钢管混凝土叠合构件抗撞击工作机理及设计方法研究

结构耐撞性是工程结构设计中的难点问题之一。结构服役期间，特别是桥墩，经常会遭遇撞击荷载作用。目前，由于缺乏对钢-混凝土组合结构动态极限承载能力的系统研究，我国及其他国家和地区的有关设计规范中尚缺乏组合结构构件防撞设计方面的规定。因此，深入开展组合结构耐撞性研究具有重要的理论意义和实用价值。本项目以近年来开始在桥梁和高层建筑中大量使用的钢管混凝土叠合构件为研究对象，深入开展其在侧向撞击荷载作用下工作机理和设计原理的研究工作。本项目首先系统研究了静力荷载作用下实心和箱型钢管混凝土叠合构件在轴压、弯曲和压弯荷载作用下的工作机理，细致分析了结构受力全过程中组成钢管混凝土叠合构件各材料间的组合作用，研究了结构全过程性能以及重要参数的影响规律。在此基础上，建立钢管混凝土叠合构件在侧向撞击荷载作用下动力响应全过程分析的有限元模型；进行叠合构件的系列耐撞性试验，研究其残余破坏形态和动态极限承载能力的变化规律；深入研究叠合构件在侧向撞击荷载下的工作机理，明晰受力全过程中各组成材料间的相互作用特点；分析了轴压荷载比、和冲击能等主要参数对叠合构件动态工作性能的影响规律。基于上述试验研究和理论分析工作，提出了钢管混凝土叠合构件在压弯荷载作用下的承载力实用设计方法及其耐撞性设计构造措施。 2100433B

结构耐撞性是工程结构设计中的难点问题之一。结构服役期间，特别是桥墩，经常会遭遇撞击荷载作用。目前，由于缺乏对钢-混凝土组合结构动态极限承载能力的系统研究，我国及世界各国的有关设计规范中尚缺乏组合结构构件防撞设计方面的规定。因此，深入开展组合结构耐撞性研究具有重要的理论意义和实用价值。本项目以近年来开始在桥梁和高层建筑中大量使用的钢管混凝土叠合构件为对象，开展其在侧向撞击荷载作用下工作机理和设计原理的研究。建立钢管混凝土叠合构件在侧向撞击荷载作用下动力响应全过程分析的有限元模型，进行叠合构件在不同参数下的耐撞性试验，研究其残余破坏形态和动态极限承载能力的变化规律。深入研究叠合构件在侧向撞击荷载下的工作机理，明晰受力全过程中各组成材料间的相互工作特点。在系统分析轴压荷载比、含钢率、冲击能等主要参数对叠合构件动态工作性能影响规律的基础上，提出钢管混凝土叠合构件的耐撞性设计方法和构造措施。

叠合构件指由预制混凝土构件（或既有混凝土结构构件）和后浇混凝土组成，以两阶段成型的整体受力结构构件。

在《混凝土结构设计规范》中，

叠合构件主要用于装配整体式结构，其原则也适用于对既有结构进行重新设计。基于上述原因及建筑产业化趋势，近年国内外叠合结构的发展很快，是一种有前途的结构形式。2100433B

钢管混凝土叠合柱是以钢管混凝土为核心，在外围绑扎钢筋并浇筑混凝土而形成的一种构件。这类构件形式已经在国内数十座高层和超高层建筑中得到了应用。在实际工程中钢管混凝土叠合柱常和钢梁或混凝土梁连接形成梁柱节点。而目前关于钢管混凝土叠合节点抗震性能的研究还比较少。因此，开展该方面的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。.本项目深入研究钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能。开展该类节点在柱顶恒定轴压力、梁端往复荷载作用下的试验研究，分析节点的破坏形态、承载能力和内力、变形发展规律。建立考虑材料损伤和钢-混凝土相互作用的节点精细化有限元分析模型。分析重要影响因素，如核心区轴压比、节点核心区性质、连接构造、楼板等对节点抗震性能的影响。建立节点核心区剪力-剪切变形关系和梁端弯矩-转角关系滞回模型，建立基于纤维梁柱单元的宏观节点单元模型。在此基础上提出钢管混凝土叠合柱-钢梁节点的抗震性能评价方法以及设计建议。

本项目研究工作按计划完成。 基于项目研究需要，开展了多类钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能试验研究，具体包括：(1) 不同连接类型的钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能试验。分析了环板连接宽度对节点抗震性能的影响。（2）钢管混凝土叠合柱-钢梁平面节点抗震性能试验。分析了关键参数，如轴压比、梁-柱线刚度比和承载力比对节点破坏模态和承载能力的影响。（3）钢管混凝土叠合柱-钢梁空间节点抗震性能试验。研究了空间节点的破坏形态、承载能力和内力、变形发展规律。建立了考虑材料在往复荷载下的损伤、不同部位材料本构和钢-混凝土相互作用的节点精细化有限元分析模型，并用典型试验结果进行了验证。利用验证的有限元模型，分析了关键参数影响因素，如核心区轴压比、节点核心区性质，连接构造、楼板等对钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能的影响。提出了该类节点的传力机理和关键参数影响规律。通过参数分析，提出了钢管混凝土叠合构件刚度和变形简化计算方法，建立了钢管混凝土叠合构件的荷载-变形滞回关系模型，用于钢管混凝土叠合柱-钢梁节点宏观单元的建立。此外结合项目实际需求，还开展了钢管混凝土斜柱-钢梁连接节点的抗震性能试验，以及钢管混凝土构件拉弯性能试验，研究其承载力实用计算方法。综合上述研究成果，提出了钢管混凝土叠合柱-钢梁节点的抗震性能评价方法以及设计建议。 本项目的研究成果可为有关工程应用和设计规程的制订提供依据。结合项目研究工作，发表或收录期刊论文4篇（均为国际SCI期刊论文），重要国际和国内会议论文4篇（EI收录1篇），其中1篇会议论文获第24届全国结构工程学术会议优秀论文一等奖。获得授权国家实用新型专利2项。本项目研究有博士研究生1名和硕士研究生2名参加了工作。 2100433B