新型方钢管混凝土梁柱框架结构节点抗震性能研究及充填密实度预测

采用钢管混凝土结构的建筑在地震区应用所获得的综合经济效益已是不争的事实。本研究首次提出一种自密实混凝土充填新型钢管混凝土柱-钢管混凝土梁框架结构。首先，以关系到整个建筑结构安全和造价的关键部位梁柱节点为研究对象，进行节点连接形式设计，通过低周反复加载试验，观察节点破坏形式，分析节点延性系数、刚度退化、耗能能力等抗震指标，验证节点抗震性能，并采用与有限元数值模拟相结合的方法，深入系统了解节点受力机理，获得轴压比、核心区混凝土强度及连接件尺寸等因素变化对节点受力性能的影响规律，提出节点设计方法。在此基础上，针对梁柱整体框架结构，采用可视化混凝土模型充填模拟试验，实现对自密实混凝土在钢管内充填密实度预测，掌握自密实混凝土砂浆相和粗骨料相在管内经长距离流动后的变化趋势及分布规律，提出避免离析现象产生的应对方法，为工程实践应用提供理论指导。该研究对促进钢管混凝土结构推广、提高工程结构抗震有重要意义。

钢管混凝土结构由于自身的诸多优点，在建筑结构中突显独特的优势，近年来在工程中得到越来越广泛的应用。本项目针对所提出的采用自密实混凝土充填新型方钢管混凝土梁柱框架结构节点展开相关实验研究及有限元分析，主要完成的工作包括：(1) 进行了新型方钢管混凝土梁柱框架结构节点设计，通过低周循环荷载试验获得了新型方钢管混凝土梁柱节点梁端荷载-位移滞回曲线，分析了节点延性系数、强度及刚度退化、耗能能力等抗震指标，实验结果显示试件梁端达到极限荷载后仍能表现出良好的延性及变形能力，具有较高的承载力和耗能性能，表明该节点良好的抗震性能。(2) 利用有限元分析软件建立了节点有限元计算模型，完成了节点试件在低周循环荷载作用下的滞回性能非线性模拟计算。经与实验数据相比较，结果表明经过合理的参数设置以及近似实际的荷载工况模拟，该计算模型基本可以有效、真实的反映新型节点形式的抗震性能趋势。(3) 通过有限元分析软件完成了对梁根部焊接和未焊接加强板的节点在低周循环荷载作用下的滞回性能非线性模拟计算。结果表明梁根部焊接加强板能够有效提高节点梁端承受荷载和节点延性。(4) 通过有限元分析软件完成了节点试件在轴压比、核心区混凝土强度改变等不同参数变化情况下于低周循环荷载作用下滞回性能计算分析。结果表明轴压比改变对梁端承载力及延性影响较为显著，随着轴压比的增大，节点的承载力有一定的提升，但当增加到一定轴压比时，节点试件的承载力、延性有所下降，强度及刚度退化现象比较明显；节点试件在各阶段的承载力会随着混凝土强度等级的提升有所提高，但相对于轴压比变化的影响不为显著。(5) 通过混凝土可视化模型模拟实验，获得自密实混凝土砂浆相及粗骨料相在钢管内经长距离流动后的变化趋势及分布规律。通过该充填模拟实验结果可以预测，对于新型钢管混凝土梁柱框架结构，采用实际自密实混凝土填充时，通过严格控制好其配合比而获得钢管内良好的填充效果是可行的。. 本阶段研究结果表明新型方钢管混凝土梁柱节点具有良好的抗震性能，连接形式简洁，安装简便，无现场施焊要求，对工人技术要求不高，浇筑时无需支模拆模工序，且采用自密实混凝土充填具有良好的填充效果，便于施工，有利于推广发展。