弯曲弦杆的钢管混凝土相贯节点静动力性能与设计方法研究

Curved tubular truss structures have been widely used in big-span public buildings. Through experiment research and Finite Element Analysis, the project will study the geometrical and behavioral parameters of concrete-filled steel tube joints with curved chords, build parametric models of joints stiffness，conducts a global analysis of curved concrete-filled steel tube trusses that takes into consideration the elastic-plastic property of joints, and finally build a set of joint stiffness criteria that are applicable in engineering design. To study certain geometrical joints, a formula is developed to calculate the ultimate capacity of joints built under axis and moment in building structures. The project will research failure mechanism and hysteresis property of concrete-filled steel tube of the unstiffened joints under earthquake load, develop hysteresis models of joints, and proposes that elastic-plastic property of joints should be taken into consideration in designing concrete-filled steel joints. New explorations into this field of research include studying static mechanical property and hysteresis dynamic property of concrete-filled steel tube joints with curved chords, and developing stiffness criteria and design methods of the joints based on the overall performance of the structure

弯曲型钢管（圆管和方矩管）桁架结构是大跨度公共建筑中广泛应用的结构形式。本项目以弯曲弦杆的钢管混凝土相贯节点为对象，以试验研究和有限元分析为主要手段，研究影响节点刚度的几何特征参数和性能表达参数，构建节点刚度的参数化模型，考虑节点弹塑性性能进行弯曲型钢管混凝土桁架结构整体分析，建立可供工程设计应用的节点刚度判定准则。针对若干种几何型式节点，在建筑结构中引入计及轴力和弯矩作用的节点极限承载力公式。研究弯曲弦杆的钢管混凝土相贯节点在地震荷载作用下的失效机理和滞回性能，构建节点滞回模型；提出考虑节点弹塑性性能的钢管混凝土节点设计建议。本项目对弯曲弦杆的钢管混凝土相贯节点力学特性的研究、对节点滞回性能的研究以及对该类节点基于结构整体性能的刚度评定准则和设计指南的建立，是本领域中新的探索。

近年来出于建筑和结构的考虑，特定曲率半径的弯曲主管正在越来越多地得到应用。然而，目前没有关于主管弯曲的空心钢管节点的设计规范，更不用说主管弯曲的钢管混凝土节点。.本研究从基本的X型及T型节点入手，设计了大曲率主管的X型、T型凹侧焊接和T型凸侧焊接这三种形式的圆钢管和圆钢管混凝土节点，每种形式的节点共加工16个试件用来施加支管轴向压力，试件主管经热煨弯曲成3种不同的曲率，其中6个试件主管为弯曲的圆钢管，6个试件主管为弯曲的钢管混凝土，余下用作比较的4个试件主管为平直的空钢管和钢管混凝土。通过试验研究考察这三种形式节点的节点轴压承载力、破坏模式、变形能力、相贯区应力应变发展及主管是否填充混凝土和曲率半径对节点轴压性能的影响。主管弯曲的X型和T型钢管节点和钢管混凝土节点的极限承载力一般大于主管平直的节点。在试验基础上进行了这三种形式节点的有限元模拟，模拟的破坏模式、荷载-整体位移曲线、极限承载力和塑性区域扩展情况均与试验情况较为吻合。此外，使用通过试验验证正确的有限元模型进行三种形式圆钢管节点的参数分析，主要研究参数为支主管外径比β(=d1/d0)和主管径厚比2γ(=d0/t0)及主管曲率半径R。在参数分析的基础上，对欧三规范的X型及T型节点轴压承载力设计公式进行一定修正，引入主管弯曲影响系数，提出主管弯曲的X型、T型凹侧焊接节点和T型凸侧焊接圆钢管节点的轴压承载力建议公式，建议公式计算值与参数分析的有限元计算结果较为吻合，对这三种形式节点的设计有一定的指导意义。.对32个大曲率主管的X型圆钢管和圆钢管混凝土节点平面内和平面外受弯性能进行了试验研究。并在此基础上通过ABAQUS有限元模拟和参数分析，研究了节点在平面内和平面外受弯情况下的受力性能、破坏模式、应力应变分布、静力极限承载力以及几何参数对节点极限承载力的影响，特别是主管曲率半径对X型节点的受弯性能影响。最后得到大曲率主管的圆钢管和圆钢管混凝土节点平面内和平面外受弯承载力公式。