随着社会经济和快速城市化建设的发展,新建筑形式和建筑造型不断涌现,椭圆截面构件的应用日益广泛。椭圆钢管混凝土是近年来出现的一种新型组合构件形式,此类构件在建筑上能提供良好的建筑美学效果,在结构上,钢管和混凝土的协同作用能提供良好的力学性能,同时,椭圆截面的流线外形使构件具有较小的流体阻力系数。因此被逐渐应用于桥梁工程、剧院、机场航站楼等实际工程中。目前国内外学者主要围绕椭圆钢管混凝土的静力性能展开研究,而对椭圆钢管混凝土的抗震性能研究寥寥无几,这对于椭圆钢管混凝土的实际工程应用推广十分不利。因此为了更深入的了解椭圆钢管混凝土的力学性能,进一步推广椭圆钢管混凝土的工程应用,本文采用试验研究、数值模拟、理论分析等手段对椭圆钢管混凝土柱抗震性能以及椭圆截面复材管约束钢管混凝土短柱的力学性能和设计方法进行了较为系统的研究。全文的主要研究工作如下:(1)进行了 6个椭圆钢管混凝土短柱的单调轴压试验和12个椭圆钢管混凝土短柱的往复轴压试验,研究了不同椭圆截面比(长短轴长度的比值)、混凝土强度和加卸载次数对椭圆钢管混凝土短柱在单调轴压荷载和往复轴压荷载下力学性能的影响。(2)采用有限元软件ABAQUS对单调轴压试件进行了有限元模拟,有限元模型中考虑了椭圆截面造成的钢管对混凝土不均匀约束应力的影响,通过与试验结果对比验证了模型的准确性。在此基础上进行了参数分析,主要参数包括:椭圆截面比、混凝土强度和钢管屈服强度,根据参数分析结果,提出了基于叠加理论的椭圆钢管混凝土短柱轴压承载力设计公式。(3)进行了 13个椭圆钢管混凝土试件在恒定轴压荷载和单调水平荷载下的压弯性能试验和13个椭圆钢管混凝土试件在恒定轴压荷载和往复水平荷载下的抗震性能试验研究,通过观察比较试件破坏模式、水平荷载-位移骨架曲线、水平荷载-位移滞回曲线、承载力、延性、强度退化、刚度退化和耗能性能,分析了不同椭圆截面比、混凝土强度、钢管屈服强度、轴压比、长细比、弯曲方向对椭圆钢管混凝土构件抗震性能的影响。(4)基于纤维模型的理论基础,建立了椭圆钢管混凝土试件的数值分析模型,模型计算的椭圆钢管混凝土柱在恒定轴压荷载和往复水平荷载下的水平荷载-位移滞回曲线和试验曲线吻合较好。采用该数值分析模型进行详细的参数分析,进一步研究了截面比、轴压比、钢材强度、钢管厚度、混凝土强度、长细比等参数对椭圆钢管混凝土柱抗震性能的影响。并验证了我国《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中圆钢管混凝土压弯构件承载力设计公式对于椭圆钢管混凝土的适用性。(5)在试验研究和数值分析的基础上,通过参数分析,进一步研究了椭圆钢管混凝土构件抗震计算方法,建立了椭圆钢管混凝土柱的水平荷载-位移滞回模型,为椭圆钢管混凝土柱的抗震设计提供参考。(6)提出在椭圆钢管混凝土的基础上包裹复材管形成椭圆形截面复材管约束钢管混凝土构件,解决椭圆钢管混凝土柱中钢管局部屈曲、锈蚀和延性不足等问题。采用理论分析的手段建立椭圆形截面复材(文中选用了常用的碳纤维复材和玻璃纤维复材)约束钢管混凝土短柱设计模型:首先利用约束混凝土应力-应变分析模型参数分析结果,得到圆形截面复材管-钢管约束核心混凝土的应力-应变设计模型,其次,通过考虑椭圆截面与圆截面的差异,引入椭圆截面形状参数、复材体积比和钢管体积比,得到椭圆形截面复材管-钢管约束核心混凝土的应力-应变设计模型。最后,建立椭圆形截面复材约束钢管混凝土短柱的设计模型。(7)基于椭圆形截面复材管-钢管约束核心混凝土的应力-应变设计模型,根据纤维单元法,编制了椭圆形截面复材管约束钢管混凝土短柱的截面分析程序,通过截面分析程序计算了椭圆形截面复材管约束钢管混凝土短柱在轴压、受弯和压弯荷载作用下的正截面承载力。利用截面分析程序推导了椭圆形截面复材管约束钢管混凝土短柱受压区混凝土的等效矩形应力分布图,提出了椭圆形截面复材管约束钢管混凝土短柱的承载力实用设计公式。