钢管混凝土斜柱转换节点的力学性能与设计方法研究

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。

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。

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。

汶川地震中大量钢筋混凝土框架房屋由于形成了“强梁弱柱”型破坏机制而破坏甚至倒塌，没有形成预期的“强柱弱梁”破坏机制，其中一个重要原因是现行设计中沿两个主轴方向单独进行节点“强柱弱梁”校核的抗震设计。本课题针对梁柱节点、钢筋混凝土柱、钢框架进行了斜向地震作用下的抗震性能的试验研究和理论分析，主要研究内容和结果如下：1.进行了斜向地震作用下无板梁柱节点和带板梁柱节点的试验研究，结果表明主轴方向强柱弱梁设计的梁柱节点，在斜向荷载作用下出现柱铰破坏，没有实现强柱弱梁设计；2.进行了斜向地震作用下钢筋混凝土柱及角部加强柱的抗震性能研究，得到了承载力在加载角度从22.5°到45°呈下降趋势，角部集中配筋的方式可以有效的改善构件的承载力和延性；3.对三层钢框架进行了多方向输入的振动台试验，结果表明45°时形成了明显柱铰破坏机制，且结构的自振频率随着加速度幅值的增大迅速下降。4.提出了梁端钢丝网加固方法，并对其进行了试验研究和数值模拟，总结了其耗能特性。 2100433B