方钢管混凝土组合异形柱结构性能与设计方法研究

The SCFST (special shaped column composed of concrete-filled square tubular) columns are composed of several concrete-filled square tubular columns connected by connection plates. The SCFST structure will be widely used in residential buildings due to its advantage of providing larger indoor space and better seismic performance. Additionally, the construction technology of SCFST is easy for builders. With an increase in both land price and need for living quality, the demand for SCFST will highly grow up. The mechanical properties of SCFST columns have been studied in the past few years. However, the seismic behavior of the whole SCFST structures needs experimental verification. In this proposal, the seismic test of SCFST structure is proposed, and the finite element model will be established. A new method of simulation called double-elements method will be presented to largely reduce calculating time without losing accuracy. Moreover, the 3D structural model of high SCFSC building will be established to analyze the structural behavior. The simplified calculating formula will be developed, meanwhile, verified by the test results. Finally, this formula will be embodied in general design software. According to the study above, the mechanical properties of SCFST structure will be determined, the design method of high SCFST structures will be proposed, and the new structure will be designed by general design software. All of these achievements are sure to supply solid foundation for extensive use in the future.

方钢管混凝土组合异形柱结构是由单根方钢管混凝土柱相互连接组成的异形柱结构，包裹在墙体内部，能够增加使用面积，具有良好的抗震能力与经济性能，而且施工工艺易于掌握，随着土地价格走高与人们对住房要求的提高，这种新型结构具有良好的发展前景。应在构件力学性能研究的基础之上，深入研究，通过框架的拟静力试验、实体单元有限元分析与简化数值模拟，明确整体结构的抗震性能；同时得到一种双单元简化数值建模方法，可推广应用到其他方钢管混凝土结构模拟中；然后通过三维结构模型的计算分析，建立小高层方钢管混凝土组合异形柱结构设计方法；最后，结合试验分析与数值模拟，推导、修正、拟合承载力计算公式，并将公式嵌入通用设计软件。通过上述研究，能够明确方钢管混凝土组合异形柱结构的力学性能与工作机制，建立小高层方钢管混凝土组合异形柱结构设计方法，提出简化计算公式并建立与设计软件的接口，为新结构的推广应用奠定理论基础。

方钢管混凝土组合异形柱由于能够包裹在墙体内部，而且抗震性能好，用钢量相比纯钢结构更为节省，因此是一种具有市场价值的柱子结构形式。.本项目在前期针对这种柱子静力性能研究的基础上，进行的主要研究内容如下：（1）完成三榀双层单跨的方钢管混凝土组合异形柱（SCFST）-H型钢梁框架拟静力试验研究，主要考察不同的轴压比和梁柱线刚度比对其力学性能的影响。由试验结果发现，框架具有良好的耗能能力和延性。（2）建立了有接触单元和无接触单元的有限元模型，对比发现，两种模型的应力变化基本同步，但有接触单元的计算所需时间是无接触单元的五倍，使用简化的有限元模型对SCFST框架进行参数化分析，考察其在不同轴压比作用下的力学性能，发现框架都有很好的耗能能力和延性。（3）完成了9根方钢管混凝土组合异形柱的轴压压弯试验和数值模拟，考察了长细比、连接板宽度、连接板厚度和偏心距的参数对轴压稳定承载力的影响，采用数值模型进行了参数分析，得到了长柱轴压和压弯的破坏模态和极限承载力值。（4）依据ANSI/AISC 360-05、GB50936、CECS159和DB29的计算方法分别推导了针对异形柱的计算公式，并提出了基于单肢失稳的叠加承载力计算方法，借助EXCEL编制计算程序，进行结果比对，发现精度良好。（5）建立12层SCFST柱框架-支撑模型，通过静力弹塑性分析法进行了SCFT柱结构体系的抗震性能研究，发现在地震下的的侧向变形分别满足弹性与弹塑性极限要求，SCFST柱模型的抗侧性能要优于相同用钢量的CFT柱模型，屈服机制为：支撑-梁-SCFST柱。（6）以滨海新区保障性住房为例，通过迈达斯数值建模和改变支撑布置位置，增设电梯井剪力墙进行参数化抗震性能分析，发现在地震作用下支撑布置在结构的最外侧对结构最有利，在电梯井处布置方钢管混凝土组合异型柱相较于布置混凝土剪力墙对结构的抗震性能更有利。.通过框架拟静力试验与长柱轴压压弯试验和理论分析，发现方钢管混凝土组合异形柱单肢能够协同受力，异形柱-H型钢梁框架抗震性能良好，提出了精确度较好的简化数值模型和承载力计算公式，并提出了小高层设计方法，通过参数分析，得到了小高层方钢管混凝土组合异形柱结构的最优布置形式，得到了精确度较高的计算公式，并编制了计算程序。.通过本项目研究，为推动方钢管混凝土组合异形柱的应用提供了技术支持。