钢管约束混凝土结构技术研究与应用二-兰州大学土木工程与力学学院.PDF

一、项目名称：钢管约束混凝土结构技术研究与应用 二、申报奖种：科技进步奖 、项目简介 钢-混凝土组合结构 （简称：组合结构）的承载力高、刚度适宜、抗震性能 好、施工效率高、经济和综合效益好，在我国的重点工程中得到了广泛应用。组 合结构的主要形式是钢管混凝土和型钢混凝土，但钢管混凝土存在耐火极限偏低、 与混凝土梁连接复杂、薄壁高强钢管难以应用等问题，而型钢混凝土也存在梁柱 节点复杂、轴压比限值低、框架短柱抗震性能不足等问题。本项目研发的钢管约 束混凝土结构技术 （包括两种：钢管约束钢筋混凝土、钢管约束型钢混凝土）， 解决了两种传统组合结构的相关技术难题，为工程师提供了组合结构的第三种选 择，有力地推动了组合结构的发展。 项目组在国家科技计划、国家自然科学基金及企业科技项目的资助下，历时 近20 年，通过大量理论研究、模型试验、数值模拟和工程实践，对钢管约束混 凝土结构技术开展了全面深入的研究和应用，取得了系统的技术成果。项目的主 要创新性技术内容： 1. 提出新构件和新节点，形成新结构： 提出钢管约束型钢混凝土构件，并将钢管约束钢筋混凝土构件从加固领域引 入新建结构领域；针对新建结构，分别提出了钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型 钢混凝土的新型梁柱节点形式；将两种钢管约束混凝土构件及其新型梁柱节点与 传统的结构体系相结合，形成了钢管约束混凝土框架、钢管约束混凝土框架-混 凝土剪力墙/筒体、钢管约束混凝土桥梁等新型结构。 2. 钢管约束混凝土构件的静力性能与设计技术 对钢管约束混凝土的本构关系、轴压力学性能、偏压力学性能进行了系统的 研究。针对两种钢管约束混凝土构件，提出了受钢管约束混凝土的应力-应变关 系模型，提出了短柱轴压承载力和中长柱轴压稳定承载力计算方法，提出了偏压 短柱的截面轴力-弯矩相关技术方法，提出了偏压中长柱的稳定承载力计算方法， 提出了构造措施；解决了国内外缺少钢管约束混凝土构件成套设计技术的问题。 3. 钢管约束混凝土构件的抗震性能与设计技术 对两种钢管约束混凝土构件的抗震性能进行了系统的研究，包括以弯曲破坏 为主的框架中长柱和以剪切破坏为主的框架短柱。提出了考虑钢管约束时变效应 的中长柱滞回曲线纤维模型数值计算方法，分别建立了中长柱和短柱的荷载-变 形恢复力模型，提出了框架柱的抗剪承载力计算公式，提出了轴压比、钢管径厚 比、方钢管设肋等构造措施；解决了国内外缺少钢管约束混凝土框架柱成套抗震 设计技术的问题。 4. 钢管约束混凝土构件的抗火性能与设计技术 对两种钢管约束混凝土构件的抗火性能进行了系统的研究。提出了火灾下和 火灾后两种钢管约束混凝土构件的受力全过程分析方法，提出了轴压和偏压短柱 及中长柱的火灾下承载力简化计算方法，建立了完整的抗火设计方法，提出了构 造措施；解决了国内外缺少钢管约束混凝土构件抗火设计技术的问题。 5. 钢管约束混凝土结构的节点及整体结构抗震性能与设计技术 对两种钢管约束混凝土结构的梁柱节点及结构体系的抗震性能进行了系统 的研究。建立了梁柱节点核心区的抗震受剪承载力计算方法，建立了钢管约束混 凝土柱-钢梁框架节点区的钢管-混凝土界面受剪承载力计算方法，提出了全面的 节点构造措施；对钢管约束混凝土框架、钢管约束混凝土框架-混凝土剪力墙/筒 体等整体结构进行了深入研究，建立了钢管约束混凝土结构的罕遇地震弹塑性分 析成套技术，提出了结构体系设计方法；解决了钢管约束混凝土用于新建结构时 节点和结构体系设计技术缺失的问题。 本项目的系统研究成果已被我国行业标准 《钢管约束混凝土结构技术标准》 （已报批）完整采纳；研究成果获发明专利8 项，出版学术专著1 部，发表学术 论文80 篇 （其中论文42 篇），培养硕士和博士研究生22 名。 四、主要完成单位 重庆大学、哈尔滨工业大学、兰州大学为项目主要完成单位。 五、创新推广贡献 与传统的组合结构相比，本项目提出的钢管约束混凝土结构承载力高、抗震 抗火性能好、施工方便，可降低结构竖向承重体系造价约15%以上，且钢管约束 混凝土柱可解决高层大跨结构底层柱采用钢筋混凝土难以满足抗震要求而采用 钢管混凝土则节点复杂的问题，经济效益和综合效益显著。 2007 年开始，项目组成员即在全国推广钢管约束混凝土结构技术，先后在 大连中国石油大厦、哈尔滨科技创新大厦、淮南体育馆、大连奥体中心（体育馆、 体育场、网球场）、黑龙江东极宝塔、哈尔滨投资大厦、海南东软软