高縱筋率鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的靜力與抗震性能

本項(xiàng)目在國家自然科學(xué)基金資助下，對圓形和方形截面高縱筋率鋼管約束混凝土短柱的靜力和抗震性能、梁柱節(jié)點(diǎn)的軸壓和抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，并按計(jì)劃完成了預(yù)定的目標(biāo)。項(xiàng)目研究取得的各項(xiàng)成果可為高縱筋率鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供參考和建議。本項(xiàng)目的主要研究成果如下： (1) 對80個高縱筋率鋼管約束混凝土試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究內(nèi)容主要包括短柱的軸壓、偏壓和滯回性能以及節(jié)點(diǎn)的軸壓和抗震性能，驗(yàn)證了高縱筋率鋼管約束混凝土構(gòu)件的優(yōu)越性能。 (2) 建立了軸壓荷載作用下圓鋼管約束混凝土柱的簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)了鋼管應(yīng)力隨高度變化的參數(shù)方程。 (3) 提出了高縱筋率鋼管約束混凝土短柱軸壓承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)及有限元結(jié)果吻合較好。 (4) 推導(dǎo)了鋼管約束混凝土極限壓應(yīng)變隨約束強(qiáng)度的變化關(guān)系，并建立了極限壓應(yīng)變的計(jì)算公式。 (5) 建立了高縱筋率鋼管約束混凝土偏壓構(gòu)件的纖維模型，并驗(yàn)證了軸心受壓下的約束混凝土本構(gòu)關(guān)系可直接應(yīng)用于偏心受壓構(gòu)件。 (6) 提出了不同混凝土強(qiáng)度和套箍系數(shù)下鋼管約束混凝土等效矩形應(yīng)力系數(shù)α和β的取值；并在此基礎(chǔ)上，建立了圓/方高縱筋率鋼管約束混凝土構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算公式。 (7) 提出了基于特征點(diǎn)方法的軸力—彎矩相關(guān)曲線，進(jìn)一步簡化了對稱配筋高縱筋率鋼管約束混凝土柱正截面承載力的計(jì)算。 (8) 建立了考慮延性的鋼管約束混凝土短柱抗剪承載力公式，公式中明確了鋼管與混凝土的組合作用。 (9) 提出了新型的鋼管約束鋼筋混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架節(jié)點(diǎn)，包括梁水平加腋、柱節(jié)點(diǎn)區(qū)并筋和節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管貫通開洞三種形式，并提出了靜力和抗震設(shè)計(jì)方法。 2100433B

工程實(shí)踐中，傳統(tǒng)組合框架柱與鋼筋混凝土梁連接復(fù)雜，施工難度大。高縱筋率鋼管約束混凝土柱是將鋼管混凝土或型鋼混凝土柱中的大部分鋼管或型鋼以縱向鋼筋的形式彌散于混凝土中，而將剩余部分以薄壁鋼管的形式外包于混凝土；鋼管在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)斷開，不直接承擔(dān)縱向荷載，只對核心混凝土起約束作用，避免了鋼管混凝土或型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接復(fù)雜的問題。高縱筋率鋼管約束混凝土既繼承了鋼管混凝土約束效果好的優(yōu)點(diǎn)，又繼承了型鋼混凝土抗火性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有承載力高、抗震性能好、抗火性能好、與鋼筋混凝土梁連接方便和造價低的特點(diǎn)。課題組將在傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)研究方法和研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段，對高縱筋率鋼管約束混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能、框架柱的抗震性能、梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力和抗震性能進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立高縱筋率鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，提出抗震設(shè)計(jì)方法。

鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土柱是將薄壁鋼管外包于鋼骨高強(qiáng)混凝土柱，用鋼管替代箍筋,鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載，只對核心高強(qiáng)混凝土柱起約束作用。鋼管不承擔(dān)縱向荷載，因此不會發(fā)生局部屈曲，約束作用更強(qiáng)；鋼管的有效約束將避免高軸壓比條件下柱的保護(hù)層剝落、縱筋失穩(wěn)和型鋼翼緣的局部屈曲，顯著提高鋼骨高強(qiáng)混凝土柱的承載力、延性和耗能能力，因此鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土柱在地震區(qū)的應(yīng)用中可不限制軸壓比。鋼骨腹板和鋼管具有很強(qiáng)的抗剪能力，鋼管對核心混凝土的約束作用也將有效提高混凝土的延性，因此鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土框架短柱是一種強(qiáng)剪鋼骨混凝土柱，水平地震荷載作用下其破壞模式為延性破壞，抗震性能優(yōu)越。本項(xiàng)目主要研究鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的靜力性能和抗震性能、節(jié)點(diǎn)的抗震性能以及結(jié)構(gòu)體系的抗震性能；建立鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土柱的實(shí)用承載力公式和恢復(fù)力模型；提出鋼管約束鋼骨高強(qiáng)混凝土柱的設(shè)計(jì)方法和建議。 2100433B

鋼管約束混凝土是一種力學(xué)性能優(yōu)越、施工方便、造價低廉的新型組合柱，包括鋼管約束鋼筋混凝土和鋼管約束型鋼混凝土兩種形式。課題組的初探性研究結(jié)果表明，由鋼管約束混凝土柱與混凝土/鋼梁、鋼支撐、混凝土剪力墻等構(gòu)件組成的鋼管約束混凝土混合結(jié)構(gòu)體系（簡稱鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)體系）抗震性能優(yōu)越，在我國應(yīng)用前景廣泛。鋼管約束混凝土在國內(nèi)外的高層建筑中已逐漸得到應(yīng)用，但國內(nèi)外的研究主要集中于構(gòu)件，對梁柱節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體系的研究還未開展，導(dǎo)致理論研究落后于工程實(shí)踐。本項(xiàng)目將對高層建筑鋼管約束混凝土框架、框架-支撐、框架-剪力墻和框架-筒體四種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究。課題組將在傳統(tǒng)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系研究的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)研究、有限元數(shù)值模擬、理論分析和簡化力學(xué)方法相結(jié)合的手段，對關(guān)鍵構(gòu)件、梁柱節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系的靜力與抗震性能進(jìn)行研究，提出簡化力學(xué)模型，建立靜力與抗震設(shè)計(jì)理論，為這種新型結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 2100433B