方钢管混凝土组合异形柱结构性能与设计方法研究

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。

针对传统剪力墙连梁抗剪能力不足、延性变形性能差且施工复杂等问题，利用钢板良好的塑性变形能力和屈服后不同拉力场特性，替代抗剪钢筋或交叉暗柱是提高连梁受力性能的一种有效措施。设计和改进内嵌钢板混凝土组合连梁的构造措施，提出内嵌双钢板混凝土组合连梁，并对其抗震性能和设计方法展开研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟等手段，分析钢板厚度、高厚比、栓钉布置等对组合连梁破坏机理和抗震性能的影响，提出连梁恢复力特性曲线，揭示钢板屈曲后形成的不同拉力场分布和屈曲模态对连梁延性和耗能的影响机理。在参数分析基础上，建立组合连梁受弯和受剪承载力计算公式和抗剪理论模型。研究组合连梁各性能水准下的位移角限值或其他性能指标限值。通过数值模拟和理论分析，研究不同构造措施对节点破坏模式和抗震性能的影响，提出节点区钢板锚固长度、栓钉或其他连接件设计计算方法。研究成果可为钢板混凝土组合结构的设计理论及工程应用提供科学依据。

竹材人造板与冷弯薄壁型钢复合而成的钢-竹组合构件有利于充分发挥材料的高强度，由于竹材的蠕变和钢-竹界面的滑移，其长期受力性能是影响实际应用效果的关键。本项目系统研究竹材人造板的蠕变特性和钢-竹界面粘结性能的时随效应，以及长期荷载作用下钢-竹组合构件的变形特征、承载能力变化规律和力学性能评价方法。通过试验研究、理论分析和数值计算，构建考虑应力水平和环境条件影响的竹材人造板蠕变模型，阐明长期荷载作用下钢-竹界面粘结性能退化机制，建立其粘结强度模型；明确钢-竹组合构件长期受力性能与加荷水平、截面含钢率、轴压比、长细比之间的关系，揭示组合构件的长期变形规律和承载能力退化规律；基于材料、界面及构件的长期性能研究结果建立钢-竹组合构件长期变形和承载能力计算理论，实现构件长期力学性能的准确评价，提出便于操作的实用设计方法，为确保钢-竹组合构件及其结构体系在整个设计基准期的安全性提供必要的理论基础。