鋼管混凝土疊合構(gòu)件抗撞擊工作機(jī)理及設(shè)計(jì)方法研究

結(jié)構(gòu)耐撞性是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題之一。結(jié)構(gòu)服役期間，特別是橋墩，經(jīng)常會(huì)遭遇撞擊荷載作用。目前，由于缺乏對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)極限承載能力的系統(tǒng)研究，我國(guó)及其他國(guó)家和地區(qū)的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中尚缺乏組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件防撞設(shè)計(jì)方面的規(guī)定。因此，深入開(kāi)展組合結(jié)構(gòu)耐撞性研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目以近年來(lái)開(kāi)始在橋梁和高層建筑中大量使用的鋼管混凝土疊合構(gòu)件為研究對(duì)象，深入開(kāi)展其在側(cè)向撞擊荷載作用下工作機(jī)理和設(shè)計(jì)原理的研究工作。本項(xiàng)目首先系統(tǒng)研究了靜力荷載作用下實(shí)心和箱型鋼管混凝土疊合構(gòu)件在軸壓、彎曲和壓彎荷載作用下的工作機(jī)理，細(xì)致分析了結(jié)構(gòu)受力全過(guò)程中組成鋼管混凝土疊合構(gòu)件各材料間的組合作用，研究了結(jié)構(gòu)全過(guò)程性能以及重要參數(shù)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，建立鋼管混凝土疊合構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)全過(guò)程分析的有限元模型；進(jìn)行疊合構(gòu)件的系列耐撞性試驗(yàn)，研究其殘余破壞形態(tài)和動(dòng)態(tài)極限承載能力的變化規(guī)律；深入研究疊合構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載下的工作機(jī)理，明晰受力全過(guò)程中各組成材料間的相互作用特點(diǎn)；分析了軸壓荷載比、和沖擊能等主要參數(shù)對(duì)疊合構(gòu)件動(dòng)態(tài)工作性能的影響規(guī)律?；谏鲜鲈囼?yàn)研究和理論分析工作，提出了鋼管混凝土疊合構(gòu)件在壓彎荷載作用下的承載力實(shí)用設(shè)計(jì)方法及其耐撞性設(shè)計(jì)構(gòu)造措施。 2100433B

結(jié)構(gòu)耐撞性是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題之一。結(jié)構(gòu)服役期間，特別是橋墩，經(jīng)常會(huì)遭遇撞擊荷載作用。目前，由于缺乏對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)極限承載能力的系統(tǒng)研究，我國(guó)及世界各國(guó)的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中尚缺乏組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件防撞設(shè)計(jì)方面的規(guī)定。因此，深入開(kāi)展組合結(jié)構(gòu)耐撞性研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目以近年來(lái)開(kāi)始在橋梁和高層建筑中大量使用的鋼管混凝土疊合構(gòu)件為對(duì)象，開(kāi)展其在側(cè)向撞擊荷載作用下工作機(jī)理和設(shè)計(jì)原理的研究。建立鋼管混凝土疊合構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)全過(guò)程分析的有限元模型，進(jìn)行疊合構(gòu)件在不同參數(shù)下的耐撞性試驗(yàn)，研究其殘余破壞形態(tài)和動(dòng)態(tài)極限承載能力的變化規(guī)律。深入研究疊合構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載下的工作機(jī)理，明晰受力全過(guò)程中各組成材料間的相互工作特點(diǎn)。在系統(tǒng)分析軸壓荷載比、含鋼率、沖擊能等主要參數(shù)對(duì)疊合構(gòu)件動(dòng)態(tài)工作性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出鋼管混凝土疊合構(gòu)件的耐撞性設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。

疊合構(gòu)件指由預(yù)制混凝土構(gòu)件（或既有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件）和后澆混凝土組成，以?xún)呻A段成型的整體受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，

疊合構(gòu)件主要用于裝配整體式結(jié)構(gòu)，其原則也適用于對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)?；谏鲜鲈蚣敖ㄖa(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)，近年國(guó)內(nèi)外疊合結(jié)構(gòu)的發(fā)展很快，是一種有前途的結(jié)構(gòu)形式。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(lèi)構(gòu)件形式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)十座高層和超高層建筑中得到了應(yīng)用。在實(shí)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(diǎn)。而目前關(guān)于鋼管混凝土疊合節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究還比較少。因此，開(kāi)展該方面的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。.本項(xiàng)目深入研究鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能。開(kāi)展該類(lèi)節(jié)點(diǎn)在柱頂恒定軸壓力、梁端往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，分析節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)性質(zhì)、連接構(gòu)造、樓板等對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。建立節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的抗震性能評(píng)價(jià)方法以及設(shè)計(jì)建議。

本項(xiàng)目研究工作按計(jì)劃完成。 基于項(xiàng)目研究需要，開(kāi)展了多類(lèi)鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究，具體包括：(1) 不同連接類(lèi)型的鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)。分析了環(huán)板連接寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。（2）鋼管混凝土疊合柱-鋼梁平面節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)。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(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)抗震性能試驗(yàn)。研究了空間節(jié)點(diǎn)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(diǎn)精細(xì)化有限元分析模型，并用典型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。利用驗(yàn)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(diǎn)核心區(qū)性質(zhì)，連接構(gòu)造、樓板等對(duì)鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。提出了該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理和關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律。通過(guò)參數(shù)分析，提出了鋼管混凝土疊合構(gòu)件剛度和變形簡(jiǎn)化計(jì)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(diǎn)宏觀單元的建立。此外結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，還開(kāi)展了鋼管混凝土斜柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)，以及鋼管混凝土構(gòu)件拉彎性能試驗(yàn)，研究其承載力實(shí)用計(jì)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(diǎn)的抗震性能評(píng)價(jià)方法以及設(shè)計(jì)建議。 本項(xiàng)目的研究成果可為有關(guān)工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)規(guī)程的制訂提供依據(jù)。結(jié)合項(xiàng)目研究工作，發(fā)表或收錄期刊論文4篇（均為國(guó)際SCI期刊論文），重要國(guó)際和國(guó)內(nèi)會(huì)議論文4篇（EI收錄1篇），其中1篇會(huì)議論文獲第24屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)。獲得授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)。本項(xiàng)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