钢管混凝土组合异形柱住宅研究与实践进展20160108

二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.6 异形柱耐火性能试验（NALC防火板保护）
异形柱包防火板
试验前整体
试验后
钢结构防火采用蒸压轻质加气混凝土防火板（NALC），试验耐火极限超过3h，满足 《建筑设计防火规范》GB50016-2006一级耐火等级柱构件的耐火极限要求。试验结束（ 3h）时，防火板保持良好整体性，异形柱构件最高温度仅为243 ℃。
钢管混凝土组合异形柱 住宅研究与实践进展
2016年1月8日
报告内容
一、钢管混凝土组合异形柱结构形式
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
三、钢管混凝土组合异形柱结构住宅技术成果
及工程应用
一、钢管混凝土组合异形柱结构形式
组合梁 组合板 组合柱 组合结构构件 梁柱节点 钢管混凝土柱 型钢混凝土柱 铰接 内隔板节点 外环板节点 刚接 隔板贯通节点 外肋环板节点 钢管束混凝土组合结构（组合剪力墙） 半刚接 矩形截面 圆形截面 多边形截面 异形柱
单向压弯试件的破坏是绕着单轴发生的弯曲破坏；单向压弯试件钢管与连接板几 乎同时发生失稳破坏。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
双向压弯作用下L形异形柱单肢破坏比较明显
2018年1月29日 双向压弯装置示意
试件2（双向压弯）破坏形态
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
双向压弯作用下L形异形柱单肢破坏比较明显
mn Nu min N1u , ey m
2018年1月29日
mn N 2u , n m (ex ey )
mn N 3u ex m
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
压弯简化计算公式与试验、有限元比较
有限元 理论公式
e
试件 (mm)
P（kN）
-80
-60
-40
20
40
60 80 △（mm）
-80
-60
-40
P（kN）
20
40
60 80 △（mm）
-80
-60
-40
P（kN）
20
40
60 80 △（mm）
试件1
试件2
试件3
骨架曲线平缓，数值模拟结果吻合良好
试件1
试件2
试件3
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
异形柱拟静力有限元分析
一、钢管混凝土组合异形柱结构形式
提出小截面的钢管混凝土组合异形柱，可包裹于墙体内部
现实中墙角
T形柱作为建筑边柱
L形柱作为建筑角柱
2018年1月29日
一、钢管混凝土组合异形柱结构形式
提出不同构造形式的方钢管混凝土组合异形柱
焊接缀条连接式
焊接钢板连接式
直接装配式
间接装配式
无孔钢板连接式
增大了房间的使用面积、方便房间的布置 抗震性能良好
试件3
二、钢管混析
应力云图可以发现，有限元模型的屈服机制与试验吻合，服从梁端首先形成塑性铰，随 后柱脚屈服的破坏模式；计算所得的滞回曲线、骨架曲线、承载力和延性都与试验结果非常 吻合。 通过有限元参数化分析，SCFST框架实际工程中不宜将框架轴压比设计的过大，不宜超过 0.4。在工程设计中，不宜将梁柱线刚度比设计的过小，其值以0.2左右为宜。加劲肋间距与 连接板宽度之比为1.75时连接板受力情况最好。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.3 压弯力学性能研究
单向压弯作用下L形异形柱整体弯曲明显、单肢发生局部鼓曲
边肢-1（受压单肢）的局部鼓曲变形
边肢-2的弯曲变形
整体弯曲变形
试件1（单向压弯）破坏形态
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.3 压弯力学性能研究
单向压弯作用下L形异形柱整体弯曲明显、单肢发生局部鼓曲
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.5 框架的拟静力试验研究
完成了3榀双层单跨框架拟静力试验，试件破坏时整体倾斜， 梁发生波浪形变形，塑性铰首先在梁端形成
试验装置
整体倾斜
残余变形
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
滞回曲线比较饱满，显示出良好的耗能能力
试件1
试件2
耗能能力随轴压比的增 大而减小，随梁柱线刚度比 的增大而增大。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
提出了压弯荷载作用下的简化计算公式
N N1 N 2 N 3 Nex N3n N1m N 2 m Ne N n N m N m 1 2 3 y
ab m 3 n 2(a b) 3
结果与试验基本一致，组成部分的破坏顺序是：混凝土首先开裂，之后是连接 板屈服，最后钢管底部屈服并发生鼓曲；在滞回荷载下，经参数化分析可知，提高 钢材强度能有效改善SCFT柱的承载能力，但延性显著降低，耗能能力也略有下降。 混凝土强度的提高对SCFT柱在屈服前的性能和延性影响不明显。轴压比越大，SCFT 柱的延性越差，承载力也有所降低，因此对SCFT柱的轴压比应予以限制。
Pv Pc PS 0.7 tc (td Dotc ) f y 4 Do M p 1 2ts hs f y s Dotc
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验 2.2 轴压力学性能研究
进行缀条连接式短柱和长柱的轴压试验并推导计算公式
ex
(mm)
ey
(mm)
实验值 (kN)
计算结 计算结果 果 (kN) (kN) 相对误差
单向压弯试件 双向压弯试件 轴压试件
186 185 0
-83 131 0
167 131 0
980 940 2300
740 699 2113
949 891 2280
3.16% 5.21% 0.87%
将理论计算公式得出的结果与实验值进行了对比，发现误差均
研究长细比的变化对异形柱破坏形态以及承载力的影响
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
荷载(kN)
柱高1米 柱高1.5米 柱高2米 柱高2.5米
5
10 15 20 25 30 35 40 竖向位移(mm)
上图是试验得出的荷载-竖向位移曲线，从图中可以发现，与预期的规律一致， 随着长细比的增加，异形柱的刚度以及极限承载力下降，但并不明显，在较大的长细 比下仍然可以承担较大的荷载作用。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.7 相关论文成果
Ting Zhou, Zhihua Chen* and Hongbo Liu，Seismic Behavior of Special Shaped Column Composed of Concrete Filled Steel Tubes, Journal of constructional steel research，75，pp131141，2012（SCI 检索950ZS） Ting Zhou,Yumeng Jia,Minyang Xu,Xiaodun Wang,Zhihua Chen,Experimental study on the
报告内容
一、钢管混凝土组合异形柱结构形式
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
三、组合方钢管混凝土异形柱结构成果及应用
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.1 方钢管混凝土组合异形柱节点构造及 计算方法研究
提出外肋环板节点并应用于异形柱
提出了基于塑性铰线法的外肋环板节点承载力计算公式
试件2：单肢顶部与1/4柱高处发生屈曲，两面鼓曲，两面凹陷，过程中没有明显声音。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
研究连接板式长柱的轴压性能，比较得到了内填混凝土的作用
试件1（填充混凝土）破坏形态
两个试件的破坏形态 基本相同，两边肢在中部发 生很大的平面外弯曲，连接
试件2（空钢管）破坏形态
2018 年 1月29日 在5% 左右，理论值与实验值吻合较好。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
2.4 柱的拟静力试验研究
完成了3个试件拟静力试验，发现连接板能够可靠传递剪力
试件的破坏形式主要是柱底鼓曲，柱体倾斜，连接板沿着45°方向鼓曲，圆孔 变为椭圆形，部分连接板在圆孔下端撕裂，说明连接板可有效传递剪力，保证了单 2018 年1月29日 肢的共同工作。
双向压弯试件的破坏是绕着弱轴的弯曲破坏；双向压弯试件钢管发生强度破坏， 而连接板为失稳破坏，钢管先屈服，而后连接板失稳。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
研究了双向压弯荷载作用下偏心距的变化对异形柱破坏形
态以及极限承载力的影响
试件1（偏心40mm）破坏形态
试件2（偏心80mm）破坏形态
构件的破坏现象如上图所示，可以发现整个异形柱绕着X’-X’轴弯曲，而且随 着偏心距的增大，异形柱破坏时侧向挠度越发明显；由于明显的侧向变形，边肢柱柱 中受压侧出现局部鼓曲；与轴心受压的构件相比，偏心受压的构件极限承载力明显下 2018年1月29日 降。
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
滞回曲线比较饱满，呈现一定的非对称性
350 300 250 200 150 100 50 0 -20 -50 0 -100 -150 -200 -250 -300 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -20 0 -100 -150 -200 -250 -300 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -20 0 -100 -150 -200 -250 -300
二、钢管混凝土组合异形柱结构理论与试验
研究长细比的变化对异形柱破坏形态以及承载力的影响
试件3（2m）