西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘要钢管混凝土结构具有强度高、延性好、抗震性能优越、旌工方便等特点。开展钢管混凝土梁柱节点的抗震性能研究，对于了解节点的力学性能，改善节点构造，促进钢管混凝土结构在地震区的推广应用具有重要的理论意义和工程应用价值。本文在总结分析了国内外在工程实践中关于钢管混凝土节点研究和应用现状的基础上，通过中柱和边柱共4 个节点试件的低周反复循环加载试验，得到不同轴压比对节点的滞回性能、强度与刚度退化、延性等的影响。并通过理论分析，应用统一理论提出了节点核心区的承载力计算公式和节点抗震验算公式。此公式能反映轴压比的影响，结论相对比较完善，公式的力学概念比较明确简单，其计算结果安全合理，可供实际工程设计参考。最后利用大型非线性有限元软件A N S Y S 模拟分析了节点的受力性能，考察了轴压比大小对节点承载力的影响，结果表明：节点自晴限元分析结果与设计计算结果相吻合，证实了节点抗震设计的合理性和可行性。 关健词 ：钢管混凝土节点非线性有限元统一理论设计方法西南交通大学硕士研究生学位论文第J l 页A b s t r a c tT h ec o n c r e t e f il l e ds t e e lt u b u l a rh a st h es p e c i a lp r o p e r t i e ss u c ha sh i g hs t r e n g t hg o o dd u c t i l i t yb e t t e rs e i s m i cb e h a v i o ra n dc o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n S t u d yo nt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m nt ob e a mj o i n t sh a s t h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dh u g ee n g i n e e r i n gv a l u e sa n da l s oh e l p st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i cb e h a v i o ra n dc o n f i g u r a t i o no ft h ej o i n t st op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no ft h i sk i n do fc o m p o s i t es t r u c t u r e si ns e is m i ca r e ao fc h i n a B a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc o n c r e t e f i l l e dt u b u l a rc o l u m nt ob e a mj o i n si nC h i n aa n da b r o a da c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，f o u rs p e c i m e n st h a tt h ej o i n t sc o m p o s e db yc o n c r e t ef i l l e dt u b u l a rc o l u m na n dI s h a p es t e e lb e a md i v i d e da st w og r o u p sh a v eb e e nt e s t e du n d e rc y c l i c l o a d i n gi nt h i sp a p e r T h ei n f l u e n c e sb e t w e e nf o r c ea n dd i s p l a c e m e n td e g r a d a t i o n so fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s sd u c t i l i t yo ft h e s ef o u rj o i n t su n d e rd i f f e r e n ta x i a lc o m p r e s s i o nr a t i o sw e r ep r e s e n t e d A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e o r y ，t h el o a d c a r r y i n gc a p a c i t yf o r m u l a t i o nf o rj o i n tc o r ez e r oi sa l s og i v e nb yt h eu n i t e dt h e o r y ，i tc a ne x p r e s st h ec h a n g ef o ra x i a lc o m p r e s s i o nr a t i oo fc o l u m n ，t h i sf o r m u l a t i o ni Sm u c hb e t t e r ，s i m p l ea n ds a f e t y ，S Ot h e yc a np r o v i d et h er e f e r e n c et ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g n F i n a l l yu s et h eN o n l i n e a rF i n i t eE l e m e n tm o d e la n a l y s i st h ec a p a c i t yb e h a v i o ro fj o i n t s T h er e s u l tc a ns h o wt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ej o i n t s A n dt h e nt h ef a c t o r so ft h ei n f l u e n c e so fj o i n t sc a p a c i t yb e h a v i o rc a nb ea n a l y z e db yc h a n g i n ga x i a l西南交通大学硕士研究生学位论文第l II 页c o m p r e s sf o r c er a t i o T h er e s u l t ss h o wt h a tag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h ed e s i g na n da n a l y t i c a lr e s u l t ，t h a ti tm e e t st h es e i s m i ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h a tc o n f i r m st h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h en e wm e t h o d K e yw o r d s C o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r ，J o i n t ，N o n l i n e a rF i n i t eE l e m e n t ，U n i t e dT h e o r y ，D e s i g nm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文董1 页第1 章绪论1 1 钢管混凝土结构的概述钢管混凝土结构是将混凝土注入封闭的薄壁钢管中形成的一种组合结构，它是劲性混凝土、螺旋配筋混凝土以及钢管结构的基础上演变发展起来的一种新型组合结构。它能充分发挥钢管与混凝土两种材料的特点，且具有强度高，重量轻，塑性与韧性好，抗震性能佳的特点。最早采用此种结构的工程之一是英国修建的赛文铁路桥墩，随后又被用做单层或多层工业厂房的结构柱。如今随着科技的发展，钢管混凝土结构已适应现代工程技术的需要，正向大跨、高耸、重载方向发展，而且还被越来越广泛的应用于高层、超高层建筑中，并取得了良好的经济效益和建筑效果n 。然而随着建筑结构的高度和跨度的不断扩大以及抗震要求的不断提高，钢管混凝土柱与梁的连接部位节点成为钢管混凝土结构设计与旖工中的难点，也是最关键的部位，其合理与否将关系到结构的安全与整个工程的造价。特别是对于节点抗震，工程技术人员尽管进行了大量节点抗震性能的理论分析与试验研究，解决了一部分工程应用问题，但就其节点抗震设计方面而言几乎涉及的很少，究其原因可能是观念上与方法上的问题，人们用传统的观念认为钢管混凝土结构中钢管可作为密排的螺旋箍，因而不必计算即可满足要求。方法上则因节点形式多种多样，难以获得统一表达式，现在我们应用钢管混凝土的组合性能指标来做抗震设计与验算，则上述问题就可以得到解决n 1 。1 2 钢管混凝土结构抗震性能的研究发展状况国内外学者对钢管混凝土的抗震性能研究主要是模拟地震荷载作用西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页下结构的强度、刚度和延性。他们已对钢管混凝土构件在拟静力荷载作用下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究。其中在钢管混凝土柱的轴压、偏压、抗弯以及压弯构件的滞回性能试验研究中取得了不少成果，对钢管混凝土柱与粱的节点而言，国内外只对其静力性能的研究得一定进展，并提出了用于弹塑性地震反应来分析构件的恢复力模型。1 2 1 国外对钢管混凝土构件的抗震性能试验研究国外一些学者在2 0 世纪就开始对钢管混凝土结构进行了研究，他们的研究主要集中在对钢管混凝土整个结构或单个基本构件，包括分析其工作性能、承载力计算、设计方法，节点构造、施工技术以及动力性能研究等多个方面。1 、国外对钢管混凝土柱与梁的试验研究最早开展研究的是日本的九州大学，在1 9 6 5 年就进行了钢管配筋混凝土的拟静力试验，获得了柱的滞回曲线，并进行了理论分析，随之使钢管混凝土动力性能的研究逐步深入和细致。T o m i i 等通过拟静力试验研究了钢管混凝土短柱的延性和耗能能力n ；S a k i n o 等通过拟静力试验分析了试验参数对构件抗震性能的影响n ，：M a t s u i 等对钢管内壁有凸肋的方钢管混凝土柱进行了拟静力试验，结果表明内凸肋提高了钢管与混凝土之间的约束效应，延性和耗能能力明显好于没有内凸肋的方钢管混凝土柱m ；O k a m o t o 等对离心法预制的灌高强混凝土的矩形钢管混凝土柱进行了拟静力试验，结果表明柱的滞回曲线呈纺锤型且延性很好m 。Y a m a k a w a 等通过拟静力试验研究圆钢管配筋混凝土短柱的承载能力、延性和耗能能力，但由于纵筋较多，钢管与混凝土之间的约束效应变小，导致滞回曲线有一定的捏缩，另外配筋还造成钢材的浪费，并增加了篪工难度n ，i在2 0 世纪八、九十年代，N a k a n i s h i 等通过拟动力试验研究了在地震荷载作用下已破坏的钢管混凝土柱的极限强度、刚度和延性，试验获得的西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页水平力与水平位移滞回曲线仍很饱满，极限强度和延性优于相同截面的钢管柱m ：S u n 等对内加钢管的套管型方钢管混凝土柱进行了拟动力试验，研究了其极限承载能力和延性，结果表明在地震荷载作用之后，这种钢管混凝土柱不