薄柔H型钢部分包裹混凝土组合柱框架体系的节点性能控制与设计

The plane and space frames were tested subjected to horizontal reversal force, which are made by slender H shape steel partially encased concrete (PEC) columns connected steel beam with semi-rigid and part-strength joints. Influence of occurrence order and extent of joint failure mode on ability of energy dissipation of frames were analyzed. The key parameters were put forward controlling joint failure and energy consume mode. Based on whole failure mode of frame, the necessaries element moving ductility were obtained according with structure ductility got in touch with element ductility in the end. The limits of width -thickness ratios or height-thickness ratios of column sections were gained on analyzing failure mechanism of joints and elements. Practicability and effectiveness of composite frames in earthquake areas are estimated which are made by slender H shape steel partially encased concrete (PEC) columns connected steel beam with semi-rigid and part-strength joints. The requiring part-strength of semi-rigid joint of frame is calculated on account of expectation energy consumes level. Getting in touch with ductility and bearing capacity, double design demands of elastic plasticity structures are satisfied. The optimization energy consumes organization of composed joint element come trued under earthquake loads.

针对薄柔H型钢部分包裹混凝土（PEC）组合柱与钢梁组成的平面及空间框架，采用半刚性、部分强度梁柱节点连接，在水平反复荷载作用下进行试验。研究节点破坏模式发生顺序和发展程度对框架整体耗能能力的影响, 提出控制节点破坏和耗能模式的关键参数。根据整体破坏模式，将结构延性系数和构件端部转动延性联系起来，由所需的结构延性系数和相应的破坏模式得到构件转动所需的延性，分析节点破坏模式与构件破坏模式之间的制约机制，得到组成构件截面的板件的宽厚比或高厚比限值。分析PEC柱与钢梁节点连接性能和节点破坏对框架整体结构反应的影响，对部分包裹混凝土柱复合框架结构采用半刚性、部分强度梁柱节点在地震区应用的可行性和有效性进行评估。在确保达到期望的框架耗能机构水平下，计算半刚性节点所需要的部分强度。在延性和承载力之间建立联系，满足弹塑性结构设计的双重要求，实现地震作用下节点各组成部件的最优化耗能组合。

本项目针对薄柔H型钢部分包裹混凝土组合柱（partially encased concrete composite columns，缩写为PEC柱）与钢梁组成的复合框架的性能进行研究，探究其在地震作用下的破坏模式、抗震性能及半刚性部分强度梁柱节点在地震区应用的可行性。.课题根据薄柔H型钢部分包裹混凝土组合柱的特点和节点构造要求，设计端板连接、顶底角钢连接的半刚性节点，通过理论分析、有限元模拟及试验研究等方法，分析了PEC柱与钢梁半刚性、部分强度梁柱节点连接性能和节点破坏对框架整体结构反应的影响，在确保达到期望的框架耗能机构水平下，评估了框架结构相关构件性能、富裕强度和延性性能。在此基础上，对PEC柱与钢梁组成的复合框架在地震区应用的可行性和有效性进行了评估。研究了节点破坏模式发生顺序和发展程度对框架整体耗能能力的影响, 提出了控制节点破坏和耗能模式的关键参数，实现了地震作用下节点各组成部件的最优耗能组合。有关节点的研究结果表明，PEC柱与钢梁端板连接节点的主要破坏模式有梁翼缘和腹板屈曲并形成明显塑性铰、端板断裂、核心区柱翼缘鼓曲撕裂，端板厚度和柱翼缘宽厚比是影响此类节点承载力、抗震性能的关键因素；PEC柱与钢梁顶底角钢连接节点的主要破坏模式有角钢断裂、核心区混凝土开裂，角钢厚度是控制组合节点破坏的主要因素。有关复合框架的研究结果表明，PEC柱与钢梁端板连接复合框架的主要破坏模式有梁端屈曲、端板焊缝拉脱、PEC柱脚屈服，端板厚度对复合框架的性能影响不明显；PEC柱与钢梁顶底角钢连接复合框架的主要破坏模式有角钢圆角处变形或拉断、PEC柱脚屈服，角钢厚度成为控制复合框架破坏的关键因素。.总之，通过本项目的研究可知，PEC柱与钢梁端板连接节点复合框架具有较好的承载力和抗震性能，值得在地震区推广应用，但仍有很多内容需要进一步研究和探讨。而PEC柱顶底角钢连接节点复合框架具有较好的局部变形能力，但破坏由角钢控制，不满足抗震设计规范要求。本项目的研究成果既可用于指导PEC柱组合结构节点及框架的工程实践，又可为我国编制具有自主知识产权的有关PEC结构的设计规程和施工标准，提供理论基础和实验依据。