鋼管混凝土疊合構件抗撞擊工作機理及設計方法研究項目摘要

結構耐撞性是工程結構設計中的難點問題之一。結構服役期間，特別是橋墩，經(jīng)常會遭遇撞擊荷載作用。目前，由于缺乏對鋼-混凝土組合結構動態(tài)極限承載能力的系統(tǒng)研究，我國及世界各國的有關設計規(guī)范中尚缺乏組合結構構件防撞設計方面的規(guī)定。因此，深入開展組合結構耐撞性研究具有重要的理論意義和實用價值。本項目以近年來開始在橋梁和高層建筑中大量使用的鋼管混凝土疊合構件為對象，開展其在側向撞擊荷載作用下工作機理和設計原理的研究。建立鋼管混凝土疊合構件在側向撞擊荷載作用下動力響應全過程分析的有限元模型，進行疊合構件在不同參數(shù)下的耐撞性試驗，研究其殘余破壞形態(tài)和動態(tài)極限承載能力的變化規(guī)律。深入研究疊合構件在側向撞擊荷載下的工作機理，明晰受力全過程中各組成材料間的相互工作特點。在系統(tǒng)分析軸壓荷載比、含鋼率、沖擊能等主要參數(shù)對疊合構件動態(tài)工作性能影響規(guī)律的基礎上，提出鋼管混凝土疊合構件的耐撞性設計方法和構造措施。

結構耐撞性是工程結構設計中的難點問題之一。結構服役期間，特別是橋墩，經(jīng)常會遭遇撞擊荷載作用。目前，由于缺乏對鋼-混凝土組合結構動態(tài)極限承載能力的系統(tǒng)研究，我國及其他國家和地區(qū)的有關設計規(guī)范中尚缺乏組合結構構件防撞設計方面的規(guī)定。因此，深入開展組合結構耐撞性研究具有重要的理論意義和實用價值。本項目以近年來開始在橋梁和高層建筑中大量使用的鋼管混凝土疊合構件為研究對象，深入開展其在側向撞擊荷載作用下工作機理和設計原理的研究工作。本項目首先系統(tǒng)研究了靜力荷載作用下實心和箱型鋼管混凝土疊合構件在軸壓、彎曲和壓彎荷載作用下的工作機理，細致分析了結構受力全過程中組成鋼管混凝土疊合構件各材料間的組合作用，研究了結構全過程性能以及重要參數(shù)的影響規(guī)律。在此基礎上，建立鋼管混凝土疊合構件在側向撞擊荷載作用下動力響應全過程分析的有限元模型；進行疊合構件的系列耐撞性試驗，研究其殘余破壞形態(tài)和動態(tài)極限承載能力的變化規(guī)律；深入研究疊合構件在側向撞擊荷載下的工作機理，明晰受力全過程中各組成材料間的相互作用特點；分析了軸壓荷載比、和沖擊能等主要參數(shù)對疊合構件動態(tài)工作性能的影響規(guī)律。基于上述試驗研究和理論分析工作，提出了鋼管混凝土疊合構件在壓彎荷載作用下的承載力實用設計方法及其耐撞性設計構造措施。 2100433B

疊合構件指由預制混凝土構件（或既有混凝土結構構件）和后澆混凝土組成，以兩階段成型的整體受力結構構件。

在《混凝土結構設計規(guī)范》中，

疊合構件主要用于裝配整體式結構，其原則也適用于對既有結構進行重新設計?；谏鲜鲈蚣敖ㄖa(chǎn)業(yè)化趨勢，近年國內外疊合結構的發(fā)展很快，是一種有前途的結構形式。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件。這類構件形式已經(jīng)在國內數(shù)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。

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(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(shù)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(shù)影響規(guī)律。通過參數(shù)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(jù)。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