圆钢管约束钢筋混凝土柱-RC梁框架结构抗震性能研究

The tubed reinforced concrete (TRC) column is a kind of composite column in which the steel tube is mainly used to provide confinement to core concrete rather than directly resist the external load by itself. Due to the advantages of high load-bearing capacity, large energy absorption capacity, good fire resistance, and simple construction, the TRC column has a great prospect of applications. Previous studies have focused on the behavior of TRC columns, but the studies on the behavior of beam to column joints are still limited. Up to now, the research on the performance of TRC multi-storey frame structures has even not been investigated. This research project will investigate the seismic behavior of the frame structures with circular TRC columns and RC beams by experiment, theoretical analysis, and finite element method. This project aims to investigate the tube confinement effects of different regions of axial loaded joints, and the shear mechanism of joints under seismic loads. Moreover, the effects of axial compression ratio, and opening ratio of joint tube will be investigated based on the hysteretic experiment of TRC frame structures. The design method of TRC joint will also be proposed based on the mechanical models. The analysis model of frame structures which taking the shear deformation of joint zone will be studied. Finally, the key performance indicators, as well as the design method of frame structures, will be proposed based on the earthquake-resistant requirements.

钢管约束钢筋混凝土柱是一种外包钢管主要用来为核心混凝土提供约束而非直接承担外部荷载的组合构件，其具有承载力高，抗震、抗火性能好，连接方便、施工简单等特点，应用前景广阔。目前，国内外相关研究多集中于构件层面，缺乏梁柱节点方面的系统研究，针对该类组合柱形成的多层多跨框架结构的研究则还未开展。为促进该类组合结构体系的推广和应用，本项目将采用试验、理论及有限元分析相结合的方法，对圆钢管约束钢筋混凝土柱-RC梁节点及框架的抗震性能进行研究，揭示节点在轴力作用下的分区域约束机理，揭示拟静力荷载工况下的节点核心区受剪机理；对该类组合柱形成的框架结构进行拟静力试验，考察轴压比、钢管开洞率等关键参数对框架受力性能的影响。通过以上研究，分别提出不同荷载工况下节点的简化力学模型和承载力计算理论；提出考虑节点核心区剪切变形的框架体系分析模型，构建不同抗震需求对应的性能指标，提出基于性能的抗震设计方法。

钢-混凝土组合结构的承载力高、刚度适宜、抗震性能好、施工效率高，在我国重点工程中得到了广泛应用。组合结构的主要形式有钢管混凝土和型钢混凝土，但钢管混凝土存在耐火极限偏低、与混凝土梁连接复杂、薄壁高强钢管难以应用等问题，而型钢混凝土也存在梁柱节点复杂、轴压比限值低、框架短柱抗震性能不足等问题。本项目研究的钢管约束钢筋混凝土结构可解决上述不足，为工程师提供组合结构的新一种选择。为促进该类组合结构体系的推广和应用，本项目采用试验、理论及有限元分析相结合的方法，对钢管约束钢筋混凝土柱-RC梁节点及框架的抗震性能进行了系统研究。按计划完成了既定目标，取得如下主要成果：.（1）钢管约束钢筋混凝土节点轴压力学性能研究。对试件的破坏模式和承载能力进行了对比分析，探讨了节点形式、节点梁数目等因素对构件轴压性能的影响。针对节点区局部削弱问题，建立了轴压力学分析模型，明确了钢管的分区域约束机理，给出了节点区补强的理论依据及设计建议。针对节点梁端联结面的直接受剪问题，建议了梁端界面直接受剪承载力计算公式。.（2）钢管约束钢筋混凝土节点抗震性能研究。基于试验结果，研究了各参数对节点破坏模式、极限承载力、耗能、刚度等的影响，对各试件的柱端位移进行了变形组成分析，对梁纵筋、节点区钢管及环筋进行了应力分析，探讨了节点区的受力机理，为理论模型的建立提供了依据。提出节点核心区受剪的约束斜压杆模型，并依据模型给出了混凝土斜压杆所提供的节点区受剪承载力、核心区钢管所提供的节点区受剪承载力的计算公式。.（3）钢管约束钢筋混凝土框架抗震性能研究。以平面框架、空间框架为研究对象，探明了框架结构中各部件的塑性发展及传力机制，基于节点域简化分析模型，采用OpenSees建立框架体系分析的纤维有限元模型，探明了影响结构失效模式和抗震性能的敏感性参数，通过IDA分析构建了不同抗震需求对应的性能指标。