端板螺栓连接中空夹层钢管混凝土节点的抗震性能研究

鉴于目前有关中空夹层钢管混凝土节点性能的研究缺乏而限制了其在建筑结构中的应用，本项目提出一种采用端板螺栓连接的中空钢管混凝土-钢梁组合节点形式，通过贯穿内外层柱钢管的高强螺栓与端板的共同作用来充分发挥节点域混凝土的抗剪能力，以使其具备良好的抗震性能。本项目拟采用模型试验和有限元方法研究该新型节点的抗震性能，探讨该类节点及节点域在单调荷载和水平往复荷载作用下的力学与变形性能，建立数值分析模型并进行结构的弹塑性地震反应分析。本项目预期将建立该类节点的弯矩－转角模型和节点域的剪力－剪切变形模型，得到结构的主要抗震性能指标，提出实用的抗震设计与分析方法。本项目的研究成果将有助于解决中空钢管混凝土框架及刚架节点连接的关键问题，为推广该类结构在高烈度地震区的应用具有重要的理论和工程意义，并能为我国相关规范的编制提供科学参考依据。

本项目将高强端板螺栓连接引入中空夹层钢管混凝土节点中，采用贯穿柱身的双头等长高强度螺栓将中空夹层钢管混凝土柱与钢－混凝土组合梁连接在一起，从而形成一种新型的组合节点形式。对该新型组合节点的性能进行了较为系统的试验研究、有限元模拟和理论分析。主要的研究工作如下： （1）进行了4个十字形中空夹层钢管混凝土柱与钢－混凝土梁组合节点的拟静力试验研究。以宽厚比、端板厚度、空心率、楼板等为变化参数，采用梁端反对称加载形式，研究该组合节点的破坏特征、滞回性能、抗剪性能、承载力退化、刚度退化规律、耗能特性以及应变变化等力学性能。试验结果表明：经过合理设计的节点，具有较高的的承载力、较大的初始转动刚度、良好的延性和耗能能力，说明其具有良好的抗震性能。 （3）以节点试验为模型，分析时考虑节点组件的几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，利用有限元软件Ansys对节点进行实体建模和网格划分，合理地模拟试验的边界条件和加载方式以及选择求解器，对节点受力进行全过程有限元分析。研究了端板螺栓连接节点中端板厚度对节点受力性能的影响。同时获得了许多试验中无法得到的节点细部受力特性，如节点域柱夹层混凝土受力状况等。 （4）基于对节点的传力机理分析，采用弹性方法推导了节点开裂弯矩的计算公式；对比节点各个组件所确定的最大抗弯承载力和组合梁自身的最大抗弯承载力，推导了节点抗弯承载力计算公式；运用叠加原理建立了节点抗剪承载力计算公式；采用组件法建立了节点的初始转动刚度计算模型，由此建立了节点的弯矩－转角三段线骨架曲线模型；采用试验拟合法建立了考虑或不考虑滑移效应的荷载－位移滞回曲线三折线恢复力模型。上述研究成果表明：本文提出的 端板螺栓连接钢梁-中空夹层钢管混凝土柱组合节点具有良好的受力性能，能够满足地震区的组合结构的设计要求。本文的试验和理论研究成果可作为该类型组合节点在实际工程应用中的基础试验数据和理论依据。所建议的设计方法能为我国相关规范的编制提供有益补充和参考。