鋼管混凝土桁架節(jié)點力學性能與設計方法研究項目摘要

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的鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)整體分析，建立可供工程設計應用的節(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則和設計指南的建立，是本領域中新的探索。

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，建立可供工程設計應用的節(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)點形式的基礎上，通過較為精細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行評價。從機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)抗震設計理論指導下，根據(jù)大跨度鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的性能控制水準，得到與之相應的節(jié)點極限狀態(tài)和變形控制目標。通過理論推導和有限元參數(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)化理論為基礎研究節(jié)點承載效率與性能設計的相互關系，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)點設計建議。以該項目為依托在《建筑結(jié)構(gòu)學報》、《土木工程學報》、《工程力學》等權威學術刊物上發(fā)表相關期刊論文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)點力學性能與設計》一部，培養(yǎng)碩士研究生13名。 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)點的破壞機制和傳力機理，研究了節(jié)點傳力力學模型，研究了經(jīng)優(yōu)化后的節(jié)點設計參數(shù)的合理設置值、承載力計算公式，建立了設計方法。研究結(jié)果表明斜柱插入深度是影響斜交區(qū)力學性能最關鍵的參數(shù)；通過合理設計，節(jié)點核心區(qū)的承載力和剛度能滿足“強節(jié)點”的設計要求。研究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(jié)構(gòu)、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高層建筑設計領域的應用有重要意義。 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)點破壞機制、傳力機理、力學性能的影響，研究斜柱內(nèi)力和梁端內(nèi)力共同作用下不同破壞機制的節(jié)點傳力力學模型，研究節(jié)點設計參數(shù)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(jié)構(gòu)、斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高層建筑領域的應用有重要意義。

鋼管混凝土混合柱由鋼管混凝土格構(gòu)柱和鋼管混凝土復合柱組成（其中，鋼管混凝土復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?、值得深入研究的新型組合結(jié)構(gòu)。本項目將對這種等截面和變截面的鋼管混凝土復合柱和混合柱進行在單次荷載和往復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)件之間的傳力機理，提出合理的構(gòu)造措施；了解結(jié)構(gòu)的破壞機理和極限承載能力，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，提出恢復力曲線計算方法，為抗震設計服務。研究將抓住新型結(jié)構(gòu)應用的理論基礎和實際應用的關鍵問題，在了解鋼管混凝土復合柱受力性能的基礎上，給出設計方法，為工程應用服務，為推動我國結(jié)合結(jié)構(gòu)的推廣應用與科技進步作出貢獻。