基于性能新型异形钢管混凝土节点多尺度地震损伤模型及优化设计方法研究

The joint consisting of new type concrete-filled steel tubular special-shaped columns and steel beams fully develops the merits of steel and concrete, has the advantage of uncomplicated reinforcement disposing and convenience in construction. To further expand the scope of application of special-shaped column structural system in high-rise and high-intensity area, the present project investigates performance-based multi-scale seismic damage model and optimization design of joint consisting of new type concrete-filled steel tubular special-shaped columns and steel beams. The failure characteristics and damage performance of the joint should be analyzed in the test results. Then, seismic damage model considering the influence of the deformation of the joint and the damage accumulation on the joint would be derived, and the damage model of weld of the joint would be obtained. Based on the constitutive model of material and the steel truss-plastic hinge model of the joint, the performance-based theoretical model in complex stress field, which could reflect migration and evolution law from material damage to member, would be established through the reasonable inference. Based on the experimental and theoretical research, performance objective, damage variables and restraint condition of the joint could be established, and would be developed to provide the performance-based theoretical guidance of multi-objective optimization of joint consisting of new type concrete-filled steel tubular special-shaped columns and steel beams.

新型异形钢管混凝土节点充分利用钢材和混凝土两种材料的优点，同时在施工过程中钢管可作为浇灌其核心混凝土的模板。为了进一步推广异形柱结构在高层建筑以及抗震设防高烈度区的应用，本课题研究基于性能的新型异形钢管混凝土节点多尺度地震损伤模型及优化设计方法。通过试验研究获得该类节点的损伤破坏特征和损伤性能，建立同时考虑变形和累积滞回耗能的节点地震损伤模型和节点域钢板焊缝损伤模型。在材料本构关系和节点桁架-塑性铰损伤分析模型的基础上，建立复杂受力状态下节点基于性能的由材料尺度损伤向构件尺度损伤迁移演化的理论模型。在试验和理论研究的基础上确定节点的性能指标、损伤变量及其约束条件，建立新型异形钢管混凝土节点考虑多参数影响的、基于性能的多目标优化设计理论。

新型异形钢管混凝土框架结构充分利用钢管、混凝土两种材料的性能，能够有效提高异形构件的承载能力和抗震性能，实现异形柱框架结构推广应用于抗震设防烈度高于8度的地震区。.本项目以指导钢管混凝土异形节点基于性能的设计为目标，对多路径荷载作用下钢管混凝土异形构件的多尺度地震损伤性能及分析模型进行研究，围绕4个方面开展研究：（1）钢管混凝土异形构件多路径荷载作用地震损伤试验；（2）构件、材料层次试验试件损伤性能；（3）构件层次钢管混凝土异形节点损伤分析模型；（4）材料层次钢管混凝土异形节点各部件弹塑性分析模型。.经过三年的研究，取得如下创新性成果：. (1)进行27个新型钢管混凝土异形节点试件多路径荷载作用地震损伤试验，加载路径包括低周反复加载、单调重复加载、等幅加载、混合加载，设计参数包括异形柱截面形状、柱截面肢高肢厚比、轴压比；进行13个钢管混凝土异形短柱轴压性能试验，加载路径包括单调加载、单调重复加载，设计参数包括异形柱截面形状、柱截面肢高肢厚比。. (2)从构件层次分析钢管混凝土异形节点试件破坏过程及模式、强度和刚度退化、滞回耗能、累积耗能性能及等效黏滞阻尼系数；从材料层次分析试件节点域钢腹板第一薄弱点、最薄弱点的位置，以及节点的塑性发展系数、延性发展系数的特点。. (3)基于试验结果，考虑塑性变形、加载路径和滞回耗能对节点地震损伤的影响，提出了改进的双参数损伤模型，并得出各特征点处节点的损伤指数。. (4)在钢材三折线应力-应变本构模型的基础上，结合剪力流理论建立异形钢管弹塑性分析模型；在试验结果分析和钢管混凝土统一理论基础上，建立节点域异形钢管混凝土统一材料弹塑性分析模型，并得出剪压复合作用下统一材料的性能指标。.本项目的研究成果丰富并发展了多尺度非线性分析理论、损伤力学在新型钢管混凝土异形节点损伤性能研究中的应用，解决了异形节点非线性建模和损伤研究中的若干关键技术问题，为异形节点基于性能的设计的工程应用提供了理论储备。