胶合竹轻型框架结构的研究

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竹材是天然的速生材料,在我国资源丰富且工业化基础较好。现代工程竹结构以工程竹基板材作为原材料,以对环境负荷相对较小的工业化方式生产、制造和装配,其可以满足相应的安全、经济、舒适的建筑结构性能要求。因此本文对轻型胶合竹结构的组胚材料、结构构件和整体性能、BIM平台及工程应用进行了研究,主要研究内容和结论如下:
  首先,本文参照ASTM及ISO木材清样小试件的试验规范,并结合胶合竹板中竹篾的分布方向,对不同标准厚度的工业化胶合竹组胚板材的基本力学性能进行了试验研究,提出了适用于工程竹材的改良材性试验方法。包括了抗拉性能、抗压性能、抗弯性能、抗剪性能及弹性模量。胶合竹材在紧固件作用下的销槽承压强度是计算连接承载力的重要参数,也是胶合竹结构工程设计中的基本设计变量,因此依据相关规范对胶合竹材在不同紧固件作用以及不同加载方向下的销槽承压强度进行了试验研究和理论分析,并通过最大似然法得到销槽承压强度的计算公式。
  基于获得的不同数量的材性性能试验信息,根据概率方法估算出胶合竹材基本材料强度的特征值及设计值,并与按照中国规范估算的性能标准值进行了对比。根据欧盟规范Eurocode0附录D中的方法通过得到的销槽承压强度计算公式估算出胶合竹板在不同加载方向及不同紧固件作用下的销槽承压强度的特征值和设计值。
  轻型框架结构的主要结构构件——水平楼盖、剪力墙及屋盖通常都是由骨架结构和覆面板通过连接件组成,主要结构构件之间也是通过金属连接件连接,因此连接是影响整体结构性能的重要因素。本文详细分析了连接的理论计算模型与承载力计算方法,并在理论研究的基础上,根据相关试验规范,对胶合竹轻型框架结构的主要抗侧向力构件——轻型框架剪力墙的连接系统,包括:面板-骨架连接、骨架-骨架连接和hold-down连接进行了试验研究,得到了相应的性能参数,并与理论分析的结果进行了对比。
  研究总结了1-2层且竖向荷载作用影响有限的轻型框架结构的设计流程,并结合各国设计规范总结了轻型框架结构主要结构构件剪力墙、楼盖及屋盖的计算分析方法。对胶合竹轻型框架结构的主要抗侧向力构件——轻型框架剪力墙进行了试验研究,研究表明胶合竹板在轻型框架剪力墙中的使用可以提高墙体承载力,但变形性能有所降低。基于获得的墙体连接系统的试验信息,采用通用有限元软件SAP2000建立了剪力墙有限元模型,对不同连接件、布钉间距、骨架材料等对墙体抗侧向力性能的影响进行了模拟分析。该模型可以作为轻型框架墙体性能估算和设计的有效工具。最后,基于墙体模拟结果通过OpenSees程序软件进一步建立了简化三维模型模拟整体结构的性能。同时,此种墙体还可以作为结构-装饰一体化构件,在各种结构中创新运用。
  最后,本文还就目前已经完成或正在进行中的轻型胶合竹结构工程案例与结构构件创新运用进行了简介,以工程实践说明该结构的合理性及发展潜力。并依据北京紫竹院轻型胶合竹结构项目原始图纸信息,采用建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)建模软件AutodeskRevit以及木结构设计插件AGACAD建立了相应的胶合竹结构建筑信息模型。就在基于现代互联网络的建筑信息学模型平台上整合工程信息进行了探索性研究,并且对基于互联网建筑信息学模型平台系统发展和管理现代轻型胶合竹结构提出了建议。
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