异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱受压性能研究

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以北京“中国尊”大厦异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱框架-钢板混凝土剪力墙核心筒结构为工程背景,针对该工程异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱合理构造及受力性能关键设计技术问题,利用大型加载装置,进行了该巨型分叉柱1/10缩尺模型的轴压和偏压性能试验研究和理论分析,为该工程巨型分叉柱设计提供了依据。主要工作与贡献:  1、提出了异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱分叉节点区域的新型构造,进行了7个不同构造的1/10缩尺模型巨型分叉柱模型受压性能试验,包括3个轴压试件试验和4个偏压试件试验,研究了承载力、刚度、延性及损伤演化过程,阐明了强轴、弱轴变形特点与破坏机制,分析了新型构造对试件承载力和延性的贡献,验证了平截面假定适用性,揭示了受力机理。  2、基于试验和纤维模型法,提出了基本假定,建立了异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱承载力计算模型,给出了相应计算公式,用MATLAB语言编制了有限元非线性分析程序,进行了不同设计参数和构造的试件承载力计算,得到了承载力-位移全过程曲线,计算结果与试验符合较好。  3、基于试验和理论分析,提出了异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱设计方法与构造措施,并建立了异形截面多腔钢管混凝土巨型短柱受压承载力计算模型,在该模型中考虑了横隔板及腔体钢板对核心混凝土约束效应的影响,计算结果与试验符合较好,为该巨型分叉柱实际工程设计提供了试验和理论分析依据。  主要结论:  1、提出的异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱的分叉节点新型构造,可明显提高巨型分叉柱的受压承载力和延性,刚度退化减慢,分叉节点破坏减轻。  2、提出的异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱,从下柱截面长轴角部腔体设置圆钢管并延伸至分叉柱肢的构造措施,可明显提高巨型分叉柱受力的均匀性,增强了分叉节点区域减缓刚度和强度退化的能力,分叉柱抗压和长轴方向抗弯能力显著提高。  3、试验表明:多腔钢管混凝土巨型柱中腔体竖向肋板与腔体周边钢板形成T形截面,有效了周边钢板平面外屈曲;腔体内横隔板,将巨型柱腔体沿高度方向分成强化约束区段,在横隔板位置显著约束了腔体周边钢板的平面外鼓凸,加强了腔内核心混凝土三向受压性能;腔体内设置构造钢筋后,对腔内混凝土增强了约束和受力的均匀性,有利于其变形延性发展。  4、基于试验和纤维模型法,引入平截面假定,用MATLAB语言编制了异形多腔钢管混凝土巨型柱截面压弯承载力-变形全过程非线性分析程序,进行了计算分析,计算与试验结果符号较好,为类似构造的多腔钢管混凝土巨型柱压弯受力性能分析提供了简化的有限元分析方法。  5、提出了异形截面多腔钢管混凝土巨型柱合理设计方法和构造措施,给出了考虑多腔钢管构造对腔体混凝土约束效应的异形截面多腔钢管混凝土巨型短柱受压承载力简化计算公式,可用于类似截面多腔钢管混凝土巨型柱的设计与计算分析。
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