方鋼管混凝土組合異形柱結構性能與設計方法研究

方鋼管混凝土組合異形柱由于能夠包裹在墻體內部，而且抗震性能好，用鋼量相比純鋼結構更為節(jié)省，因此是一種具有市場價值的柱子結構形式。 本項目在前期針對這種柱子靜力性能研究的基礎上，進行的主要研究內容如下：（1）完成三榀雙層單跨的方鋼管混凝土組合異形柱（SCFST）-H型鋼梁框架擬靜力試驗研究，主要考察不同的軸壓比和梁柱線剛度比對其力學性能的影響。由試驗結果發(fā)現(xiàn)，框架具有良好的耗能能力和延性。（2）建立了有接觸單元和無接觸單元的有限元模型，對比發(fā)現(xiàn)，兩種模型的應力變化基本同步，但有接觸單元的計算所需時間是無接觸單元的五倍，使用簡化的有限元模型對SCFST框架進行參數(shù)化分析，考察其在不同軸壓比作用下的力學性能，發(fā)現(xiàn)框架都有很好的耗能能力和延性。（3）完成了9根方鋼管混凝土組合異形柱的軸壓壓彎試驗和數(shù)值模擬，考察了長細比、連接板寬度、連接板厚度和偏心距的參數(shù)對軸壓穩(wěn)定承載力的影響，采用數(shù)值模型進行了參數(shù)分析，得到了長柱軸壓和壓彎的破壞模態(tài)和極限承載力值。（4）依據(jù)ANSI/AISC 360-05、GB50936、CECS159和DB29的計算方法分別推導了針對異形柱的計算公式，并提出了基于單肢失穩(wěn)的疊加承載力計算方法，借助EXCEL編制計算程序，進行結果比對，發(fā)現(xiàn)精度良好。（5）建立12層SCFST柱框架-支撐模型，通過靜力彈塑性分析法進行了SCFT柱結構體系的抗震性能研究，發(fā)現(xiàn)在地震下的的側向變形分別滿足彈性與彈塑性極限要求，SCFST柱模型的抗側性能要優(yōu)于相同用鋼量的CFT柱模型，屈服機制為：支撐-梁-SCFST柱。（6）以濱海新區(qū)保障性住房為例，通過邁達斯數(shù)值建模和改變支撐布置位置，增設電梯井剪力墻進行參數(shù)化抗震性能分析，發(fā)現(xiàn)在地震作用下支撐布置在結構的最外側對結構最有利，在電梯井處布置方鋼管混凝土組合異型柱相較于布置混凝土剪力墻對結構的抗震性能更有利。 通過框架擬靜力試驗與長柱軸壓壓彎試驗和理論分析，發(fā)現(xiàn)方鋼管混凝土組合異形柱單肢能夠協(xié)同受力，異形柱-H型鋼梁框架抗震性能良好，提出了精確度較好的簡化數(shù)值模型和承載力計算公式，并提出了小高層設計方法，通過參數(shù)分析，得到了小高層方鋼管混凝土組合異形柱結構的最優(yōu)布置形式，得到了精確度較高的計算公式，并編制了計算程序。 通過本項目研究，為推動方鋼管混凝土組合異形柱的應用提供了技術支持。 2100433B

方鋼管混凝土組合異形柱結構是由單根方鋼管混凝土柱相互連接組成的異形柱結構，包裹在墻體內部，能夠增加使用面積，具有良好的抗震能力與經(jīng)濟性能，而且施工工藝易于掌握，隨著土地價格走高與人們對住房要求的提高，這種新型結構具有良好的發(fā)展前景。應在構件力學性能研究的基礎之上，深入研究，通過框架的擬靜力試驗、實體單元有限元分析與簡化數(shù)值模擬，明確整體結構的抗震性能；同時得到一種雙單元簡化數(shù)值建模方法，可推廣應用到其他方鋼管混凝土結構模擬中；然后通過三維結構模型的計算分析，建立小高層方鋼管混凝土組合異形柱結構設計方法；最后，結合試驗分析與數(shù)值模擬，推導、修正、擬合承載力計算公式，并將公式嵌入通用設計軟件。通過上述研究，能夠明確方鋼管混凝土組合異形柱結構的力學性能與工作機制，建立小高層方鋼管混凝土組合異形柱結構設計方法，提出簡化計算公式并建立與設計軟件的接口，為新結構的推廣應用奠定理論基礎。

針對傳統(tǒng)剪力墻連梁抗剪能力不足、延性變形性能差且施工復雜等問題，利用鋼板良好的塑性變形能力和屈服后不同拉力場特性，替代抗剪鋼筋或交叉暗柱是提高連梁受力性能的一種有效措施。設計和改進內嵌鋼板混凝土組合連梁的構造措施，提出內嵌雙鋼板混凝土組合連梁，并對其抗震性能和設計方法展開研究。采用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等手段，分析鋼板厚度、高厚比、栓釘布置等對組合連梁破壞機理和抗震性能的影響，提出連梁恢復力特性曲線，揭示鋼板屈曲后形成的不同拉力場分布和屈曲模態(tài)對連梁延性和耗能的影響機理。在參數(shù)分析基礎上，建立組合連梁受彎和受剪承載力計算公式和抗剪理論模型。研究組合連梁各性能水準下的位移角限值或其他性能指標限值。通過數(shù)值模擬和理論分析，研究不同構造措施對節(jié)點破壞模式和抗震性能的影響，提出節(jié)點區(qū)鋼板錨固長度、栓釘或其他連接件設計計算方法。研究成果可為鋼板混凝土組合結構的設計理論及工程應用提供科學依據(jù)。

竹材人造板與冷彎薄壁型鋼復合而成的鋼-竹組合構件有利于充分發(fā)揮材料的高強度，由于竹材的蠕變和鋼-竹界面的滑移，其長期受力性能是影響實際應用效果的關鍵。本項目系統(tǒng)研究竹材人造板的蠕變特性和鋼-竹界面粘結性能的時隨效應，以及長期荷載作用下鋼-竹組合構件的變形特征、承載能力變化規(guī)律和力學性能評價方法。通過試驗研究、理論分析和數(shù)值計算，構建考慮應力水平和環(huán)境條件影響的竹材人造板蠕變模型，闡明長期荷載作用下鋼-竹界面粘結性能退化機制，建立其粘結強度模型；明確鋼-竹組合構件長期受力性能與加荷水平、截面含鋼率、軸壓比、長細比之間的關系，揭示組合構件的長期變形規(guī)律和承載能力退化規(guī)律；基于材料、界面及構件的長期性能研究結果建立鋼-竹組合構件長期變形和承載能力計算理論，實現(xiàn)構件長期力學性能的準確評價，提出便于操作的實用設計方法，為確保鋼-竹組合構件及其結構體系在整個設計基準期的安全性提供必要的理論基礎。