钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能研究

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

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。

本项目进行了异形钢管混凝土柱框架节点抗震性能试验和数值分析研究。异形柱截面包括十字形和T形两种，均内置对拉钢筋加劲肋以延缓钢管的局部屈曲，增强对核心混凝土的约束效应。节点传力构造包括外环板和竖向肋板两种，外环板将钢梁翼缘拉力传递给柱钢管腹板，虽然对建筑室内空间略有干扰，但继承了圆形和方形钢管混凝土柱框架节点构造可靠的优势；竖向肋板虽然传力效果略低于外环板，但其对建筑室内空间无干扰，符合异形柱结构的建筑功能初衷。节点抗震试验在MTS协调加载系统下进行，梁、柱均取反弯点之间部分，端部边界条件均为铰接，在柱顶施加恒定竖向荷载和水平往复荷载。试验中得到柱端水平荷载-位移滞回曲线、梁弯矩-转角滞回曲线、节点核心区剪力-剪切变形曲线、梁柱弯曲变形曲线以及节点翼缘、腹板、外环板、竖向肋板应变曲线。结果显示两种形式异形钢管混凝土柱框架节点均能较为充分发挥钢梁的抗弯性能，刚度、承载力、变形能力和耗能性能均能满足抗震要求，其中外环板节点的承载力、延性、耗能等力学性能均略好于竖向肋板节点。各节点破坏模式均依次表现为钢梁翼缘屈服-柱钢管被拉脱开-外环板或竖向肋板与钢梁翼缘或柱钢管连接焊缝开裂。结合试验研究结果，本课题还深入进行了异形钢管混凝土柱框架节点抗震性能数值分析。应用数值程序分析了外环板和竖向肋板形状参数、柱轴压比、梁剪跨比等因素对节点抗震性能的影响规律，并提出了异形钢管混凝土柱框架节点简化设计方法和构造措施。本课题研究的外环板异形钢管混凝土柱框架节点和竖向肋板异形钢管混凝土柱框架节点具有优良的抗震性能，能够在高层建筑结构和较高抗震设防烈度地区的建筑结构中得到推广和应用。 2100433B

本项目系统研究了复式钢管混凝土钢梁节点的受力性能，解决复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点的基本理论问题，形成了实用了复式钢管混凝土钢梁节点设计方法。设计了适用于复式钢管混凝土柱-钢梁的四种类型节点，包括竖向肋板节点、外加强环板节点、钢梁半穿心加腋型节点及单边螺栓端板连接装配式节点构造形式，均进行了低周反复荷载试验，分析了各节点的工作机理和受力性能，确定有足够的强度、良好的延性、满足抗震设计要求的节点构造，以满足工程应用需要; 最后结合理论研究、节点试验结果和准确的非线性有限元分析，对节点进行了性能控制研究，包括节点性能指标的确定和计算、节点分类准则的建立和考虑结构整体与局部相关性的设计方法等内容，形成了复式钢管混凝土钢梁节点性能化设计理论。

本项目拟系统研究复式钢管混凝土钢梁节点的受力性能，解决复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点的基本理论问题，形成实用的复式钢管混凝土钢梁节点设计方法。设计新型的外隔板节点及改进的竖向肋板钢梁节点等适用于复式钢管混凝土结构的钢梁节点构造形式，进行节点力学性能静力和低周反复荷载试验，分析各节点的工作机理和受力性能，确定有足够的强度、良好的延性、满足抗震设计要求的节点构造，以满足工程应用需要；最后结合理论研究、大量的节点试验结果和准确的非线性有限元分析，对节点进行性能控制研究，包括节点性能指标的确定和计算、节点分类准则的建立和考虑结构整体与局部相关性的设计方法等内容，最终形成复式钢管混凝土钢梁节点性能化设计理论。