柱无法满足其受力性能和抗震性能时，需要在钢管混凝土柱中配置钢筋（纵筋和箍筋等）或采用双层钢管等，这会延长施工周期，增大施工难度。将钢管混凝土柱、扁梁及剪力墙中的混凝土改用轻骨料混凝土后，结构自重可以降低20%40%,由于地震作用和上部结构的自重

6、成正比，当采用本专利提出的新型结构体系时，由地震产生的水平剪力大大降低。另外，轻骨料混凝土的弹性模量低，结构自重小，结构周期变长，与钢管普通混凝土结构相比，钢管轻骨料混凝土结构变形能力增强，延性更好，抗震性能更好。采用钢管轻骨混凝土柱，通过减少建筑自重可达到减少柱截面积、或者避免在钢管混凝土柱中配置钢筋，或者采用双层钢管混凝土柱等，这样可以减少施工工序，缩短施工周期，节约成本。2 .采用钢管LWAC柱、配筋LWAC扁梁和配筋LWAC剪力墙减轻了结构自重，减少梁、剪力墙和基础的配筋，降低了传给基础的荷载，从而降低了基础造价，并可进一步减少钢管LWAC柱截面尺寸，增加建筑使用面积。3 .扁梁能有效

7、地减少楼盖结构层高和建筑总高，从而减小风荷载和地震力对结构内力产生的不利影响，同时还能减少结构竖向构件的材料成本，节约造价。在总高不变的情况下，可以增加建筑层数。4 .扁梁结构能够给建筑空间带来良好的效果，相对于普通钢筋混凝土梁，扁梁由于梁高较低，有利于室内空间的安排和布置，使得建筑空间宽敞舒适、美观大方。5 .扁梁结构抗侧刚度较低，剪力墙结构抗侧刚度较大，将两者相结合，可以取长补短，使本专利提出的新型结构体系应用于超高层建筑成为可能。6 .配筋LWAC剪力墙传热系数是配筋普通混凝土剪力墙的1/21/3,热工性能（保温和隔热性能）好，隔音和防火性能好，舒适度好，节能效果明显。7 .所采用的轻骨

8、料混凝土中的骨料，可以采用页岩、工业废料、燃料废渣以及河流湖泊中的淤泥等作为原料来进行生产，废物循环利用，可有效减少人类对自然资源的过度开采和利用，环保效益明显。本课题提出的新型结构体系，具有很好的经济、社会和环保效益。本课题对所提出的这种新型结构体系在工程中的应用可行性进行论证。（可附页）三项目主要研究内容及达到的目标1. 研究内容（1）钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系力学性能分析保证新型结构体系的周期、剪重比、位移比等参数满足规范要求。（2）钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系经济性分析由于新型结构体系自重较轻,相应地震力较小，基础尺寸较小（或桩数较少）,但轻骨料混凝土成本较高

9、，因此需要进行经济性方面的分析比较。（3）钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系节能保温性能和防火性能评价普通混凝土剪力墙保温性能较差，常规做法是外贴聚苯板，这样才能达到节能50%的要求。但是，一方面聚苯板的使用寿命最多只有25年，而房层建筑使用寿命至少50年，这两者不匹配，外墙保温系统拆除会造成白色污染。另一方面，聚苯板的防火性能差，造成了很多火灾事故（如CCTV新楼）。如果采用配筋轻骨料混凝土作为剪力墙，由于其导热系数低，所以外墙采用无机保温砂浆即可达到节能的要求。（4）钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系节点构造研究节点是结构体系的薄弱环节，所以需要进行专门的构造设计和研究。2.

10、达到的目标从力学性能、保温性能、防火性能、节点构造及经济性三个角度论证钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系的可行性。(可附页)三项目拟采取的技术路线、一阶段目标和进度安排1. 技术路线(1)进一步进行文献检索，论证本课题提出钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系的创新性。(2)找一幢实际工程中的高层建筑，将其改为本课题提出钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系，采用PKPM软件和节能软件进行设计。在软件中输入普通混凝土和轻骨料混凝土的容重及导热系数。对比原建筑和新型建筑结构体系的电算结果，从力学性能角度研究其电算结果是否满足规范要求。(3)根据电算结果，在力学性能均满足规范要求的情况下

11、，分析新型建筑结构体系的保温性能、防火性能和经济性。(4)参考钢管混凝土柱-梁节点和扁梁节点的现有资料，设计新型结构体系的节点型式。(5)根据可行性研究结果，进行专家咨询和论证。2. 阶段目标(1)本课题通过实际工程和相应新型建筑结构体系电算分析对比，对其应用前景进行分析和论证。(2)在下一阶段工作性，对其节点和抗震性能和整个结构的抗震性能进行试验研究和理论模拟。3. 进度安排(1) 2012.1-2012.4：文献调整和工程筛选。(2) 2012.5-2012.8：电算模拟及结果的分析与比较。(3) 2012.9-2012.10：保温性能、经济性和节点构造研究。（4） 2012.11-201

12、2.12：专家咨询和论证。（可附页）四、预期成果内容表达方式及应用前景1 .预期成果内容、表达方式（1）对所提出的钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系在工程应用的可行性进行论证。（2）在CN刊物上发表论文1-2篇。2 .应用前景五厂项百经费概鼠本课题提出的钢管轻骨料混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系具有柱截面尺寸小、结构自重轻、地震力小、保温性能好、防火性能好、建筑层高或总高小、避免管道穿梁等优点，预期在高层建筑中有良好的应用前景。科目科研费用（万元）说明（计算依据）1、调研、咨询及信息费2、人工补贴费3、材料费4、外协及加工费（可附页）5、测试及试验费6、项目评HK费7、脑六.项目参加人员姓名专业备注部门靓：年月日