由一系列钢管节点组成的钢管结构具有轻巧美观、用钢量省、力学性能好、防腐性能好、造型简捷等优点，其在大跨公共建筑、海洋平台和高耸结构中得到了广泛的应用。学者们已经对钢管节点的静力承载力、疲劳性能、动力性能等方面展开了深入研究，然而钢结构的耐火性能并不好，钢材的材性由于温度的升高而显著降低。因此，火灾是钢结构失效的重要隐患，目前对钢管节点的抗火性能研究非常缺乏。本课题首先采用三重塑性绞线原理建立高温下钢管节点承载力模型。通过数学方法建立塑性铰线方程，推导空间屈服线平面投影切向量与空间切向量的夹角，各微刚块绕屈服线的相对转角以及相邻微刚块绕中间屈服线的转角。通过建立高温下的虚功方程，借助数值分析方法，得到高温下钢管节点的极限承载力。其次，开展了一系列相贯圆钢管节点抗火试验。得到了钢管节点试件在火灾下的升温曲线、变形曲线和破坏模式；同时开展了火灾后钢管节点静力强度试验测试，对比了管节点在经历火灾前后的荷载-位移曲线和破坏模式。接着，采用有限元软件ABAQUS中的热力耦合分析模块与子程序二次开发，综合考虑钢材在常温、升温、降温、火灾后的本构关系，构建了可以模拟各类钢管节点火灾全过程力学性能的有限元模型，并利用试验数据，通过对比升温曲线、变形曲线和破坏模式验证了有限元方法的正确性。进而，深入研究了几何参数、热学参数、材料参数与荷载比对相贯圆钢管节点临界温度和耐火极限以及火灾后静力承载能力的影响，探讨了不同的破坏标志准则对钢管节点临界温度和耐火极限以及火灾后极限强度的影响。最后，基于试验测试与有限元模型推导了相贯圆钢管节点临界温度的计算方程，建立了钢管节点火灾后承载力性能评估方法与计算模型，为钢管节点的抗火设计提供参考方法，方便工程实际。

现代空心钢管结构广泛应用于大跨公共建筑、中高层建筑和海洋导管架平台中。对于跨度较大的钢管结构，由火灾引起的温度效应会对屋盖结构产生较大影响；对于高度较大且层数较多的高层钢管结构，某楼层发生的火灾可能波及其他楼层或引起整体结构的局部弱化；而对于以钢管节点为支撑骨架的海洋平台导管架结构，其主要用于开发石油和天然气等易燃物质，火灾更成为一项重大的安全隐患，因此有必要及时开展组成钢管结构的相贯焊接钢管节点的抗火性能研究。本课题拟通过理论分析、试验测试和数值模拟方法，研究钢管节点在火灾下的力学性能和破坏机理。主要内容包括建立基于塑性铰线理论高温下钢管节点承载力模型；研究高温下钢管节点的升温特性、应力变化特征、变形特征和破坏模式；研究端部约束、几何参数和初始荷载对升温过程中钢管节点抗火性能的影响；建立高温下钢管节点有限元模型并提出钢管节点临界温度方程。通过本课题研究，为钢管节点的耐火设计提供参考方法。

对组成钢管混凝土梁柱节点的基本构件的抗火性能进行了理论和试验研究；以截面形式、混凝土类型和试件曾经历的最高温度为主要参数，进行了32个钢管再生混凝土短柱和8个钢管普通混凝土对比试件火灾（高温）后力学性能的试验研究；在确定钢材和核心再生混凝土本构关系模型的基础上，建立了火灾（高温）后钢管再生混凝土短柱轴压力学性能分析的有限元模型，揭示了火灾（高温）后钢管再生混凝土短柱的工作机理；在系统参数分析结果的基础上，提出了火灾（高温）后钢管再生混凝土轴压承载力和弹性模量的简化计算公式。基于有限元软件ABAQUS建立了钢管混凝土柱-组合梁节点的理论分析模型，初步分析了影响该类节点火灾下和火灾升、降温共同作用下力学性能的主要因素；设计了8个方钢管混凝土柱-组合梁节点试件（火灾下试件6个、火灾升、降温作用下试件2个），考察梁柱弯矩比（或线刚度比）、梁防火保护层厚度、梁荷载比等参数对该类节点时间－温度关系、破坏形态、荷载-变形关系和变形-时间关系的影响规律。本项目的研究成果可为整体钢管混凝土框架结构的抗火设计及其火灾后的评估修复提供参考。 2100433B

为克服传统一维梁单元整体计算模型不能考虑节点影响、单独节点模型难以准确截取边界条件二者的缺陷，本项目采用壳单元或实体单元建立包含节点的整体结构精细化模型，建立完全精细化模型-多尺度模型-传统梁单元模型的有机联系，从宏观到微观精细化地对空间结构弹塑性破坏机理进行了研究，带节点研究结构、研究结构中的节点。选取最常见的双层网架、平面和立体管桁架、单层球面网壳、单层柱面网壳为研究对象，考虑几何和材料双非线性，精细地观察结构构件、节点、连接各细部的应力状态和变形形式，跟踪结构各个部位塑性发展（或称损伤）过程，揭示空间结构强度或稳定破坏的弹塑性受力机理，探明焊接和施工缺陷等因素的影响程度，考察结构的滞回性能和动力特性。从精细化非线性分析的角度，提出结构整体、杆件、节点、连接的设计建议，主动控制结构的破坏形态，归纳了正确的设计构造措施，使传统梁单元模型和精细化分析具有一致性，为设计和施工提供了理论依据。本课题成果主要分为三个方面：第一方面主要研究对象为平面管桁架、立体管桁架精细化极限荷载分析和破坏机理研究；第二方面主要研究内容为螺栓球节点精细化研究、网架结构极限承载力精细化分析和破坏机理、单层球面网壳结构精细化分析和破坏机理、以及焊接空心球节点参数分析；第三方面主要是考虑焊接影响的空间结构承载力精细化有限元分析、焊接球节点单层球面网壳动力极限承载力的精细化分析、和考虑杆件失稳的单层网壳稳定性精细化分析和试验研究。

为克服传统一维梁单元整体计算模型不能考虑节点影响、单独节点模型难以准确截取边界条件二者的缺陷，本项目拟采用壳单元或实体单元建立包含节点的整体结构精细化模型，建立完全精细化模型-多尺度模型-传统梁单元模型的有机联系，从宏观到微观精细化地研究空间结构弹塑性破坏机理，带节点研究结构、研究结构中的节点。选取最常见的双层网架、平面和立体管桁架、单层球面网壳、单层柱面网壳为研究对象，考虑几何和材料双非线性，精细地观察结构构件、节点、连接各细部的应力状态和变形形式，跟踪结构各个部位塑性发展（或称损伤）过程，揭示空间结构强度或稳定破坏的弹塑性受力机理，探明焊接和施工缺陷等因素的影响程度，考察结构的滞回性能和动力特性。从精细化非线性分析的角度，提出结构整体、杆件、节点、连接的设计建议，主动控制结构的破坏形态，归纳正确的设计构造措施，使传统梁单元模型和精细化分析具有一致性，为设计和施工提供理论依据。