多室式钢管混凝土组合异形柱基本力学性能研究

目前钢管混凝土异形柱中的异形钢管大多是由钢板弯折后焊接而成，焊接和弯折量大，加工费用高，严重影响了该种构件的推广使用。本项目对一种新型钢管混凝土异形柱——多室式钢管混凝土组合异形柱进行了研究，它是先由三根矩形钢管型材焊接形成多室式异形钢管，再向其中浇注混凝土而成。由于该异形柱截面被钢管分成三个分室，且制作时用矩形钢管型材直接焊接，不需进行钢板弯折，焊缝数量少且受力小，因此它具有受力合理、制作简单、经济性好、承受荷载范围大的优点。因此对该种构件在各种受力情况下的力学性能进行研究具有理论和工程价值。经过四年的研究工作，本项目完成了预定的计划和实现了预定目标。进行了多方面的研究工作，并发表了多篇中、英文学术论文。本项目通过大量试验、数值模拟和回归分析对这种新型异形构件进行了研究。主要研究内容包括T形截面和L形截面钢管混凝土组合构件轴压短柱、轴压长柱、纯弯性能、单向和双向偏压性能、T形截面压弯构件滞回性能及节点形式的选择。本研究可促进钢管混凝土异形柱在住宅中的应用，也可为其它复杂截面形式的钢管混凝土柱的研究提供思路。 2100433B

目前钢管混凝土异形柱中的异形钢管大多是由钢板弯折后焊接而成，焊接和弯折量大，加工费用高，严重影响了该种构件的推广使用。本项目将对一种新型钢管混凝土异形柱- - 多室式钢管混凝土组合异形柱进行研究，它是先由三根矩形钢管型材焊接形成多室式异形钢管，再向其中浇注混凝土而成。由于该异形柱截面被钢管分成三个分室，且制作时用矩形钢管型材直接焊接，不需进行钢板弯折，焊缝数量少且受力小，因此它具有受力合理、制作简单、经济性好、承受荷载范围大的优点。本项目将通过大量试验、数值模拟和回归分析对这种新型异形构件的长、短柱在轴压、偏压下的强度及稳定等问题进行研究。在数值模拟方面将提出能体现多室式组合异形钢管对混凝土约束特点的混凝土本构关系；在回归分析方面将提出能反映异形截面特性的构件承载力计算方法。本研究可促进钢管混凝土异形柱在住宅中的应用，也可为其它复杂截面形式的钢管混凝土柱的研究提供思路。

方钢管混凝土组合异形柱由于能够包裹在墙体内部，而且抗震性能好，用钢量相比纯钢结构更为节省，因此是一种具有市场价值的柱子结构形式。 本项目在前期针对这种柱子静力性能研究的基础上，进行的主要研究内容如下：（1）完成三榀双层单跨的方钢管混凝土组合异形柱（SCFST）-H型钢梁框架拟静力试验研究，主要考察不同的轴压比和梁柱线刚度比对其力学性能的影响。由试验结果发现，框架具有良好的耗能能力和延性。（2）建立了有接触单元和无接触单元的有限元模型，对比发现，两种模型的应力变化基本同步，但有接触单元的计算所需时间是无接触单元的五倍，使用简化的有限元模型对SCFST框架进行参数化分析，考察其在不同轴压比作用下的力学性能，发现框架都有很好的耗能能力和延性。（3）完成了9根方钢管混凝土组合异形柱的轴压压弯试验和数值模拟，考察了长细比、连接板宽度、连接板厚度和偏心距的参数对轴压稳定承载力的影响，采用数值模型进行了参数分析，得到了长柱轴压和压弯的破坏模态和极限承载力值。（4）依据ANSI/AISC 360-05、GB50936、CECS159和DB29的计算方法分别推导了针对异形柱的计算公式，并提出了基于单肢失稳的叠加承载力计算方法，借助EXCEL编制计算程序，进行结果比对，发现精度良好。（5）建立12层SCFST柱框架-支撑模型，通过静力弹塑性分析法进行了SCFT柱结构体系的抗震性能研究，发现在地震下的的侧向变形分别满足弹性与弹塑性极限要求，SCFST柱模型的抗侧性能要优于相同用钢量的CFT柱模型，屈服机制为：支撑-梁-SCFST柱。（6）以滨海新区保障性住房为例，通过迈达斯数值建模和改变支撑布置位置，增设电梯井剪力墙进行参数化抗震性能分析，发现在地震作用下支撑布置在结构的最外侧对结构最有利，在电梯井处布置方钢管混凝土组合异型柱相较于布置混凝土剪力墙对结构的抗震性能更有利。 通过框架拟静力试验与长柱轴压压弯试验和理论分析，发现方钢管混凝土组合异形柱单肢能够协同受力，异形柱-H型钢梁框架抗震性能良好，提出了精确度较好的简化数值模型和承载力计算公式，并提出了小高层设计方法，通过参数分析，得到了小高层方钢管混凝土组合异形柱结构的最优布置形式，得到了精确度较高的计算公式，并编制了计算程序。 通过本项目研究，为推动方钢管混凝土组合异形柱的应用提供了技术支持。 2100433B

方钢管混凝土组合异形柱结构是由单根方钢管混凝土柱相互连接组成的异形柱结构，包裹在墙体内部，能够增加使用面积，具有良好的抗震能力与经济性能，而且施工工艺易于掌握，随着土地价格走高与人们对住房要求的提高，这种新型结构具有良好的发展前景。应在构件力学性能研究的基础之上，深入研究，通过框架的拟静力试验、实体单元有限元分析与简化数值模拟，明确整体结构的抗震性能；同时得到一种双单元简化数值建模方法，可推广应用到其他方钢管混凝土结构模拟中；然后通过三维结构模型的计算分析，建立小高层方钢管混凝土组合异形柱结构设计方法；最后，结合试验分析与数值模拟，推导、修正、拟合承载力计算公式，并将公式嵌入通用设计软件。通过上述研究，能够明确方钢管混凝土组合异形柱结构的力学性能与工作机制，建立小高层方钢管混凝土组合异形柱结构设计方法，提出简化计算公式并建立与设计软件的接口，为新结构的推广应用奠定理论基础。