钢管混凝土桁架节点力学性能与设计方法研究

以相贯式钢管混凝土桁架节点为对象，研究影响节点极限承载力的几何特征参数和性能表达参数，构建节点极限承载力的参数化模型，建立可供工程设计应用的节点极限承载力计算公式；针对建筑结构中节点的几何型式与参数范围建立弹性和非弹性两阶段刚度公式；根据节点半刚性特点提出多种荷载工况下的极限承载力相关公式；将考虑节点刚度和承载力特性的计算模块引入钢管混凝土桁架结构静力计算和非线性数值分析中，基于结构整体行为提出考虑节点刚度的钢管混凝土桁架节点设计建议。在研究和确定典型结构体系和典型节点形式的基础上，通过较为精细的工程尺度试件实验和经过评估的有限元模型分析，对典型的相贯式钢管混凝土桁架节点进行弹性-非弹性阶段的刚度、承载力以及滞回特性的研究。将节点性能的研究与结构整体行为的分析紧密联系，主要通过计算分析的手段进行评价。从机理性解释和工程计算方法两方面分析钢管混凝土桁架结构整体性能。在基于性能的结构抗震设计理论指导下，根据大跨度钢管混凝土桁架结构的性能控制水准，得到与之相应的节点极限状态和变形控制目标。通过理论推导和有限元参数分析等手段建立各极限状态的钢管混凝土桁架节点承载力计算公式。以优化理论为基础研究节点承载效率与性能设计的相互关系，基于结构整体行为提出考虑节点刚度的钢管混凝土桁架节点设计建议。以该项目为依托在《建筑结构学报》、《土木工程学报》、《工程力学》等权威学术刊物上发表相关期刊论文11篇且全部被EI收录，完成56万字专著《典型油气管道跨越结构和节点力学性能与设计》一部，培养硕士研究生13名。 2100433B

钢管（圆管和方矩管）混凝土是大跨度桥梁、桁架结构中应用的构件型式。本项目以相贯式钢管混凝土桁架节点为对象，以实验和有限元分析为主要手段，研究影响钢管混凝土桁架节点刚度的几何特征参数和性能表达参数，构建节点刚度的参数化模型，并基于考虑半刚性效应的钢管混凝土桁架结构整体分析，建立可供工程设计应用的节点刚度计算公式。针对若干种几何型式节点，在建筑结构中引入计及弯矩作用的极限承载力公式。研究钢管混凝土桁架节点在地震荷载作用下的失效机理和滞回性能，构建节点滞回模型；提出考虑节点刚度的钢管混凝土桁架节点设计方法。本项目对相贯式钢管混凝土桁架节点滞回性能的研究以及基于结构整体性能的刚度评定准则和设计指南的建立，是本领域中新的探索。

结合钢管混凝土与斜柱转换结构的优点，斜柱和竖向支柱均为钢管混凝土的斜柱转换结构已受科研和工程设计人员重视。钢管混凝土斜柱、支柱、周边梁相连接的节点是该类型结构中最重要的部位。相关研究成果很少，且节点形式单一，对斜柱内力和梁端内力共同作用下节点域受力性能的研究也很不完善。本课题开发了两种新型带加强环和肋板、连接钢梁的钢管混凝土斜柱转换节点构造形式，完成了共18个试件在不同加载工况下的力学性能试验，包括8个试件在斜柱端部对称竖向荷载作用下的试验研究，6个试件在梁端低周往复荷载作用下的试验研究，4个试件在梁端固定反向荷载、斜柱端单调加载作用下的试验研究。结合数值模拟分析，研究了不同参数下新型节点的破坏机制和传力机理，研究了节点传力力学模型，研究了经优化后的节点设计参数的合理设置值、承载力计算公式，建立了设计方法。研究结果表明斜柱插入深度是影响斜交区力学性能最关键的参数；通过合理设计，节点核心区的承载力和刚度能满足“强节点”的设计要求。研究成果对完善复杂荷载作用下钢管混凝土节点受力性能理论体系有重要学术价值，对开拓钢-混凝土组合结构、斜柱转换结构在高层建筑设计领域的应用有重要意义。 2100433B

结合钢管混凝土与斜柱转换结构的优点，斜柱和竖向支柱均为钢管混凝土的斜柱转换结构已受科研和工程设计人员重视。钢管混凝土斜柱转换节点是钢管混凝土斜柱、支柱、周边梁相连接的节点，是该类型结构中最重要的部位。相关研究成果很少，且节点形式单一，对斜柱内力和梁端内力共同作用下节点域受力性能的研究也很不完善。本课题中首先提出一种新型带加强环和肋板、连接钢梁的钢管混凝土斜柱转换节点构造形式，然后通过节点模型在不同加载工况下的力学性能试验，结合数值模拟分析和理论研究，研究不同因素对新型节点破坏机制、传力机理、力学性能的影响，研究斜柱内力和梁端内力共同作用下不同破坏机制的节点传力力学模型，研究节点设计参数的合理设置值、承载力计算公式，建立设计方法。预期成果对完善复杂荷载作用下钢管混凝土节点受力性能理论体系有重要学术价值，对开拓钢-混凝土组合结构、斜柱转换结构在高层建筑领域的应用有重要意义。

钢管混凝土混合柱由钢管混凝土格构柱和钢管混凝土复合柱组成（其中，钢管混凝土复合柱是以钢管混凝土为柱肢、钢筋混凝土板为缀板的多肢柱）。它具有构造简单、节约材料、施工方便、抗震性能好等优点，可应用于高墩和大跨钢管混凝土桁肋拱中，是一种具有发展潜力、值得深入研究的新型组合结构。本项目将对这种等截面和变截面的钢管混凝土复合柱和混合柱进行在单次荷载和往复荷载作用下的受力性能的理论分析、试验研究和有限元分析，了解结构中不同构件之间的传力机理，提出合理的构造措施；了解结构的破坏机理和极限承载能力，提出极限承载力的实用计算方法；了解其滞回特性、耗能能力等，提出恢复力曲线计算方法，为抗震设计服务。研究将抓住新型结构应用的理论基础和实际应用的关键问题，在了解钢管混凝土复合柱受力性能的基础上，给出设计方法，为工程应用服务，为推动我国结合结构的推广应用与科技进步作出贡献。