考虑楼板组合作用的复式钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究

Composite CFST columns can be applied in composite frame structures in earthquake-resistance area due to its high-capacity, good ductility, fire resistance and better anti-collapse. Meanwhile, hogging moment of connections and deformation at the bottom flange of steel beams produced by the loads of RC slabs become lager, which caused that the normal life of structures can’t be estimated exactly. Therefore, composite actions between RC slabs and steel beams should be properly considered in anti-seismic design of composite connections. This project will develop the experimental research on the connections of composite CFST columns to steel beams with RC slabs under the lateral cyclic loads. Failure modes, displacement ductility, bearing capacities and energy consumption indexes of the composite connections with RC slabs will be analyzed. And then, the nonlinear finite models of the composite connections will be built up. The influence characteristics of parameters on seismic performance of the composite connections will be studied. Thirdly, the formulations of moment-rotation and shear bearing capacity of the composite connections will be constructed. Finally, the design approaches of the composite connections considering the composite action of RC slabs in earthquake-resistance will be proposed. A series of original research results will be achieved in the project, which will provide experimental data and theoretical basis for engineering designs and applications of the type of composition connections.

复式钢管混凝土柱-钢梁节点具有承载力高、延性及耐火性能好、防倒塌能力强等优点，可应用于强震地区的组合框架结构。同时，钢筋混凝土楼板使梁柱节点连接处的负弯矩以及钢梁下翼缘的变形增大，导致不能准确判断结构的正常使用状态，所以应合理考虑楼板的组合作用对节点抗震性能的影响。但目前复式钢管混凝土柱-钢梁节点的研究文献未考虑楼板作用，急需探讨楼板作用对此类节点抗震性能影响的设计方法。本项目拟对带楼板的内圆外方复式钢管混凝土柱-钢梁节点进行低周往复荷载作用下的试验研究，分析楼板作用对节点破坏形态、位移延性、承载力及耗能性能等指标的影响，建立此类节点的非线性有限元模型，探讨各因素对节点应力分布和破坏机理的影响特性，推导考虑楼板作用的此类节点抗弯和抗剪承载力计算式，最后提出楼板组合作用对此类节点抗震性能影响的设计对策。本研究可取得一系列具有独创性的新成果，为此类节点的工程设计与应用提供试验数据和理论依据。

复式钢管混凝土结构发挥了普通钢管混凝土结构的优势，采用内外双钢管可以更好地约束核心区混凝土，在减小柱截面尺寸的同时，提高柱抗弯刚度、承载力、延性及耗能能力，具有耐火性能好和施工方便等优点，近年来成为结构工程领域的研究热点。但是目前复式钢管混凝土柱在实际工程中的应用依然较少，主要原因是由于内外两层钢管的存在使节点难以处理，如果参照普通钢管混凝土柱的节点形式，会使内钢管的性能无法得到充分发挥。并且楼板作为框架结构体系中必不可少的一部分，在以往的节点抗震试验研究中考虑较少，当楼板与钢梁连接形成组合梁时，会共同承担荷载，在节点承受正弯矩时，会使组合梁截面的中性轴上移，从而影响节点的受力特征和破坏形式。.本项目设计并制作了8个复式钢管混凝土柱-钢梁节点试件，考虑了钢筋混凝土楼板的组合作用，采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，重点研究了该组合节点的传力机制、破坏特征和抗震性能指标；分析并探讨了各个设计参数对组合节点受力性能的影响规律，推导了节点的初始刚度计算式；基于三参数幂模型建立了组合节点的弯矩-层间位移角全过程曲线计算表达式；考虑了节点在竖向轴力和往复荷载作用下，钢管柱壁的环向拉应力对抗剪承载力的削弱作用，建立了该组合节点的抗剪承载力计算表达式，其结果与试验吻合良好，从而验证了该方法的正确性。结合研究结论，提出了在新型组合节点的研究中，应合理考虑楼板的组合作用，并针对复式钢管混凝土柱节点提出了抗震设计建议，为复式钢管混凝土结构的工程应用提供理论依据，并为修正组合框架结构的抗震设计方法奠定了理论基础。