斜拉肋加劲方钢管混凝土柱及其节点的受力性能研究

Steel consumption in thin-walled concrete-filled steel tube (CFST) columns is less. Welding and construction of thin-walled steel plates can be easier. Thus, economic advantages are obvious. To facilitate the use of thin-walled and high-strength steel, enhance the confinement from square steel tubes to infilled concrete, and improve local buckling behavior of thin-walled steel tubes, this research project proposes a kind of diagonal ribs stiffened square CFST columns by welding diagonal ribs with cut-outs at adjacent sides of square steel tubes. The diagonal stiffening ribs can restrain expanded deformation due to concreting, relax the slenderness limits of steel tubes, and avoid disengagement at interfaces between concrete and steel tubes as shear connectors. Thus, structural behavior of the square CFST columns is significantly improved and the columns have great prospects of applications. This research project will investigate the axial compression, eccentric compression and seismic behavior of the diagonal ribs stiffening square CFST columns by experiment, non-linear FEM and theoretical analysis; investigate the axial compression and seismic behavior of the joints connecting the CFST columns and RC beams; and propose refined non-linear FEM model to investigate the seismic behavior of the framing structures. This research project aims to identify mechanisms of the diagonal ribs stiffened square CFST columns under the above loading conditions, propose design theory and methods, and propose earthquake-resistant detailing requirements. This research project has important significance in terms of facilitating further researches and applications of CFST structures, and improving the technology innovation ability of steel and composite structures.

薄壁钢管混凝土柱用钢量少，有利于焊接与施工，经济优势明显。为促进薄壁和高强钢材的应用，提高方钢管对混凝土的约束效应，改善薄壁方钢管局部屈曲性能，本项目提出了在方钢管中焊接开孔斜拉钢板形成的斜拉肋加劲方钢管混凝土柱。设置斜拉肋可限制混凝土浇筑引起的膨胀变形，提高方钢管宽厚比限值，也可作为剪力连接件防止界面脱空，从而提高方钢管混凝土柱的组合作用，因此，该组合柱有较大应用前景。本项目将采用试验研究、数值和理论分析结合的方法对该组合柱的轴压、偏压和抗震性能进行研究；对该组合柱与RC梁连接节点的轴压和抗震性能进行研究；然后建立精细化高效有限元分析模型，对框架结构体系的抗震性能进行分析。项目将阐明斜拉肋加劲方钢管混凝土柱、柱与RC梁连接节点及其框架结构体系的受力机理，建立设计理论和方法，提出抗震构造措施等。本项目研究成果可推动钢管混凝土结构的研究和应用，提升我国钢-混凝土组合结构技术的创新能力。

钢管混凝土（CFST）柱是高层结构和桥梁等大型重载结构常用竖向承重组合构件形式，其力学性能优越且造价适中，适合在我国土木工程建设中大力推广。薄壁钢管混凝土柱用钢量少，有利于焊接与施工，经济优势明显，但存在钢管对核心混凝土约束不足的难题。为促进薄壁和高强钢材的应用，提高方钢管对混凝土的约束效应，改善薄壁方钢管局部屈曲性能，本项目提出了在方钢管中焊接开孔斜拉钢板形成的斜拉肋加劲方钢管混凝土柱。设置斜拉肋可限制混凝土浇筑引起的膨胀变形，提高方钢管宽厚比限值，也可作为剪力连接件防止界面脱空，从而提高方钢管混凝土柱的组合作用，因此，该组合柱有较大应用前景。项目组采用试验研究、数值和理论分析结合的方法对斜拉肋加劲方钢管混凝土柱及其节点的受力性能进行了研究，按计划完成了既定的目标，取得的主要成果如下：.（1）明确了斜拉肋加劲方CFST柱的受力机理并建立了设计理论。开展了斜拉肋加劲方CFST柱的轴压、偏压和滞回试验，明确了柱在轴压和偏压作用下的受力机理和破坏模式，提出了斜拉肋合理设计参数和构造形式，明确了斜拉肋加劲方钢管的局部屈曲及屈曲后受力机理。建立了轴压和偏压作用下基于有效约束面积的斜拉肋加劲方CFST柱的简化力学模型和设计理论。确定了框架柱在压弯剪作用下的受力机理和破坏模式，明确了斜拉肋在柱端弯曲破坏和和柱剪切破坏时的作用，建立了数值模型并进行参数分析，提出了修正的塑性应力分布方法计算压弯柱的承载力，建立了短柱的受剪简化力学模型和设计方法。.（2）建立了验证的CFST柱-RC梁节点精细有限元模型，进行了轴压荷载下节点的大规模参数分析，提出了提高组合效应的构造措施，建立了节点在轴压荷载下简化力学模型和设计方法。开展了采用600MPa级高强纵筋的加劲方CFST柱-RC梁节点的滞回试验研究，阐明了柱截面受压区高度和轴压比对节点区钢筋粘结性能的影响，提出了修正的限制粘结滑移的计算方法。.（3）开发了斜拉肋加劲方CFST-RC梁框架纤维模型，建立了考虑斜拉肋加劲薄壁钢管局部屈曲的有效应力-应变模型以及考虑短柱剪切效应的剪力-剪切变形模型，明确了体系的滞回性能、屈服顺序、破坏机制、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能，探明了短柱剪切效应、钢管局部屈曲、节点模型对框架抗震性能的影响，明确了此类结构在地震作用下的动力响应、恢复力特性和耗能性能，基于参数分析和抗震倒塌分析提出了体系的设计方法。