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

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 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确度和成本的 网格尺寸。图 有限元模型荷载与网格划分示意图.有限元数值模拟结果如图 所示。首先，在风载作用下的水平位移为构架梁结构设计的关键控制因素，模拟发现拉挤型材构架梁最大水平位移为.，如图（）所示，小于规范限值.（），满足设计要求；同时，传统设计方案中的钢构架梁在风载作用下最大水平位移为.，与拉挤型材构架梁相近（差异仅为），因此拉挤型材构架梁与钢构架梁具有相同的抗弯刚度。其次，拉挤型材构架梁在重力作用下的最大竖向位移仅为.，如图（）所示，约为构架梁跨度的万分之三，远小于设计限值（）。同时，拉挤型材构架梁最大纵向拉伸和压缩应力分别为.和.，如图（）所示，其应力水平约为 和（材料纵向拉伸和压缩强度分别为 和 ），结构主应力水平远小于其材料强度值。值得指出的是，剪切性能为拉挤型材力学性能中的弱项，其剪切强度通常仅为材料纵向强度的十分之一左右，模拟发现构架梁中最大剪切应力为.，如图（）所示，应力水平约为（材料面内剪切强度为 ），因此构架梁剪切强度也满足设计要求。综上所述，有限元数值模拟结果充分验证了拉挤型材构架梁在弯曲刚度和弯曲强度方面均满足相关设计要求。（）水平位移（）竖向位移（）纵向应力（）剪切应力 图 有限元数值模拟结果（位移放大 倍）.（）拉挤型材由于材料弹性模量较低，仅为钢材的四分之一到三分之一，且为薄壁构件形式，因此拉挤型材构件易在达到其材料强度之前便发生屈曲失稳，以本文所述梁构件为例，其典型屈曲模式包括翼缘板和腹板局部屈曲、梁整体屈曲以及局部和整体屈曲的耦合作用，因此稳定性常成为控制拉挤型材结构设计的关键因素。本文在上述材料强度分析的基础上，进行了主梁的稳定性分析，结果如图 所示。在有限元模拟中，使用单位荷 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载 模拟水平方向的风荷载，梁的边界条件及材料力学性能与上述分析保持一致。通过有限元稳定性分析，得到主梁一节临界屈曲荷载为 ，大于设计荷载 ，因此主梁稳定性满足设计要求。图 有限元稳定性分析结果.安装施工拉挤型材外挂构架梁的安装工程由本文团队成员之一的沈阳汇斯安装有限公司负责实施。拉挤型材构架梁的安装施工主要包括五个分项工程：现场组装、整体吊装、移入支座（钢支座预先安装完成）、螺栓锚固、竣工验收，如图 所示。图 现场施工流程图.（）现场组装：首先，在作业面位置将拉挤型材上、下主梁按图纸尺寸水平铺设在地面上，使用排尺标注 根立柱及格栅的安装位置，其中立柱间距为 ；其次，使用角铁与镀锌螺栓将拉挤型材立柱与主梁进行连接锚固（如图 所示）；最后，在立柱之间安装拉挤型材格栅板，格栅与上、下主梁采用镀锌螺栓连接锚固。在构架梁中，立柱的作用主要集中在装饰部分，其竖向和水平力学性能对构架梁贡献较小，立柱部分仅占构架梁迎风面积的 左右，而 的迎风面积为主梁部分，因此图 中所示的螺栓连接可以充分保证立柱与主梁在设计荷载作用下力的传递机制。图 次梁与主梁螺栓连接.（）整体吊装：首先，在两个机房屋面位置各安装 台提升机用于吊装作业（如图 所示），并安装 部吊篮用于工人安装使用；其次，使用 台提升机将拉挤型材构架梁整体吊至钢支座位置。图 整体吊装示意图.（）移入支座：工人借助吊篮将拉挤型材上、下主梁水平推入钢支座内，然后使用 （长宽厚）钢板对钢支座的开口面进行封堵（钢支座对拉挤型材主梁形成封闭式约束），钢构件与拉挤型材主梁之间的缝隙用 厚拉挤型材板填塞密实。在构架梁设计中，仅通过钢支座对主梁提供竖向支撑，立柱在构架梁竖向力学性能中的贡献可以忽略不计。（）螺栓锚固：使用钢螺栓将拉挤型材主梁与钢牛腿进行连接锚固，其中横向使用 螺栓（在宽度方向贯穿主梁），竖向使用 螺栓。年 月复合材料科学与工程（）竣工验收：在完成两端钢支座局部防锈、喷漆处理后，对拉挤型材构架梁施工效果进行验收，并对外墙保温层中由于构架梁磕碰导致的轻微破损部位进行维修整改。方案对比本文提出的新型拉挤型材高层建筑外挂构架梁，旨在减小构架梁的结构自重，从而攻克自重较大的传统钢构架梁可能带来的施工难题。本文计算分析了新型拉挤型材构架梁和传统钢构架梁的结构自重，结果如图 所示。此小区共使用了两种建筑高度的构架梁，分别为.和.，从图 可以看出，钢构架梁和拉挤型材构架梁的材料体积用量相近，差异约为，但钢材的密度约为拉挤型材的 倍（.），因此拉挤型材构架梁结构自重相较钢构架梁减小了 左右。以 幢建筑为例，包含 座.高构架梁和 座.构架梁，钢结构方案总重为.，拉挤型材方案总重为.。（）高构架梁（）（）高构架梁（）图 材料用量对比：钢构架梁 拉挤型材构架梁.：大幅减小的结构自重不但降低了对工程机械的荷载要求，缓解了对施工场地的空间要求，还提升了安装施工的效率，节省了人工和时间成本。以 幢建筑为例，拉挤型材构架梁方案实际施工工期为