鋼管混凝土在抗震工程中的應(yīng)用論文
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、螺旋配筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。下面是小編收集整理的鋼管混凝土在抗震工程中的應(yīng)用論文，希望對(duì)您有所幫助！
摘要：簡(jiǎn)要介紹了鋼管混凝土的特點(diǎn)和發(fā)展史，針對(duì)前人已研究的成果，綜述了不同截面、不同空心率、不同結(jié)構(gòu)下的鋼管混凝土構(gòu)件的抗震性能，為鋼管混凝土在實(shí)際抗震工程中的運(yùn)用提供了參考建議。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；抗震性能；耗能能力
0 引 言
鋼管混凝土構(gòu)件是在鋼管內(nèi)填充混凝土。隨著高層、超高大跨度建筑的需要，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑著承載力高、造價(jià)低、施工方便、抗震性好等優(yōu)越的條件被廣泛應(yīng)用，很多研究者做了很多關(guān)于鋼管混凝土的抗震性能分析和研究，取得了很大的成果，并在抗震工程中得到廣泛應(yīng)用。
1 鋼管混凝土的特點(diǎn)
鋼管在縱向軸心壓力作用下，屬于異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)，其縱向抗壓強(qiáng)度將下降，小于單向受壓時(shí)的屈服應(yīng)力，同時(shí)鋼管是薄鋼管，單向受壓時(shí)，承載力受管壁局部缺陷的影響很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論臨界應(yīng)力計(jì)算值；對(duì)于混凝土，強(qiáng)度低，截面大，隨著混凝土強(qiáng)度增大脆性增加，而混凝土抗拉性比較差［1］。
鋼管混凝土是新型結(jié)構(gòu)［2］，正好彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，在鋼管混凝土構(gòu)件在縱向軸心壓力作用下，由于混凝土的密貼，保證了鋼管不會(huì)發(fā)生屈曲，可以使這算應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度［3］，使鋼材的強(qiáng)度承載力得以充分發(fā)揮；對(duì)于混凝土，混凝土不僅受到縱向壓力，還有受到鋼管的緊箍力，使混凝土三向受壓，使混凝土縱向抗壓強(qiáng)度提高，彈性模量也得到提高，塑性增加。
鋼管和混凝土的共同作用下，使得鋼管混凝土構(gòu)件有以下特點(diǎn)：
�。�1）構(gòu)件承載力大大提高。1976年哈爾濱鍋爐廠做了一次簡(jiǎn)單的對(duì)比試驗(yàn)，得到鋼管混凝土柱軸心受壓下承載力是空鋼管和管內(nèi)徑素混凝土柱之和的173%。
�。�2）良好的塑性和韌性。這種新結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載時(shí)，有很大的韌性，所以抗震性能比較好。
�。�3）造價(jià)低, 從很多實(shí)際工程可以看到，鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱相比，節(jié)約混凝土50％以上，結(jié)構(gòu)自重減輕50％左右，鋼材用量相等或略高，不需要模板。與鋼結(jié)構(gòu)相比，可減少鋼材50％左右。
�。�4）施工簡(jiǎn)單，可以縮短工期。
2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展史
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、螺旋配筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
在19世紀(jì)60年代前后，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在蘇聯(lián)、北美、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到重視，并開展了大量的試驗(yàn)研究，但是施工工藝得不到解決。
在19世紀(jì)80年代后期，由于先進(jìn)的泵灌混凝土工藝的發(fā)展，解決了施工工藝的問題。如1879年英國(guó)的Severn鐵路橋的建造采用鋼管橋墩，在管內(nèi)灌了混凝土防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。
1923年，日本關(guān)西大地震后，人們發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在這次地震中的破壞并不明顯，所以在以后的建筑，尤其是多高層建筑中大量應(yīng)用了鋼管混凝土。1995年阪神地震后，鋼管混凝土更顯示了其優(yōu)越的抗震性能。
鋼管混凝土在我國(guó)的發(fā)展：20世紀(jì)60年代中期，鋼管混凝土引入我國(guó)。1966年北京地鐵車站工程中應(yīng)用了鋼管混凝土柱。在70年代廠房和重型構(gòu)架也應(yīng)用了鋼管混凝土柱；80年代后，我國(guó)開展了科學(xué)試驗(yàn)研究，得到了結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法［4］。
現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)鋼管混凝土性能的研究：圓形、多邊形和方形、實(shí)心與空心、軸心受壓與偏心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定；壓彎扭剪復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定；抗震性能與抗火性能以及施工時(shí)初應(yīng)力的影響等。而且取得了很大的科研成果。
3 綜述前人已研究的鋼管混凝土抗震性能
3.1鋼管混凝土構(gòu)件根據(jù)截面形狀可以分為方形、矩形、多邊形及圓形截面鋼管混凝土構(gòu)件。
國(guó)外Shinji 和 Yamazaki 等[5]對(duì)受變化的軸力和往復(fù)水平荷載作用下的方鋼管混凝土柱的受力性能和位移進(jìn)行研究；Amit[6]做了高強(qiáng)方鋼管混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究，分別分析了高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)混凝土對(duì)構(gòu)件滯回性能的影響；Kang 和 Moon[7]考察了方鋼管混凝土柱恒軸力在低周反復(fù)荷載和單調(diào)荷載作用下構(gòu)件的承載能力和耗能能力，得到方鋼管高強(qiáng)混凝土柱滯回曲線飽滿，即使在高軸壓比的情況下，都沒有明顯的捏縮現(xiàn)象；試件有較好的耗能能力，位移延性系數(shù)均大于 3[8]。方鋼管高強(qiáng)混凝土柱與普通方鋼管混凝土柱[8]相比，有較高的彈性剛度和極限荷載；與高強(qiáng)混凝土柱[10]相比，有良好的耗能能力和更小的強(qiáng)度退化；與純鋼柱比，有良好的抗失穩(wěn)能力。
蘇獻(xiàn)祥的矩形鋼管混凝土柱在循環(huán)荷載作用下的性能研究中得到矩形鋼管混凝土柱承載力高，變形能力強(qiáng)，有較穩(wěn)定的后期承載力，延性系數(shù)在6．89～11．53[11]之間，滿足延性柱的抗震要求，矩形鋼管混凝土柱的滯回曲線飽滿，沒有明顯的“捏縮”現(xiàn)象，耗能能力強(qiáng)，具有良好的抗震性能。
隨著邊數(shù)越多，鋼管混凝土構(gòu)建的組合性能越好，產(chǎn)生的緊箍力增大，承載力增大，塑性增強(qiáng)，承載力是抗震重要指標(biāo)之一，因此圓形鋼管混凝土具有較好的抗震性能。
矩形鋼管混凝土柱與梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、連接方便，還能有效提高構(gòu)件的延性及有利于防火、抗火等特點(diǎn)，最重要的是矩形截面存在剛度的強(qiáng)軸和弱軸，它可以按要求提高強(qiáng)軸方向的剛度，而弱軸方向剛度基本不變，從而提高截面整體效果；但是矩形各邊不相等所以受到的緊箍力不同，不如方形截面受緊箍力相等。圓鋼管混凝土構(gòu)件的鋼管對(duì)核心混凝上起到了有效的約束，使混凝土的強(qiáng)度得到了提高，塑性和韌性大為改善。截面選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況抓住主要的矛盾。
3.2鋼管混凝土在房建中用于框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻、剪力墻及筒體結(jié)構(gòu)中。
Kim和 Bradford［12-13］指出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小,為了使結(jié)構(gòu)既具有較高的抗側(cè)剛度，又有較好的耗能性能和承載力。有鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究［14］得出此實(shí)驗(yàn)的P一△滯回曲線均呈現(xiàn)出飽滿的棱形，充分表明鋼管混凝土框架的耗能能力強(qiáng)和延性好。在破壞階段，梁出現(xiàn)屈服甚至屈曲，得到鋼管混凝土柱的抗傾剛度及塑性很好，整個(gè)結(jié)構(gòu)的P一△曲線無下降段，具有較強(qiáng)的變形能力。
為減小高層建筑底部剪力墻的.厚度，減緩箍筋的密集程度，提高剪力墻的抗震能力，可以采用鋼管混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，有試驗(yàn)［15］表明鋼管混凝土剪力墻試件的開裂荷載、名義屈服荷載和彈塑性變形能力都大于相同參數(shù)的鋼筋混凝土剪力墻試件，而且約束邊緣構(gòu)件為端柱的鋼管混凝土剪力墻，其變形能力大于約束邊緣構(gòu)件為暗柱的矩形截面鋼管混凝土剪力墻。
鋼管混凝土減震框架結(jié)構(gòu)在地震中消耗的地震能量相對(duì)較小，而鋼管混凝土減震框架結(jié)構(gòu)（三重鋼管防屈曲支撐）具有與鋼管混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)某休d力，并在變形能力延性和耗能能力等方面均有明顯的提高，對(duì)剛度退化和強(qiáng)度退化也有明顯的緩解，具有更合理的受力性能和破壞機(jī)制，新型三重鋼管防屈曲支撐起到良好的耗能減震作用，有效地改善鋼管混凝土框架的抗震性能［16］。
基于性能的鋼管混凝土空間筒體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［17］中得出此結(jié)構(gòu)在Y向罕遇地震作用下，單側(cè)支撐屈服，表明對(duì)于Y軸不對(duì)稱的布置，對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響顯著；結(jié)構(gòu)在X向罕遇地震作用下，個(gè)別重要構(gòu)件鋼管混凝土柱進(jìn)入邊緣屈服狀態(tài)，少數(shù)支撐和鋼梁邊緣屈服，Y向罕遇地震作用下，偏心扭轉(zhuǎn)相對(duì)較小，幾乎不進(jìn)入屈服狀態(tài)，2個(gè)方向的層間位移角均小于1/50的要求，但是結(jié)構(gòu)抗震能力完全達(dá)到了性能目標(biāo)D的水準(zhǔn)，接近c(diǎn)的水準(zhǔn)［18］，得出鋼管混凝土空間結(jié)構(gòu)在X向罕遇地震下注意重要構(gòu)件的強(qiáng)度和延性要求，在Y向罕遇地震作用下注意結(jié)構(gòu)布置對(duì)稱，避免偏心對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，只要布置合理抗震性能還是比較強(qiáng)的。
為了改善鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力性能，通常在鋼管混凝土框架中設(shè)置支撐［19-20］來提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，但是在大震作用下，支撐有可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，可以通設(shè)置剪力墻來提高抗側(cè)剛度，但剪力墻與鋼管混凝土框架的協(xié)同工作以及大震作用下鋼管混凝土框架能否成為第二道防線這些都有待研究。
3.3 鋼管混凝土可以根據(jù)鋼管內(nèi)是否充滿混凝土分為實(shí)心鋼管混凝土與空心鋼管混凝土。
實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)使結(jié)構(gòu)自重加大，地震作用下影響效應(yīng)加大，但是要根據(jù)具體工程實(shí)際的截面尺寸和承載力來決定是否采用實(shí)心鋼管混凝土。
諾丁漢特倫特大學(xué)的 Y.L. Song 等進(jìn)行了一組純空心混凝土短柱與空心鋼管混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明純空心混凝土短柱的破壞表現(xiàn)為非常明顯的脆性破壞，而空心鋼管混凝土短柱則表現(xiàn)出了較好的延性，其承載力幾乎比純空心混凝土短柱提高了50%［21-22］。
K.A.S. Susantha、Hanbin Ge 等人分析了作用在圓形、八邊形和方形鋼管混凝土柱內(nèi)填混凝土上的側(cè)壓力，指出平均側(cè)壓力極值與柱的材料和幾何特性有關(guān)，研究了各種截面形狀的鋼管混凝土柱的后期工作性能，對(duì)于混凝土強(qiáng)度和后期工作性能，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果都吻合良好［23］。
方形空心鋼管混凝土不適合應(yīng)用于需要抗震設(shè)防的建筑結(jié)構(gòu)中；而圓形截面的空心鋼管混凝土，對(duì)于不同空心率的構(gòu)件，控制適當(dāng)軸壓比的限制，能夠滿足《實(shí)、空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（CECS 254-2011）》中要求的結(jié)構(gòu)分析參數(shù)限值。為了滿足抗震的要求，規(guī)程中關(guān)于空心鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)軸壓比限值給了太大，應(yīng)當(dāng)作適當(dāng)?shù)男拚�，建議空心鋼管混凝土設(shè)計(jì)軸壓比大些，可通過計(jì)算滿足，此時(shí)構(gòu)件具有較好的抗震性能；軸壓比、空心率及截面形式都是影響空心鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能的重要參數(shù)。其影響為：軸壓比越大，滯回環(huán)小而且扁瘦，耗能能力越差，強(qiáng)度退化越劇烈，剛度退化越快，對(duì)構(gòu)件初始剛度影響不大，水平極限承載力有先增大后減小趨勢(shì)，延性減小；空心率越大，滯回環(huán)小且扁瘦，耗能能力越差，強(qiáng)度退化劇烈，剛度退化快，構(gòu)件初始剛度減小，水平極限承載力下降，延性越差；相比于等效面積相同的方形截面構(gòu)件，由于圓形截面空心鋼管混凝土中的鋼管和混凝土的組合性能比較強(qiáng)，在壓彎作用下，耗能能力更強(qiáng)，強(qiáng)度退化和剛度退化不明顯，初始剛度和水平極限承載力增大，且延性較好。
3.4 新型鋼管混凝土抗震性能
蔡克銓和林敏郎進(jìn)行了圓中空夾層鋼管混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究［24］，表明徑厚比為150和75的圓中空夾層鋼管混凝土柱的峰值應(yīng)變約為無約束混凝土的1.6～2.3倍，這說明混凝土受到了很大的約束，混凝土三向受壓使混凝土延性增加，使得破壞過程減緩。中空夾層鋼管混凝土柱的復(fù)合彈性模量為實(shí)心鋼管混凝土柱的1.5倍以上，這說明中空夾層鋼管混凝土有較高的復(fù)合彈性模量，有較高的軸向剛度。還有即使設(shè)計(jì)的中空夾層鋼管混凝土柱的軸向強(qiáng)度低于實(shí)心鋼管混凝土柱，但是抗彎能力卻比實(shí)心鋼管混凝土強(qiáng)。
在鋼筋混凝土柱的截面中部設(shè)置圓鋼管的柱,或由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土組合而成的柱,稱為鋼管混凝土組合柱,簡(jiǎn)稱組合柱；若鋼管內(nèi)外混凝土不同期澆筑,則稱為鋼管混凝土疊合柱,簡(jiǎn)稱疊合柱。錢稼茹、康洪震開展了對(duì)鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱抗震性能試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)得到試件的滯回曲線飽滿,位移延性系數(shù)都大于4,極限位移角都大于1/40,耗能能力和極限位移角大于參數(shù)相近的高強(qiáng)混凝土柱［25］。可以根據(jù)地區(qū)抗震等級(jí)選擇是否采用這種組合柱，使其滿足抗震要求，同時(shí)減少資源的浪費(fèi)。
4 結(jié)束語
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與相同參數(shù)下鋼筋混凝土柱相比有較好的承載力和塑性，因此具有較好的抗震性能。在選擇鋼管混凝土的截面形式時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，若設(shè)計(jì)部位其中一個(gè)方向軸向剛度較大，而地區(qū)地震作用不大可以選擇矩形截面；若地震作用較大時(shí)，各方向軸向剛度相差不大的情況下，可以選擇圓鋼管混凝土。對(duì)于空心率下抗震性能要根據(jù)計(jì)算，然后選擇反復(fù)荷載下承載力高和鋼管與混凝土組合性能比較好的空心率。充分利用已研究的鋼管混凝土抗震性能設(shè)計(jì)方法，計(jì)算和驗(yàn)算新型鋼管混凝土構(gòu)件是否可以既節(jié)省造價(jià)又安全可靠。
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