横向约束钢管混凝土柱低周疲劳性能的研究

本项目围绕钢管混凝土柱和约束钢管混凝土柱的抗震性能，开展了试验研究与理论分析工作。主要成果如下：1. 完成9根圆钢管混凝土柱的低周疲劳荷载试验研究，结果表明：钢管混凝土柱在地震荷载作用下通常出现钢管的局部屈曲破坏，即“象腿”破坏；采用不同的地震序列加载程序会导致柱脚钢管的断裂破坏；钢管破坏形态的区别，影响了对核心混凝土的约束能力，导致核心混凝土的破坏形态存在一定程度的差异。 2. 完成7根CFRP约束钢管混凝土柱的抗震试验，通过四种不同约束方法的对比试验确定最优的约束形式，试验结果表明：用正交法纤维进行约束的试件能够有效的提高碳纤维的整体约束性能，缓冲垫层能够有效延缓碳纤维的开裂时间，双向正交的约束方法有利于提高塑性铰区碳纤维的整体约束能力。 3. 采用ABAQUS软件对CFRP约束钢管混凝土柱进行有限元模拟，分析结果表明，相比于传统的钢管混凝土柱，碳纤维对钢管的附加约束在峰值点后效果明显，限制了钢管的局部屈曲，增大了对核心混凝土的约束作用，提高了整个构件的承载力、延性和耗能能力。4. 收集整理国内外266个方钢管混凝土轴压短柱的试验数据，建立方钢管混凝土轴压短柱试验数据库，比较国内外规范及现有纤维模型计算方钢管混凝土轴压短柱承载力的差异性。结果表明，中国规范计算值与试验结果最为接近，美国规范与日本规范偏于保守，欧洲规范相比试验结果稍显保守。5. 编写Visual Basic计算程序对圆钢管混凝土轴压短柱进行全过程非线性力与变形分析，通过与已有试验数据进行比较验证了所提出方法的有效性。将提出的方法推广应用到约束钢管混凝土轴压短柱的弹塑性全过程分析。6. 完成了162种地震工况下的钢管混凝土柱弹塑性时程分析，提出了基于损伤指标的钢管混凝土柱累积损伤评估方法，从概率角度对钢管混凝土柱的累积损伤进行评估。 2100433B

钢管混凝土(CFT)结构因能够形成钢和混凝土两种材料的组合效应得到了越来越多的工程应用。但以往的研究显示钢管混凝土柱中的钢管在地震荷载下会受到屈曲和拉直的压缩和拉伸往复作用，最终导致低周疲劳破坏。项目申请者提出的新型钢管混凝土：约束钢管混凝土(CCFT)体系能够有效的推迟或防止钢管局部屈曲，从而进一步改善了其力学性能，尤其是延性。本项目拟通过一系列试验于理论分析，研究约束钢管混凝土柱低周疲劳特性，在申请人已有的有关钢管混凝土低周疲劳损伤模型研究成果的基础上进一步建立考虑横向约束的更加合理和精确的统一损伤模型。最终用于指导钢管混凝土和约束钢管混凝土的工程抗震设计和工程应用。

在强震下，螺栓球网架结构中杆件与节点经历了数次塑性应变的过程，其破坏形态具有超低周疲劳破坏的特征。因此为探究螺栓球网架结构在强震下的超低周疲劳性能，课题采用试验研究和模拟分析相结合的方法，从螺栓球网架结构的典型组合构件、常用支座节点以及整体网架结构的层面，系统进行了循环加载下的螺栓球节点超低周疲劳性能试验、循环加载支座节点超低周疲劳性能试验、两端带螺栓球节点的圆钢管试件超低周疲劳性能试验及螺栓球网架结构大位移往复加载试验；并采用SEM扫描电镜进一步研究了钢管、螺栓等关键部件的典型断面，从微观层面揭示了螺栓球结构在强震下的超低周断裂机理，并得到了计及节点影响、材料塑性损伤累积、随动强化、Bauschinger效应和多次屈曲刚度退化的典型杆件的骨架曲线，结果表明强震下螺栓球网格结构的超低周疲劳性能直接关系着结构的安全性能。 本项目由节点至杆件、自支座到结构，积累了丰富的螺栓球网架超低周疲劳数据，为强震下螺栓球网架的疲劳验算和安全性能评定提供了有力的数据支持和技术保障，具有较大的工程实践意义和学术参考价值。 2100433B

该课题完成了原定的研究任务，研究规划合理，方法先进，进行了147个试件的试验，其中包括高强砼抗拉、抗压和抗弯疲劳性能的试验和无腹筋约束梁疲劳抗剪性能的试验研究。通过试验和理化分析，提出了S-N-R-P疲劳强度方程；疲劳强度与总应变和残余应变的关系曲线，对P-M疲劳破坏准则提出了修正建议；提出了新Ⅲ级钢疲劳强度值和等幅荷载下正截面受弯疲劳设计方法；提出了无腹筋梁的抗剪疲劳强度的分析模型及其设计值。研究成果为制定高能混凝土设计规程提供了理论和试验依据。该课题成果在国内处于领先地位，在抗拉、抗剪方面的试验研究达到了国际先进水平。 2100433B

材料在多轴非比例载荷下的低周疲劳性能与单轴载荷下有明显的不同，其疲劳寿命将大大减少。对焊接接头在多轴载荷下的低周疲劳，研究其在多轴比例和非比例局部应力应变下循环应力应变特性以及疲劳损伤积累和深化规律，建立多轴载荷下焊接接头的疲劳寿命估算方法。本项目以焊接接头为具体对象，将为焊接结构的疲劳设计提供理论依据。 2100433B