復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點設計方法及節(jié)點性能控制研究結題摘要

本項目系統(tǒng)研究了復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點的受力性能，解決復式鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點的基本理論問題，形成了實用了復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點設計方法。設計了適用于復式鋼管混凝土柱-鋼梁的四種類型節(jié)點，包括豎向肋板節(jié)點、外加強環(huán)板節(jié)點、鋼梁半穿心加腋型節(jié)點及單邊螺栓端板連接裝配式節(jié)點構造形式，均進行了低周反復荷載試驗，分析了各節(jié)點的工作機理和受力性能，確定有足夠的強度、良好的延性、滿足抗震設計要求的節(jié)點構造，以滿足工程應用需要; 最后結合理論研究、節(jié)點試驗結果和準確的非線性有限元分析，對節(jié)點進行了性能控制研究，包括節(jié)點性能指標的確定和計算、節(jié)點分類準則的建立和考慮結構整體與局部相關性的設計方法等內容，形成了復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點性能化設計理論。

本項目擬系統(tǒng)研究復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點的受力性能，解決復式鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點的基本理論問題，形成實用的復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點設計方法。設計新型的外隔板節(jié)點及改進的豎向肋板鋼梁節(jié)點等適用于復式鋼管混凝土結構的鋼梁節(jié)點構造形式，進行節(jié)點力學性能靜力和低周反復荷載試驗，分析各節(jié)點的工作機理和受力性能，確定有足夠的強度、良好的延性、滿足抗震設計要求的節(jié)點構造，以滿足工程應用需要；最后結合理論研究、大量的節(jié)點試驗結果和準確的非線性有限元分析，對節(jié)點進行性能控制研究，包括節(jié)點性能指標的確定和計算、節(jié)點分類準則的建立和考慮結構整體與局部相關性的設計方法等內容，最終形成復式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點性能化設計理論。

本項目研究工作按計劃完成。 基于項目研究需要，開展了多類鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點抗震性能試驗研究，具體包括：(1) 不同連接類型的鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點抗震性能試驗。分析了環(huán)板連接寬度對節(jié)點抗震性能的影響。（2）鋼管混凝土疊合柱-鋼梁平面節(jié)點抗震性能試驗。分析了關鍵參數，如軸壓比、梁-柱線剛度比和承載力比對節(jié)點破壞模態(tài)和承載能力的影響。（3）鋼管混凝土疊合柱-鋼梁空間節(jié)點抗震性能試驗。研究了空間節(jié)點的破壞形態(tài)、承載能力和內力、變形發(fā)展規(guī)律。建立了考慮材料在往復荷載下的損傷、不同部位材料本構和鋼-混凝土相互作用的節(jié)點精細化有限元分析模型，并用典型試驗結果進行了驗證。利用驗證的有限元模型，分析了關鍵參數影響因素，如核心區(qū)軸壓比、節(jié)點核心區(qū)性質，連接構造、樓板等對鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點抗震性能的影響。提出了該類節(jié)點的傳力機理和關鍵參數影響規(guī)律。通過參數分析，提出了鋼管混凝土疊合構件剛度和變形簡化計算方法，建立了鋼管混凝土疊合構件的荷載-變形滯回關系模型，用于鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點宏觀單元的建立。此外結合項目實際需求，還開展了鋼管混凝土斜柱-鋼梁連接節(jié)點的抗震性能試驗，以及鋼管混凝土構件拉彎性能試驗，研究其承載力實用計算方法。綜合上述研究成果，提出了鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能評價方法以及設計建議。 本項目的研究成果可為有關工程應用和設計規(guī)程的制訂提供依據。結合項目研究工作，發(fā)表或收錄期刊論文4篇（均為國際SCI期刊論文），重要國際和國內會議論文4篇（EI收錄1篇），其中1篇會議論文獲第24屆全國結構工程學術會議優(yōu)秀論文一等獎。獲得授權國家實用新型專利2項。本項目研究有博士研究生1名和碩士研究生2名參加了工作。 2100433B

鋼管混凝土疊合柱是以鋼管混凝土為核心，在外圍綁扎鋼筋并澆筑混凝土而形成的一種構件。這類構件形式已經在國內數十座高層和超高層建筑中得到了應用。在實際工程中鋼管混凝土疊合柱常和鋼梁或混凝土梁連接形成梁柱節(jié)點。而目前關于鋼管混凝土疊合節(jié)點抗震性能的研究還比較少。因此，開展該方面的研究具有重要的理論意義和工程應用價值。.本項目深入研究鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能。開展該類節(jié)點在柱頂恒定軸壓力、梁端往復荷載作用下的試驗研究，分析節(jié)點的破壞形態(tài)、承載能力和內力、變形發(fā)展規(guī)律。建立考慮材料損傷和鋼-混凝土相互作用的節(jié)點精細化有限元分析模型。分析重要影響因素，如核心區(qū)軸壓比、節(jié)點核心區(qū)性質、連接構造、樓板等對節(jié)點抗震性能的影響。建立節(jié)點核心區(qū)剪力-剪切變形關系和梁端彎矩-轉角關系滯回模型，建立基于纖維梁柱單元的宏觀節(jié)點單元模型。在此基礎上提出鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能評價方法以及設計建議。

結合鋼管混凝土與斜柱轉換結構的優(yōu)點，斜柱和豎向支柱均為鋼管混凝土的斜柱轉換結構已受科研和工程設計人員重視。鋼管混凝土斜柱轉換節(jié)點是鋼管混凝土斜柱、支柱、周邊梁相連接的節(jié)點，是該類型結構中最重要的部位。相關研究成果很少，且節(jié)點形式單一，對斜柱內力和梁端內力共同作用下節(jié)點域受力性能的研究也很不完善。本課題中首先提出一種新型帶加強環(huán)和肋板、連接鋼梁的鋼管混凝土斜柱轉換節(jié)點構造形式，然后通過節(jié)點模型在不同加載工況下的力學性能試驗，結合數值模擬分析和理論研究，研究不同因素對新型節(jié)點破壞機制、傳力機理、力學性能的影響，研究斜柱內力和梁端內力共同作用下不同破壞機制的節(jié)點傳力力學模型，研究節(jié)點設計參數的合理設置值、承載力計算公式，建立設計方法。預期成果對完善復雜荷載作用下鋼管混凝土節(jié)點受力性能理論體系有重要學術價值，對開拓鋼-混凝土組合結構、斜柱轉換結構在高層建筑領域的應用有重要意義。