鋼管混凝土桁架節(jié)點力學(xué)性能與設(shè)計方法研究

以相貫式鋼管混凝土桁架節(jié)點為對象，研究影響節(jié)點極限承載力的幾何特征參數(shù)和性能表達(dá)參數(shù)，構(gòu)建節(jié)點極限承載力的參數(shù)化模型，建立可供工程設(shè)計應(yīng)用的節(jié)點極限承載力計算公式；針對建筑結(jié)構(gòu)中節(jié)點的幾何型式與參數(shù)范圍建立彈性和非彈性兩階段剛度公式；根據(jù)節(jié)點半剛性特點提出多種荷載工況下的極限承載力相關(guān)公式；將考慮節(jié)點剛度和承載力特性的計算模塊引入鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)靜力計算和非線性數(shù)值分析中，基于結(jié)構(gòu)整體行為提出考慮節(jié)點剛度的鋼管混凝土桁架節(jié)點設(shè)計建議。在研究和確定典型結(jié)構(gòu)體系和典型節(jié)點形式的基礎(chǔ)上，通過較為精細(xì)的工程尺度試件實驗和經(jīng)過評估的有限元模型分析，對典型的相貫式鋼管混凝土桁架節(jié)點進(jìn)行彈性-非彈性階段的剛度、承載力以及滯回特性的研究。將節(jié)點性能的研究與結(jié)構(gòu)整體行為的分析緊密聯(lián)系，主要通過計算分析的手段進(jìn)行評價。從機(jī)理性解釋和工程計算方法兩方面分析鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)整體性能。在基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論指導(dǎo)下，根據(jù)大跨度鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的性能控制水準(zhǔn)，得到與之相應(yīng)的節(jié)點極限狀態(tài)和變形控制目標(biāo)。通過理論推導(dǎo)和有限元參數(shù)分析等手段建立各極限狀態(tài)的鋼管混凝土桁架節(jié)點承載力計算公式。以優(yōu)化理論為基礎(chǔ)研究節(jié)點承載效率與性能設(shè)計的相互關(guān)系，基于結(jié)構(gòu)整體行為提出考慮節(jié)點剛度的鋼管混凝土桁架節(jié)點設(shè)計建議。以該項目為依托在《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》、《土木工程學(xué)報》、《工程力學(xué)》等權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表相關(guān)期刊論文11篇且全部被EI收錄，完成56萬字專著《典型油氣管道跨越結(jié)構(gòu)和節(jié)點力學(xué)性能與設(shè)計》一部，培養(yǎng)碩士研究生13名。 2100433B

鋼管（圓管和方矩管）混凝土是大跨度橋梁、桁架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的構(gòu)件型式。本項目以相貫式鋼管混凝土桁架節(jié)點為對象，以實驗和有限元分析為主要手段，研究影響鋼管混凝土桁架節(jié)點剛度的幾何特征參數(shù)和性能表達(dá)參數(shù)，構(gòu)建節(jié)點剛度的參數(shù)化模型，并基于考慮半剛性效應(yīng)的鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)整體分析，建立可供工程設(shè)計應(yīng)用的節(jié)點剛度計算公式。針對若干種幾何型式節(jié)點，在建筑結(jié)構(gòu)中引入計及彎矩作用的極限承載力公式。研究鋼管混凝土桁架節(jié)點在地震荷載作用下的失效機(jī)理和滯回性能，構(gòu)建節(jié)點滯回模型；提出考慮節(jié)點剛度的鋼管混凝土桁架節(jié)點設(shè)計方法。本項目對相貫式鋼管混凝土桁架節(jié)點滯回性能的研究以及基于結(jié)構(gòu)整體性能的剛度評定準(zhǔn)則和設(shè)計指南的建立，是本領(lǐng)域中新的探索。

結(jié)合鋼管混凝土與斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，斜柱和豎向支柱均為鋼管混凝土的斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)已受科研和工程設(shè)計人員重視。鋼管混凝土斜柱、支柱、周邊梁相連接的節(jié)點是該類型結(jié)構(gòu)中最重要的部位。相關(guān)研究成果很少，且節(jié)點形式單一，對斜柱內(nèi)力和梁端內(nèi)力共同作用下節(jié)點域受力性能的研究也很不完善。本課題開發(fā)了兩種新型帶加強(qiáng)環(huán)和肋板、連接鋼梁的鋼管混凝土斜柱轉(zhuǎn)換節(jié)點構(gòu)造形式，完成了共18個試件在不同加載工況下的力學(xué)性能試驗，包括8個試件在斜柱端部對稱豎向荷載作用下的試驗研究，6個試件在梁端低周往復(fù)荷載作用下的試驗研究，4個試件在梁端固定反向荷載、斜柱端單調(diào)加載作用下的試驗研究。結(jié)合數(shù)值模擬分析，研究了不同參數(shù)下新型節(jié)點的破壞機(jī)制和傳力機(jī)理，研究了節(jié)點傳力力學(xué)模型，研究了經(jīng)優(yōu)化后的節(jié)點設(shè)計參數(shù)的合理設(shè)置值、承載力計算公式，建立了設(shè)計方法。研究結(jié)果表明斜柱插入深度是影響斜交區(qū)力學(xué)性能最關(guān)鍵的參數(shù)；通過合理設(shè)計，節(jié)點核心區(qū)的承載力和剛度能滿足“強(qiáng)節(jié)點”的設(shè)計要求。研究成果對完善復(fù)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(xué)術(shù)價值，對開拓鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高層建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義。 2100433B

結(jié)合鋼管混凝土與斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，斜柱和豎向支柱均為鋼管混凝土的斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)已受科研和工程設(shè)計人員重視。鋼管混凝土斜柱轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中最重要的部位。相關(guān)研究成果很少，且節(jié)點形式單一，對斜柱內(nèi)力和梁端內(nèi)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(qiáng)環(huán)和肋板、連接鋼梁的鋼管混凝土斜柱轉(zhuǎn)換節(jié)點構(gòu)造形式，然后通過節(jié)點模型在不同加載工況下的力學(xué)性能試驗，結(jié)合數(shù)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(jī)制、傳力機(jī)理、力學(xué)性能的影響，研究斜柱內(nèi)力和梁端內(nèi)力共同作用下不同破壞機(jī)制的節(jié)點傳力力學(xué)模型，研究節(jié)點設(shè)計參數(shù)的合理設(shè)置值、承載力計算公式，建立設(shè)計方法。預(yù)期成果對完善復(fù)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(xué)術(shù)價值，對開拓鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高層建筑領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義。

鋼管混凝土混合柱由鋼管混凝土格構(gòu)柱和鋼管混凝土復(fù)合柱組成（其中，鋼管混凝土復(fù)合柱是以鋼管混凝土為柱肢、鋼筋混凝土板為綴板的多肢柱）。它具有構(gòu)造簡單、節(jié)約材料、施工方便、抗震性能好等優(yōu)點，可應(yīng)用于高墩和大跨鋼管混凝土桁肋拱中，是一種具有發(fā)展?jié)摿Α⒅档蒙钊胙芯康男滦徒M合結(jié)構(gòu)。本項目將對這種等截面和變截面的鋼管混凝土復(fù)合柱和混合柱進(jìn)行在單次荷載和往復(fù)荷載作用下的受力性能的理論分析、試驗研究和有限元分析，了解結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件之間的傳力機(jī)理，提出合理的構(gòu)造措施；了解結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和極限承載能力，提出極限承載力的實用計算方法；了解其滯回特性、耗能能力等，提出恢復(fù)力曲線計算方法，為抗震設(shè)計服務(wù)。研究將抓住新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，在了解鋼管混凝土復(fù)合柱受力性能的基礎(chǔ)上，給出設(shè)計方法，為工程應(yīng)用服務(wù)，為推動我國結(jié)合結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用與科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。