钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能研究

Concrete-filled steel tube reinforced concrete (CFSTRC) column is consisted of concrete-filled steel tubular (CFST) column in the middle and reinforced concrete (RC) surrounded. CFSTRC columns have been used in several high-rise and super high-rise buildings in China, and they are usually connected to steel beams or RC beams in real buildings. Therefore it is of great importance to study the seismic behavior of CFDST column to beam joints..In this study, joint specimens consisted of CFSTRC column and steel beam are tested under cyclic loading at the ends of the beams and constant loading on the top of the column. The failure modes, the capacity, the internal force and deformation of the joints are investigated. A fine finite element analysis (FEA) model considering the cyclic characteristic of materials and the steel-concrete interaction is established. The parametric study is conducted by using the validated FEA model on some key parameters, such as the axial load level and properties of the panel zone, the connection details and the RC slab. The hysteretic models on the shear versus shear deformation relation of the panel zone as well as the moment versus rotation relation of the beam end are suggested. A joint macro element model is established based on these hysteretic models and the fiber element model. The seismic behavior of this kind of joints is fully assessed and some suggestions on the joint design are also proposed.

钢管混凝土叠合柱是以钢管混凝土为核心，在外围绑扎钢筋并浇筑混凝土而形成的一种构件。这类构件形式已经在国内数十座高层和超高层建筑中得到了应用。在实际工程中钢管混凝土叠合柱常和钢梁或混凝土梁连接形成梁柱节点。而目前关于钢管混凝土叠合节点抗震性能的研究还比较少。因此，开展该方面的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。.本项目深入研究钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能。开展该类节点在柱顶恒定轴压力、梁端往复荷载作用下的试验研究，分析节点的破坏形态、承载能力和内力、变形发展规律。建立考虑材料损伤和钢-混凝土相互作用的节点精细化有限元分析模型。分析重要影响因素，如核心区轴压比、节点核心区性质、连接构造、楼板等对节点抗震性能的影响。建立节点核心区剪力-剪切变形关系和梁端弯矩-转角关系滞回模型，建立基于纤维梁柱单元的宏观节点单元模型。在此基础上提出钢管混凝土叠合柱-钢梁节点的抗震性能评价方法以及设计建议。

本项目研究工作按计划完成。.基于项目研究需要，开展了多类钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能试验研究，具体包括：(1) 不同连接类型的钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能试验。分析了环板连接宽度对节点抗震性能的影响。（2）钢管混凝土叠合柱-钢梁平面节点抗震性能试验。分析了关键参数，如轴压比、梁-柱线刚度比和承载力比对节点破坏模态和承载能力的影响。（3）钢管混凝土叠合柱-钢梁空间节点抗震性能试验。研究了空间节点的破坏形态、承载能力和内力、变形发展规律。建立了考虑材料在往复荷载下的损伤、不同部位材料本构和钢-混凝土相互作用的节点精细化有限元分析模型，并用典型试验结果进行了验证。利用验证的有限元模型，分析了关键参数影响因素，如核心区轴压比、节点核心区性质，连接构造、楼板等对钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能的影响。提出了该类节点的传力机理和关键参数影响规律。通过参数分析，提出了钢管混凝土叠合构件刚度和变形简化计算方法，建立了钢管混凝土叠合构件的荷载-变形滞回关系模型，用于钢管混凝土叠合柱-钢梁节点宏观单元的建立。此外结合项目实际需求，还开展了钢管混凝土斜柱-钢梁连接节点的抗震性能试验，以及钢管混凝土构件拉弯性能试验，研究其承载力实用计算方法。综合上述研究成果，提出了钢管混凝土叠合柱-钢梁节点的抗震性能评价方法以及设计建议。.本项目的研究成果可为有关工程应用和设计规程的制订提供依据。结合项目研究工作，发表或收录期刊论文4篇（均为国际SCI期刊论文），重要国际和国内会议论文4篇（EI收录1篇），其中1篇会议论文获第24届全国结构工程学术会议优秀论文一等奖。获得授权国家实用新型专利2项。本项目研究有博士研究生1名和硕士研究生2名参加了工作。