矩形钢管混凝土柱外加强环节点的抗剪性能和设计方法研究

In domestic technical specification, exterior-diaphragm connections have been recommended to composite structures constructed by concrete-filled rectangular steel tubular columns and H-shaped steel beams. However, the application and popularization of exterior-diaphragm connections was hampered due to the lack of relevant test data of shear performance and corresponding design method of shear bearing capacity. Therefore, experimental study, numerical simulation and theoretical analysis will be carried out in this project to investigate shear performance and design method for exterior-diaphragm connections. Low-reversed cyclic loading experiment will be conducted to obtain the shear-deformation hysteresis curves, shear strength, ductility and energy dissipation. Finite element analysis will focus on parameters typically employed in design practice. Size of steel tube, exterior-diaphragm dimension, axial strength ratio, strength of steel and concrete will be varied to determine their influence on shear behavior of exterior-diaphragm connections. Based on results of experimental study and numerical simulation, shear-resisting mechanism will be investigated and the rational design method will be proposed.

外加强环节点适用于矩形钢管混凝土柱-H型钢梁组合结构，并已在国内行业规程中得以推荐。然而节点抗剪性能试验数据缺乏和节点抗剪承载力设计方法欠缺的问题，制约着外加强环节点的应用和推广。本项目采用低周反复荷载试验、有限元模拟和理论分析，对外加强环节点的抗剪性能和设计方法进行研究。通过低周反复荷载试验得到节点的剪力-剪切变形滞回曲线，考察节点的抗剪承载力、剪切转角延性系数和耗能能力；采用有限元模拟低周反复荷载试验并进行参数化分析，研究钢管尺寸、外环板尺寸、轴压比、混凝土和钢材强度等因素对节点抗剪性能的影响；最后基于低周反复荷载试验和有限元模拟结果，分析节点的抗剪承力机制，并提出力学概念清晰、计算结果准确的外加强环节点抗剪承载力设计方法。

《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS159: 2004）和《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）将外加强环节点作为矩形钢管混凝土柱与钢梁连接的推荐节点形式。国内外学者虽然对外加强环节点展开了研究工作，但是目前对于外加强环节点的抗剪承载力和抗弯承载力计算，还没有统一、明确的计算模型，现有的理论计算结果也与试验结果的误差较大。. 为研究外加强环节点核心区抗剪性能，进行了多组的低周反复荷载试验，得到了低周反复荷载作用下节点的破坏形式、核心区剪力-剪切变形曲线和应变分布变化等数据。根据试验结果，分析了节点核心区钢管厚度、环板外伸宽度、环板厚度和轴压比等参数对于节点核心区抗剪承载力的影响。. 为研究外加强环节点抗弯力学性能，进行了多组的静力拉伸试验，分析了节点的破坏形式。通过测量柱翼缘、腹板以及外加强环板在加载过程中的应变分布及变化情况，分析了外加强环节点核心区的应力传递机制。. 对矩形钢管柱-H型钢梁外加强环节点，建立了考虑材料非线性，几何非线性的三维有限元模型，并模拟低周反复荷载试验和静力拉伸试验。对比分析了各试件的破坏形式、变形特征、荷载-位移曲线等。基于有限元模型进行了参数化分析，研究了各参数对于节点核心区抗剪承载力和静力拉伸承载力的影响。. 依据试验和有限元模拟结果，考察了外加强环板节点的传力机制，明确了节点核心区的受力机理，建立了节点核心区抗剪和抗弯计算模型，并理论推导了外加强环板节点核心区的抗剪承载力和抗弯承载力计算公式。最后，基于试验结果对理论计算结果进行了验证，证明了计算公式的准确性。