鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能研究項(xiàng)目摘要

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(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。開展該類節(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，開展了多類鋼管混凝土疊合柱-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。提出了該類節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)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(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（均為國際SCI期刊論文），重要國際和國內(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)國家實(shí)用新型專利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

本項(xiàng)目進(jìn)行了異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)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(duì)拉鋼筋加勁肋以延緩鋼管的局部屈曲，增強(qiáng)對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)。節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)構(gòu)造可靠的優(yōu)勢(shì)；豎向肋板雖然傳力效果略低于外環(huán)板，但其對(duì)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(diǎn)抗震試驗(yàn)在MTS協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)下進(jìn)行，梁、柱均取反彎點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(diǎn)和豎向肋板異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)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(xiàng)目系統(tǒng)研究了復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力性能，解決復(fù)式鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的基本理論問題，形成了實(shí)用了復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了適用于復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁的四種類型節(jié)點(diǎn)，包括豎向肋板節(jié)點(diǎn)、外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)、鋼梁半穿心加腋型節(jié)點(diǎn)及單邊螺栓端板連接裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，均進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析了各節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理和受力性能，確定有足夠的強(qiáng)度、良好的延性、滿足抗震設(shè)計(jì)要求的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果和準(zhǔn)確的非線性有限元分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了性能控制研究，包括節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的確定和計(jì)算、節(jié)點(diǎn)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(jì)方法等內(nèi)容，形成了復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)性能化設(shè)計(jì)理論。

本項(xiàng)目擬系統(tǒng)研究復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力性能，解決復(fù)式鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的基本理論問題，形成實(shí)用的復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)新型的外隔板節(jié)點(diǎn)及改進(jìn)的豎向肋板鋼梁節(jié)點(diǎn)等適用于復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的鋼梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能靜力和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析各節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理和受力性能，確定有足夠的強(qiáng)度、良好的延性、滿足抗震設(shè)計(jì)要求的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果和準(zhǔn)確的非線性有限元分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行性能控制研究，包括節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的確定和計(jì)算、節(jié)點(diǎn)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(jì)方法等內(nèi)容，最終形成復(fù)式鋼管混凝土鋼梁節(jié)點(diǎn)性能化設(shè)計(jì)理論。