不锈钢管混凝土桁架受力性能与设计方法研究

Concrete-filled stainless steel tubular truss are being used increasingly for offshore platform, coastal building, bridge and high durability requirement important buildings in recent years due to the aesthetic appearance, high durability, low maintenance fee and excellent corrosion resistance.The project has a systematic research on static and seismic behavior of concrete-filled stainless steel tubular truss by the ways of experimental study, theory analysis and numerical simulation.The project studies the effect of shape parameters and geometric parameters on ultimate capacity and stiffness of concrete-filled stainless steel tubular truss, constructing parametric models of ultimate capacity and stiffness of truss, establishes calculation equation of ultimate capacity and stiffness of concrete-filled stainless steel tubular truss for project design application. Failure mechanism and hysteretic behavior of concrete-filled stainless steel tubular truss under dynamic load are investigated and hysteretic model of concrete filled stainless steel tubular is constructed.Synthesizing the results of experimental study,theory analysis and numerical simulation, and conbined with reliablility level regulated by the current reliability chinese design code, design method and reasonable structure measures of concrete-filled stainless steel tubular truss in different function states are proposed. Research results can be used to guide the engineering design of the truss.

不锈钢管混凝土桁架结构由于具有外观好、耐久性好、维护费用低和耐腐蚀性好等优点，在环境恶劣的海洋平台、海岸建筑、桥梁以及一些对耐久性要求较高的重要建筑中具有较好的应用前景。项目综合运用试验研究、理论分析和数值模拟等手段揭示不锈钢管混凝土桁架结构体系的静力和动力性能。研究形状参数和几何参数对不锈钢管混凝土桁架的极限承载力和刚度的影响，构建桁架结构的极限承载力和刚度的参数化模型，建立可供工程设计应用的桁架极限承载力和刚度计算公式。研究不锈钢管混凝土桁架在动力荷载作用下的失效机理和滞回性能，构建不锈钢管混凝土桁架滞回模型。综合试验研究、理论分析和数值模拟结果，并结合我国现行可靠度设计规范规定的可靠度水准，提出不同功能状态要求的不锈钢管混凝土桁架结构体系设计方法和合理构造措施用于指导工程设计。

不锈钢管桁架具有刚度大，整体性强，维修费用低，结构美观等特点。截至目前，对于不锈钢管桁架的设计方法和受力性能的研究尚少见报到，是需要迫切解决的课题。本研究以不锈钢管桁架为研究重点，进行的主要工作如下：（1）完成了16榀不锈钢管桁架（4榀圆不锈钢管桁架、4榀方不锈钢管桁架、4榀圆不锈钢管混凝土桁架和4榀方不锈钢管混凝土桁架）的浇筑和养护等试验前准备工作，继而完成了总计16榀不锈钢管桁架的静力加载试验。根据观察到的试验现象，归纳了不锈钢管桁架试件的典型破坏模式。试验研究表明，不锈钢管桁架的破坏模式主要为节点处表面塑性、局部屈曲、焊缝破坏、弦杆弯曲和母材拉开等多重破坏形式的组合。（2）在试验的基础上，依据荷载-位移曲线得出了各试件的初始刚度、延性系数、极限承载力等一系列试验数据，研究不同节点形式、不同腹杆管径和不同混凝土填充位置对不锈钢管桁架试件力学性能的影响。（3）引入单位承载力来对不锈钢管桁架试件性能进行分析。对于不锈钢管混凝土桁架试件，不填充混凝土的不锈钢管桁架的单位承载能力最好；对于弦杆填充混凝土的不锈钢管混凝土桁架试件，上弦杆填充混凝土的不锈钢管混凝土桁架试件的单位承载能力最好。对于不同节点类型的方不锈钢管桁架试件，T形节点的方不锈钢管桁架单位承载能力最好。对于不同节点类型的圆不锈钢管桁架试件，N形节点的圆不锈钢管桁架单位承载能力最好。（4）对该类不锈钢管桁架极限承载力进行有限元校验研究，将16榀不锈钢管桁架的有限元分析结果与试验结果进行对比分析，验证有限元模型的适应性。（5）基于有限元适用性分析，本文对48榀圆不锈钢管混凝土桁架进行参数分析研究，得出该类圆钢管混凝土桁架的受力全过程和几何参数对该类桁架极限承载力的影响。并对圆钢管混凝土桁架设计方法进行分析研究，提出不同跨度圆钢管混凝土桁架相应的实用设计方法，以供工程应用参考。（6）最后，对不锈钢管桁架结构需进一步研究的难点进行讨论。