随着东北老工业基地的振兴发展,既有建筑的套建增层改造已经成为土木工程领域关注的热点话题。套建增层包括协同式和分离式,分离式套建增层可在原有建筑上跨越且与原建筑二者分离,独立承担和传递增层部分荷载至新增基础。所以套建增层适合低矮既有建筑的增层改造。尽管钢结构以其承载能力大、重量轻、节约工时及造价低等诸多优点,被广泛应用于民用与工业建筑体系中,但既有建筑增层与常规新建建筑有所差异,需要提供更大的跨度跨越原有建筑,这样常规的钢结构体系就难以满足套建增层的需要。基于此作者提出了一种钢框架结构的演变形式,即以矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱为框架柱,以矩形钢管混凝土翼缘的工字型蜂窝组合梁为框架梁的新型框架形式,二者之间通过整体式节点连接,为减小组合梁的挠度,可在组合梁下翼缘钢管中布置预应力筋并在整体式节点的端部实现预应力筋的张拉和锚固。该组合柱翼缘采用钢管混凝土的构造形式,钢管对混凝土可产生连续约束效应,使混凝土处于三向受压状态;反之混凝土可防止钢管发生局部屈曲,借助内填混凝土的支撑作用,增强钢管壁的几何稳定性,改变钢管的失稳模态,从而提高其承载能力。钢管混凝士利用钢管和混凝土中材料在受力过程中的相互作用即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。同时,由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲并保证其材料性能的充分发挥;在钢管混凝土的施工过程中,钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。总之,通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点,这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。该组合柱翼缘双肢钢管混凝土之间采用蜂窝型腹板,不仅将独立双肢柱有效连接成整体,且大大减轻结构的自重;管线系统和设备可以通过蜂窝来减小楼层高度;另外,当蜂窝型组合柱置于建筑外侧可以使建筑物更加美观。本文主要的研究工作如下:1、开展矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合短柱的轴压性能研究,以套箍系数、混凝土强度等级、腹板厚度和剪跨比为控制参数,开展16个矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合短柱STHCC的轴压试验研究,研究不同控制参数对STHCC短试件极限承载力的影响规律。最后依据试验研究给出该类组合短柱的极限承载力计算公式,并给出了相应的设计方法及设计建议。2、开展矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱的特征值屈曲性能研究。利用ABAQUS有限元软件开展特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。通过引入L/1000的初始缺陷并采用简化的钢材本构模型和考虑套箍效应的混凝土本构模型开展非线性屈曲分析。通过与19个已开展试验的钢管混凝土中长柱和11个矩形钢管翼缘的H型蜂窝钢柱对比验证了有限元建模的正确性。进一步建立18个矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱(C-12-C-29)的有限元模型,开展组合柱的特征值屈曲分析,研究了截面形式、试件长度、约束方式、混凝土强度等级及加劲肋添加方式对稳定承载力的影响规律,通过分析可以看出在矩形钢管翼缘内添加混凝土和加劲肋可提高组合柱的稳定承载力。基于参数分析结果,通过引入混凝土影响修正系数β*建立了STHCC的特征值屈曲荷载计算公式并给出相应设计建议。3、开展矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱的非线性屈曲性能研究。利用ABAQUS有限元软件开展特征值屈曲分析和非线性屈曲分析并进一步与4个已开展试验的上翼缘为矩形钢管混凝土的工字梁试验结果进行对比验证有限元建模的正确性。建立30个矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱的有限元模型,开展组合柱的非线性屈曲分析,研究了混凝土强度等级、名义长细比、套箍系数及翼缘宽度对非线性稳定承载力的影响规律。通过分析可以看出套箍系数和名义长细比对组合柱的非线性稳定承载力影响较大。基于参数分析结果,建立了STHCC的非线性屈曲荷载计算公式并给出相应设计建议,为该类组合柱在实际工程中应用奠定了基础。