带缺陷的钢管混凝土构件在复杂受力状态下的抗震性能研究

In the practical concrete filled steel tubular (CFST) structures, the existence of initial concrete imperfection may cause severe safety problems. Sponsored by the previous National Nature Science Foundation of China, the applicant had carried out a series of research on the behaviour of concrete filled steel tubular beam-columns with initial concrete imperfection. The real structures are often subjected to combined loading in the earthquake. However, the effects of concrete imperfection on the failure mechanism and seismic behaviour of concrete filled steel tubes subjected to combined cyclic loading are still not clear and the design approaches with taking into consideration the effect of initial concrete imperfection are still missing, which may result in unsafe situations..For this reason, this project is aiming to experimentally and theoretically study the seismic behaviour of concrete filled steel tubes with initial concrete imperfection when subjected to combined loading, including combined tension-bending, compression-bending-shear, and compression-bending-torsion. Based on the experimental and numerical results, the simplified models for predicting the ultimate strengthes and hysteretic relationships will be proposed, and some suggestions for the seismic design of concrete filled steel tubular structures will be also put forward. .The research outcome of the project will contribute to the better design of practical engineering and the modification of existing design codes, and also provide the beneficial complement for further perfecting the discipline of the CFST structures.

实际钢管混凝土结构中的脱空缺陷会使结构存在安全隐患。因此，申请者在前一个国家自然科学基金青年项目的资助下开展了带缺陷的钢管混凝土压弯构件的力学性能研究。但是在地震作用下，很多钢管混凝土结构将会处于复杂受力状态，而目前关于缺陷对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理和抗震性能的影响规律尚不明确，也尚未有考虑缺陷影响的相关设计方法，这可能会导致严重的安全事故。.本项目拟采用试验研究和理论分析相结合的方法，研究带缺陷的钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理和抗震性能，具体包括研究构件在拉弯、压弯剪和压弯扭复合受力作用下的滞回性能，在此基础上提供考虑缺陷影响的钢管混凝土构件在复杂受力状态下的承载力相关方程和恢复力模型的实用计算方法，并提供相关抗震设计建议。.本项目的研究结果可为更安全合理地设计钢管混凝土结构提供参考，为相关设计规范的制定或修订提供依据，并为进一步完善钢管混凝土学科提供有益补充。

脱空缺陷会使钢管和混凝土在界面上发生分离而破坏二者间的相互作用，导致构件力学性能指标有所降低，使实际结构可能存在着安全隐患。本项目在充分调研的基础上将工程问题进行科学提炼，以从实际工程中凝练出的两种脱空缺陷（球冠形脱空和环向脱空）为研究对象，以钢管混凝土结构受地震作用而处于复杂受力状态下的典型受荷工况为背景，采用试验研究和理论分析相结合的方法，系统开展了带缺陷的钢管混凝土构件在拉弯、压弯剪、压弯扭复合受力作用下的抗震性能研究。首先，开展了相关单调加载试验研究，考察了一次加载作用下脱空缺陷对钢管混凝土构件的工作机理和力学性能指标的影响；然后，完成了带缺陷的钢管混凝土构件在拉弯、压弯剪、压弯扭滞回作用下的试验研究和有限元分析，考察了脱空缺陷对构件极限承载力、刚度、延性和耗能等抗震性能指标的影响，并通过有限元模型细致剖析了脱空缺陷对构件受荷全过程中的接触应力等工作机理的影响，以明晰脱空对钢管和混凝土之间相互作用的影响实质。试验和理论分析结果均表明：无论是球冠形脱空还是环向脱空均对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的抗震性能有不利影响，且随着脱空率的增大其影响程度也相应更加显著。从机理上看，脱空会破坏或削弱钢管和混凝土之间的“组合作用”，一方面削弱了钢管对混凝土的约束作用，另一方面也削弱了混凝土对钢管的支撑作用，使二者的共同工作程度有所降低。相较而言，环向脱空的影响比球冠形脱空更加显著。最后，在系统的参数分析的基础上，本项目提出了适合工程应用的最大脱空率限值，以及考虑缺陷影响的承载力实用计算方法，可为工程方案论证提供参考，为设计、安全评估提供依据，也可为相关规范、规程的制定和修订提供条文内容。研究成果在一定程度上探索和解决了钢管混凝土学科中长期未解的一个科学问题，有助于钢管混凝土学科体系的完善，也优化了钢管混凝土的设计理论。