高纵筋率钢管约束混凝土结构的静力与抗震性能

本项目在国家自然科学基金资助下，对圆形和方形截面高纵筋率钢管约束混凝土短柱的静力和抗震性能、梁柱节点的轴压和抗震性能进行了系统的试验研究和理论分析，并按计划完成了预定的目标。项目研究取得的各项成果可为高纵筋率钢管约束混凝土结构的应用和设计提供参考和建议。本项目的主要研究成果如下： (1) 对80个高纵筋率钢管约束混凝土试件进行了试验研究，研究内容主要包括短柱的轴压、偏压和滞回性能以及节点的轴压和抗震性能，验证了高纵筋率钢管约束混凝土构件的优越性能。 (2) 建立了轴压荷载作用下圆钢管约束混凝土柱的简化力学模型，推导了钢管应力随高度变化的参数方程。 (3) 提出了高纵筋率钢管约束混凝土短柱轴压承载力计算公式，计算结果与试验及有限元结果吻合较好。 (4) 推导了钢管约束混凝土极限压应变随约束强度的变化关系，并建立了极限压应变的计算公式。 (5) 建立了高纵筋率钢管约束混凝土偏压构件的纤维模型，并验证了轴心受压下的约束混凝土本构关系可直接应用于偏心受压构件。 (6) 提出了不同混凝土强度和套箍系数下钢管约束混凝土等效矩形应力系数α和β的取值；并在此基础上，建立了圆/方高纵筋率钢管约束混凝土构件的正截面承载力计算公式。 (7) 提出了基于特征点方法的轴力—弯矩相关曲线，进一步简化了对称配筋高纵筋率钢管约束混凝土柱正截面承载力的计算。 (8) 建立了考虑延性的钢管约束混凝土短柱抗剪承载力公式，公式中明确了钢管与混凝土的组合作用。 (9) 提出了新型的钢管约束钢筋混凝土柱-钢筋混凝土梁框架节点，包括梁水平加腋、柱节点区并筋和节点区钢管贯通开洞三种形式，并提出了静力和抗震设计方法。 2100433B

工程实践中，传统组合框架柱与钢筋混凝土梁连接复杂，施工难度大。高纵筋率钢管约束混凝土柱是将钢管混凝土或型钢混凝土柱中的大部分钢管或型钢以纵向钢筋的形式弥散于混凝土中，而将剩余部分以薄壁钢管的形式外包于混凝土；钢管在梁柱节点区断开，不直接承担纵向荷载，只对核心混凝土起约束作用，避免了钢管混凝土或型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁连接复杂的问题。高纵筋率钢管约束混凝土既继承了钢管混凝土约束效果好的优点，又继承了型钢混凝土抗火性能好的优点，具有承载力高、抗震性能好、抗火性能好、与钢筋混凝土梁连接方便和造价低的特点。课题组将在传统组合结构研究方法和研究成果的基础上，采用理论分析、模型试验和数值模拟的手段，对高纵筋率钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能、框架柱的抗震性能、梁柱节点的静力和抗震性能进行系统深入的研究，在研究结果的基础上，建立高纵筋率钢管约束混凝土结构的设计理论，提出抗震设计方法。

钢管约束钢骨高强混凝土柱是将薄壁钢管外包于钢骨高强混凝土柱，用钢管替代箍筋,钢管不直接承担纵向荷载，只对核心高强混凝土柱起约束作用。钢管不承担纵向荷载，因此不会发生局部屈曲，约束作用更强；钢管的有效约束将避免高轴压比条件下柱的保护层剥落、纵筋失稳和型钢翼缘的局部屈曲，显著提高钢骨高强混凝土柱的承载力、延性和耗能能力，因此钢管约束钢骨高强混凝土柱在地震区的应用中可不限制轴压比。钢骨腹板和钢管具有很强的抗剪能力，钢管对核心混凝土的约束作用也将有效提高混凝土的延性，因此钢管约束钢骨高强混凝土框架短柱是一种强剪钢骨混凝土柱，水平地震荷载作用下其破坏模式为延性破坏，抗震性能优越。本项目主要研究钢管约束钢骨高强混凝土构件的静力性能和抗震性能、节点的抗震性能以及结构体系的抗震性能；建立钢管约束钢骨高强混凝土柱的实用承载力公式和恢复力模型；提出钢管约束钢骨高强混凝土柱的设计方法和建议。 2100433B

钢管约束混凝土是一种力学性能优越、施工方便、造价低廉的新型组合柱，包括钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土两种形式。课题组的初探性研究结果表明，由钢管约束混凝土柱与混凝土/钢梁、钢支撑、混凝土剪力墙等构件组成的钢管约束混凝土混合结构体系（简称钢管约束混凝土结构体系）抗震性能优越，在我国应用前景广泛。钢管约束混凝土在国内外的高层建筑中已逐渐得到应用，但国内外的研究主要集中于构件，对梁柱节点和结构体系的研究还未开展，导致理论研究落后于工程实践。本项目将对高层建筑钢管约束混凝土框架、框架-支撑、框架-剪力墙和框架-筒体四种结构体系进行研究。课题组将在传统的高层建筑结构体系研究的基础上，采用试验研究、有限元数值模拟、理论分析和简化力学方法相结合的手段，对关键构件、梁柱节点、结构体系的静力与抗震性能进行研究，提出简化力学模型，建立静力与抗震设计理论，为这种新型结构体系的广泛应用提供理论基础。 2100433B