鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點抗震性能研究

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(guān)鍵參數(shù)，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(nèi)力、變形發(fā)展規(guī)律。建立了考慮材料在往復(fù)荷載下的損傷、不同部位材料本構(gòu)和鋼-混凝土相互作用的節(jié)點精細(xì)化有限元分析模型，并用典型試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證。利用驗證的有限元模型，分析了關(guān)鍵參數(shù)影響因素，如核心區(qū)軸壓比、節(jié)點核心區(qū)性質(zhì)，連接構(gòu)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(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律。通過參數(shù)分析，提出了鋼管混凝土疊合構(gòu)件剛度和變形簡化計算方法，建立了鋼管混凝土疊合構(gòu)件的荷載-變形滯回關(guān)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(jié)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(gòu)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(shè)計建議。 本項目的研究成果可為有關(guān)工程應(yīng)用和設(shè)計規(guī)程的制訂提供依據(jù)。結(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議優(yōu)秀論文一等獎。獲得授權(quán)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(gòu)件。這類構(gòu)件形式已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)十座高層和超高層建筑中得到了應(yīng)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(guān)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(yīng)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(fù)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(nèi)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(xì)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(zhì)、連接構(gòu)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(guān)系和梁端彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)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(chǔ)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(shè)計建議。

本項目進(jìn)行了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點抗震性能試驗和數(shù)值分析研究。異形柱截面包括十字形和T形兩種，均內(nèi)置對拉鋼筋加勁肋以延緩鋼管的局部屈曲，增強對核心混凝土的約束效應(yīng)。節(jié)點傳力構(gòu)造包括外環(huán)板和豎向肋板兩種，外環(huán)板將鋼梁翼緣拉力傳遞給柱鋼管腹板，雖然對建筑室內(nèi)空間略有干擾，但繼承了圓形和方形鋼管混凝土柱框架節(jié)點構(gòu)造可靠的優(yōu)勢；豎向肋板雖然傳力效果略低于外環(huán)板，但其對建筑室內(nèi)空間無干擾，符合異形柱結(jié)構(gòu)的建筑功能初衷。節(jié)點抗震試驗在MTS協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)下進(jìn)行，梁、柱均取反彎點之間部分，端部邊界條件均為鉸接，在柱頂施加恒定豎向荷載和水平往復(fù)荷載。試驗中得到柱端水平荷載-位移滯回曲線、梁彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線、節(jié)點核心區(qū)剪力-剪切變形曲線、梁柱彎曲變形曲線以及節(jié)點翼緣、腹板、外環(huán)板、豎向肋板應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示兩種形式異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點均能較為充分發(fā)揮鋼梁的抗彎性能，剛度、承載力、變形能力和耗能性能均能滿足抗震要求，其中外環(huán)板節(jié)點的承載力、延性、耗能等力學(xué)性能均略好于豎向肋板節(jié)點。各節(jié)點破壞模式均依次表現(xiàn)為鋼梁翼緣屈服-柱鋼管被拉脫開-外環(huán)板或豎向肋板與鋼梁翼緣或柱鋼管連接焊縫開裂。結(jié)合試驗研究結(jié)果，本課題還深入進(jìn)行了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點抗震性能數(shù)值分析。應(yīng)用數(shù)值程序分析了外環(huán)板和豎向肋板形狀參數(shù)、柱軸壓比、梁剪跨比等因素對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，并提出了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點簡化設(shè)計方法和構(gòu)造措施。本課題研究的外環(huán)板異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點和豎向肋板異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點具有優(yōu)良的抗震性能，能夠在高層建筑結(jié)構(gòu)和較高抗震設(shè)防烈度地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中得到推廣和應(yīng)用。 2100433B

本項目系統(tǒng)研究了復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點的受力性能，解決復(fù)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(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點設(shè)計方法。設(shè)計了適用于復(fù)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(gòu)造形式，均進(jìn)行了低周反復(fù)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(shè)計要求的節(jié)點構(gòu)造，以滿足工程應(yīng)用需要; 最后結(jié)合理論研究、節(jié)點試驗結(jié)果和準(zhǔn)確的非線性有限元分析，對節(jié)點進(jìn)行了性能控制研究，包括節(jié)點性能指標(biāo)的確定和計算、節(jié)點分類準(zhǔn)則的建立和考慮結(jié)構(gòu)整體與局部相關(guān)性的設(shè)計方法等內(nèi)容，形成了復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點性能化設(shè)計理論。

本項目擬系統(tǒng)研究復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點的受力性能，解決復(fù)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(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點設(shè)計方法。設(shè)計新型的外隔板節(jié)點及改進(jìn)的豎向肋板鋼梁節(jié)點等適用于復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的鋼梁節(jié)點構(gòu)造形式，進(jìn)行節(jié)點力學(xué)性能靜力和低周反復(fù)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(shè)計要求的節(jié)點構(gòu)造，以滿足工程應(yīng)用需要；最后結(jié)合理論研究、大量的節(jié)點試驗結(jié)果和準(zhǔn)確的非線性有限元分析，對節(jié)點進(jìn)行性能控制研究，包括節(jié)點性能指標(biāo)的確定和計算、節(jié)點分類準(zhǔn)則的建立和考慮結(jié)構(gòu)整體與局部相關(guān)性的設(shè)計方法等內(nèi)容，最終形成復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點性能化設(shè)計理論。