高轴压比下新型钢骨混凝土角柱的抗震性能与设计方法研究

对高层混凝土框架-剪力墙结构或框架-核心筒结构，高轴压比与双向受剪是底部框架柱的基本受力形式。为了满足抗震要求，底部框架柱特别角柱通常采用钢骨混凝土柱的形式。为了充分发挥材料性能，提高钢骨混凝土柱的抗震性能，本项目提出了钢骨斜向布置这一新型布置方式并完成了新型钢骨混凝土柱试件的加载试验与数值分析，揭示了在高轴压与双向水平受剪条件下这种新型钢骨混凝土柱的受力机理与破坏特征，通过对钢骨截面形状与配钢率、轴压比以及钢骨外围混凝土配箍率等因素的分析，建立了这种钢骨混凝土柱的受力模型、计算方法与计算公式，通过对典型框架-剪力墙结构与框架-核心筒结构实现二道抗震防线要求下对外框架的抗震延性要求，提出了这种钢骨混凝土柱的构造要求与构造措施建议。研究结果适用于角柱也适用于其它框架柱。本项研究成果为完善钢骨混凝土结构技术，提高建筑特别高层建筑的地震安全提供了一种技术保障。

完成了截面边长500mm、高2200mm的9个钢骨高强混凝土柱与1个高强混凝土柱共计10个试件的模拟地震往复加载试验，其中9个试件沿混凝土柱截面对角线方向加荷，模拟双向压弯性能。研究了2种轴压比（0.70与0.85）、4种配钢率（0、3％、5％与7％）、2种钢骨截面形式（圆钢管（又叫组合柱）、十字交叉工字钢）、2种十字钢骨在正方形柱截面中的布置方式（钢骨主轴与混凝土截面主轴夹角0度与45度）、不同钢骨截面形状（圆管与十字交叉工字钢、不同宽厚比）、加载制度等因素的影响。通过试验结果分析与数值模拟，揭示了在高轴压比与双向水平受弯条件下钢骨混凝土柱的受力机理与破坏特征，通过对钢骨截面形状、配钢率、轴压比以及钢骨外围混凝土配箍率等因素的分析，比较了现有钢骨混凝土柱受力模型、承载力计算方法与计算公式的准确性，获得了钢－高强钢筋混凝土柱在不同轴压比与双向压弯作用下的性能参数。试验结果表明，高轴压比下钢骨高强混凝土柱达到峰值荷载时的变形角约1/65~1/100，满足框剪结构设计大震下1/100的变形要求，当承载力下降到85％峰值荷载时的变形角约1/50，满足框架结构大震下的变形要求。设置钢骨后不仅提高了轴向承载力，抗侧能力与延性明显改善。这些试验结果为数值模拟分析提供参考，并检验了相关抗震构造措施的有效性，提出了保证其抗震性能的构造措施建议。十字钢骨在钢筋混凝土柱中斜向放置后，试件的承载力略有增加，但是，由于钢骨对角部混凝土的约束较弱，角部混凝土在往复作用下退出工作较早，钢骨承受的轴力增加，导致峰值荷载后承载力下降较快。.完成了三个边长470mm、高1350mm钢筋混凝土柱的轴心受压试验以及钢筋、混凝土的力学性能试验，统计了箍筋约束普通混凝土与箍筋约束高强混凝土的峰值应力及对应应变与配箍特征值的关系，提出了箍筋约束普通混凝土与箍筋约束高强混凝土的本构模型。提出了分区考虑箍筋约束混凝土应力－应变的分析方法，将钢骨混凝土柱截面划分为箍筋约束区与保护层非约束区两部分，钢骨附近可以考虑钢骨的局部约束，不同区域采用不同的本构关系。编写了钢骨混凝土柱截面压弯分析程序，通过对试验结果的模拟分析对比，证明不考虑箍筋约束会保守估计结构的承载力与变形能力。