文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 钢管混凝土.doc

钢管混凝土.doc

Concrete-filled steel tubular and its seismic behavior

**, **,**

Abstract: The first part of the article focuses on the basic knowledge about the CFST, including its definition, classify, principles, advantages and disadvantages, engineering application, Research Actuality and so on .The left part mainly choices one frontier research called the seismic behavior of CFST as the topic .We analysize this problem from three aspects which are the seismic behavior of basic structure, the seismic behavior of frame construction and the seismic behavior of special CFST.

Keywords:CFST; principle; advantage and disadvantage; engineering application; Research Actuality; seismic behavior

钢管混凝土和它的抗震性能

**,**,**

【摘要】本文前半部分重点介绍了钢管混凝土(Concrete-filled steel tubular,简称CFST)的基本相关知识,包括其定义、分类、工作原理、优缺点、工程应用和国内外研究现状等六个方面;后半部分主要选择了一个前沿研究方向——钢管混凝土的抗震性能来进行讨论,研究的侧重点依次为基本结构抗震性能、框架结构抗震性能和特殊钢管混凝土的抗震性能。

【关键词】钢管混凝土;工作原理;优缺点;工程应用;国内外研究现状;抗震性能

1 引言

钢管混凝土的最早发展起始于1897年美国人Lally 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(称为Lally柱) ,至今已有110年的历史。1930年,法国在巴黎郊区建造了一座跨度9m的上承式钢管混凝土桥。1937年,前苏联列宁格勒建造了横跨涅瓦河的下承式钢管混凝土拱桥( 跨度101m)。1939年前苏联在西伯利亚建成了跨度140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。自此,钢管混凝土的应用前景越来越广阔,相关研究也越来越深入,同时这个课题又历久弥新,至今仍吸引着无数学者投身其中[1]。

2 定义

钢管混凝土(Concrete-filled steel tube ,简称CSFT)是将混凝土灌入钢管而形成的一种组合材料。构件型式包括内填型、外包型和内填外包型三类。钢管可以是圆钢管, 也可以是方钢管或八角形钢管等,混凝土可以是素混凝, 也可以配有钢筋。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。

3 分类

钢管混凝土从其截面来看通常被分为六类,分别是空心四边形、空心八边形、空心圆形、实心四

边形、实心八边形和实心圆形。

4 工作原理

在钢管中填充混凝土,在力的作用下,混凝土对钢管有力的作用,但同时钢管约束了混凝土(类比箍筋),使管内混凝土处于三向受压的应力状态(简述三向受压),延缓其纵向微裂缝的发生和发展,从而提高其抗压强度和压缩变形能力。借助内填混凝土的支撑作用,增强钢管壁的几何稳定性,避免发生受压失稳破坏,从而提高其承载能力。由于钢管和核心混凝土的相互作用,受力处于复杂状态,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用,使钢管内部的混凝土处于三向受压状态,使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大,施工成本较高。相比之下,方钢管混凝土结构的施工较为方便,但钢管混凝土受到的约束作用较小,结构的承载力较低。

5 优缺点

5.1在普通结构中应用的优点

5.1.1 承载力大大提高

经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之

和的17~20倍。

5.1.2具有良好的塑性和抗震性能

据有关实验数据表明:钢管混凝土轴向压缩到原长的2/ 3, 构件表面已褶曲, 但仍有一定的承载能力。可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下,水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满,吸能能力很好,基本无刚度退化,抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。

5.1.3经济效果显著

据有关数据表明,和钢柱相比可节约钢材50%左右, 造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混凝土70%左右, 减轻自重70%, 节省模板100%,而用钢量相等或略多。这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明,前苏联的某铁路桥与钢拱桥相比节约钢材52%,降低造价20%。大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝柱与常规设计钢柱相比,节省钢材56%。美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50% ,总造价降低30%。

5.1.4 施工简单,可以大大缩短工期

美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层,速度之快是其它结构无法相比的。该种结构形式和钢结构相比零件少, 焊缝短,可以采用构造简单的插入式柱脚,免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比,由于钢管本身就是耐侧压的模板,因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是钢筋,它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程讲,制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多, 而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件, 在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用,节省了许多支撑构件和脚手架,简化了施工安装工艺。在北方严寒地区, 还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。开春后再浇灌混凝土, 从而争取了时间,加快了建设速度。

5.2钢管混凝土在高层建筑中应用的优点

5.2.1钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高

经实验证明, 钢管混凝土柱抗压承载力为混凝土柱的一倍以上,同时抗剪承载力也比钢筋混凝土柱高许多。和钢柱相比,抗压承载力虽略低,但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好, 防止了管内砼的脆性破坏。在高层建筑中可以做到不限制轴压比。这是钢筋混凝土结构无法做到的。在截面上可以比砼结构构件减小50%以上。北京国际贸易中心塔楼的八根钢管混凝土柱截面为Φ1400*30,而采用钢筋混凝土时,截面尺寸要做到2200 *2200mm,截面减少2/3。深圳赛格广场大厦的受力最大柱,受轴向力N=90000kN,采用钢管砼柱为Φ1600*28,如采用钢筋混凝土柱要做到2400*2200mm,减少了63%的截面[4]。

5.2.2扩大了使用空间

由于钢管混凝土柱的承载力高,不但柱子截面小,而且还可以采用大柱网, 大空间的框架结构体系。经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3% ~ 6% ,以深圳赛格广场大厦为例, 总建筑面积16万平方米,按5%计算就可以增加使用面积8000平方米, 相当于多建出一个中型写字楼。

5.2.3 柱子截面减小对结构抗震有利

和钢筋混凝土柱相比, 钢管混凝土柱的自重大幅度减小, 地震作用引起的地震反应也将减小。具有关资料分析, 高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/ 3~ 1/ 2,地震作用引起的地震反应可以减小一半, 相当于设防烈度下降一度。做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。

5.2.4柱子截面减小,降低了地基基础的造价

采用钢筋混凝土的高层建筑, 其自重一般为 1.5t/ ㎡~ 2t/㎡(不包括基础)而采用钢管混凝土柱钢梁结构时,一般自重都小于1t/㎡,在国外,有低达0.5t/㎡~ 0.6t/ ㎡的例子。显然, 和采用钢筋混凝土结构相比,采用钢管混凝土柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上,自然,基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价[5]。5.2.5钢管混凝土柱的钢管较薄,简化了施工

在高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土柱时,钢管厚度一般不超过40mm,而采用钢结构时,需要的钢板厚度可达80~ 100mm 甚至更大。这样的厚板,目前国内的产品质量保证率很低,大部分需要国外进口。同时对厚板制作与对接焊接质量要求也很高,特别是现场进行柱段对接焊接相当困难,有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。

5.2.6 钢管砼柱的耐火性能好

由于钢管内灌有混凝土, 能吸收大量的热能, 因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀, 增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明:达到一级耐火三小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/2~ 2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。

5.2.7可安全可靠地采用高强度混凝土

近几看来, C60 混凝土的应用已较为普遍, C70和C80 甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。据有关专家介绍为了防止高强混凝土构件(指C60 以上的混凝土)的脆性破坏,箍筋率高达20%以上,这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布,构造十分复杂,增加了施工的难度。用钢管混凝土,不但构造简捷,施工方便且

能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的;能够真正发挥高强混凝土的作用,同时并不多费钢材。

5.3钢管混凝土结构的缺点

尽管钢管混凝土结构的优点很多, 但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端。

5.3.1 使用范围有限

从现已建成的众多建筑来看, 钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。目前还很少有使用钢管混凝土梁的先例。这是因为梁一般都做成矩形,而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐,经济效益不佳。

5.3.2 从结构构件的连接构造上讲, 钢管混凝土结构也有许多缺点

(1)当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时,就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时, 就会有许多的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。如果用暗牛腿,又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便,影响施工进度。

(2)当钢管混凝土柱与无梁盖连接时,尤其是采用升板法施工时, 板与柱的连接构造是相当复杂的,会直接影响到施工的进度。

(3)为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力,钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实, 做到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的,尤其是对于小直径管,特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦,而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣。一般仅在大直径钢管混凝土中使用[6]。

5.3.3 从钢管构件的制作、安装要求讲也是具有一定难度和繁琐性

(1) 钢管混凝土柱用的钢管, 焊接、制作要求较高;一般应优先采用螺旋焊管,无螺旋焊接管时, 也可以用滚床自行卷制钢管, 但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直不得有翘曲,表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求, 可能会增加钢管的制作周期。显然在制作难度上也较普通钢结构高。

(2)在构件制作过程中,钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直,这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前,对于小直径钢管应采用点焊定位,对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中,如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝,则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量,在现场拼接时,在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。如无自动切割机时应按板金展开图进行放样切割。在高层建筑中常常采用变径的钢管,变径管的对接就又是一个施工难点,变径处节点构造较为复杂,无疑会影响到施工的进度。

5.3.3 从质量检查及施工方法上讲,这种结构构件形式也是存在弊端的

(1)钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程,混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时, 只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位,就得将钢管钻孔压浆补强,然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。

(2)从混凝土浇灌方面讲。如果采用泵送顶升法,施工就必须有与之配套的泵及输送设备,而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采用高位抛落法施工, 混凝土的配合比要求亦很严格。必须先进行配合比实验来确定水灰比, 然后才可以正式浇注。因此, 无论采用哪种方式施工,都必须有严密的施工组织管理。这或许会比普通钢筋砼结构施工更需要管理。

6 工程应用

钢管混凝土当下在桥墩、柱、拱架三个方面应用广泛[7]。

7 国内外研究现状

7.1国外研究概况

自从Kloppel和Goder等在1957年报道了钢管混凝土的研究后,各国学者己对此结构进行了大量且深入的试验研究。1967年Furlong报道了52根钢管混凝土的轴压和偏压承载力试验结果;1982 年Morishita和Tomii等通过试验测定了方形、圆形和八角形截面钢管混凝土在轴压荷载作用下粘结强度和滑移之间的关系;1985年SakinoK等对圆钢管混凝土

轴心受压构件进行了三种不同方式的加载试验;1993 年Grauers对方钢管高强混凝土进行了试验研究,其核心混凝土强度最高达到了103MPa;1997年Knono 等在钢管中填充废弃混凝土制造的钢管混凝土具有良好的延性;Hajjar和Gourley等先后提出两种用于分析方钢管混凝土结构滞回性能的理论模型;1998年Park,S.M等对钢管内表面有拴钉的圆钢管配筋混凝土柱进行了拟静力试验;2001年Susantha和Shanmugam等人分别采用计算软件ABAQUS 和有效截面法探讨和计算了方钢管混凝土和矩形钢管混凝土极限承载力和其相关的影响因素。2002 年Zhao 和Grzebieta对中间夹层钢管混凝土进行了轴压和纯弯试验;Aval等考虑钢管和混凝土之间的粘结滑移和组合作用问题,并采用纤维模型法对压弯构件在往复荷载作用下的荷载-变形关系曲线进行了分析。此外,有关长期荷载作用下钢管混凝土的力学性能,钢管局部屈曲对钢管混凝土构件力学性能影响,以及钢管混凝土的动力性能,国外也展开了较多的研究工作。

7.1国内研究概况

我国于上世纪50 年代末开始进行钢管混凝土组合结构的研究,主要集中在钢管中浇灌混凝土的内填充型钢管混凝土结构。目前,在钢管混凝土组合结构力学性能和设计方法、施工技术、耐火性能等方面展开了比较系统的研究工作,取得了巨大成就,其构件性能、理论研究和实际应用在国际上处于领先。1963 年在北京地铁车站首次应用了钢管混凝土柱,随后,在一些厂房的柱子中逐步得到推广应用。上世纪80 年代以来这种结构材料在多层和高层建筑中得到进一步应用。自1990 年在我国四川省建成了跨度110m 的下承式系杆钢管混凝土拱桥———旺港天桥以来,混凝土拱桥在我国得到了迅猛发展。广州丫髻沙大桥为主跨360m 的钢管混凝土带悬臂中承式刚架系杆,拱的跨径突破了300m 大关;四川省巫山长江大桥为跨径400m 的钢管混凝土拱桥,这两座桥梁的修建,标志着我国钢管混凝土拱桥的研究与应用整体水平已经提升至一个新的高度。钢管混凝土拱桥在我国迅速发展,并先后颁布了有关钢管混凝土结构的设计规程。国内一些大专院校、科研院所也对钢管混凝土进行了系统的研究,取得了一些成果。韩林海和钟善桐等对工程中常用的几种形状的钢管混凝土力学性能进行了探索和研究,提出了极限平衡法理论和钢管混凝土统一理论,为钢管混凝土的研究奠定了基础;哈尔滨建筑大学王湛等通过试验研究了核心混凝土为C30~C50 强度等级的钢管膨胀混凝土;魏美娟等给出了钢管混凝土构件的计算条件,对构件在临时荷载作用下受弯的力学性能进行了分析和计算;武汉理工大学的胡曙光和丁庆军等针对钢管高强膨胀混凝土的特性,围绕钢管混凝土工程应用中所普遍存在的混凝土与钢管脱粘问题和大跨度结构工程的施工难题,进行了长期深入、系统的研究;韩冰等在对钢管混凝土受弯构件徐变分析的基础上,建立了长期荷载作用下钢管混凝土受弯构件的承载力计算方法,认为徐变将降低钢管混凝土受弯构件的承载力。

7.3前沿研究方向

7.3.1 钢管混凝土统一理论

钢管和混凝土之间相互约束而产生的“效应”的存在,形成了钢管混凝土构件的固有特性,从而导致了其力学性能的复杂性.哈尔滨工业大学经过多年研究率先提出把两种材料组成的构件作为统一体来研究其综合性能的“统一理论”,使得钢管混凝土结构研究成为理论完整的新体系,改变了传统方法,并给设计带来了许多方便。在该理论的指导下,还可以进行钢管高强度混凝土的力学性能与设计方法以及钢管混凝土耐火性能与防火设计方法的研究。

7.3.2钢管混凝土的静力性能

近几十年来,国内外对钢管混凝土构件在静力作用下的力学性能进行了大量的试验研究和理论分析,取得了丰富的成果,基本都反映在各国的设计规范中。我国的研究者在大量试验研究和参数分析的基础上,建立了基于统一理论的钢管混凝土轴压构件、弯曲构件、偏压(压弯)构件等的设计方法和计算公式,并且在圆钢管、方钢管和矩形钢管混凝土构件方面都取得了相应的成果,已应用在电力规范(DL/T 5085—1999)、国家军用标准(GJB 4142—2000)和正在编制的《矩形钢管混凝土结构设计规程》之中。

7.3.3长期荷载作用下钢管混凝土柱力学性能

徐变和收缩是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。由于核心混凝土的压缩徐变与收缩,将导致混凝土模量的降低,同时在钢管和核心混凝土之间产生内力重分布,使钢管应力增加,从而导致钢材应力进入塑性阶段,钢管发生局部屈曲。因此,核心混凝土的徐变与收缩现象将影响到整个钢管混凝土构件的刚度和承

载力。在长期荷载作用下,核心混凝土的工作具有以下特点:一是核心混凝土处于密闭状态,和周围环境基本没有湿度交换;二是核心混凝土的收缩会受到其外包钢管的限制作用;三是在受力过程中,当核心混凝土的泊松比大于钢管的泊松比时,将会受到钢管的有效约束而处于复杂受力状态。这些都会影响到混凝土的徐变和收缩变形,从而使得钢管混凝土的徐变与收缩性能更为复杂。国内学者曾研究过圆钢管混凝土在长期荷载作用下的力学性能,鉴于钢管混凝土的收缩与徐变相比影响较小且在以往钢管混凝土计算公式中已考虑了早期收缩,故研究着重于徐变问题。研究结果显示:对于轴压短柱或偏压短柱,无论荷载比的高低,徐变对构件的承载力都没有显著影响。

7.3.4钢管混凝土的动力性能荷

近些年,国内外学者对钢管混凝土的动力性能进行了大量的试验研究,我国也进行了一些相关研究,但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究,尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式。由于钢管混凝土柱的抗震性能优于钢筋混凝土柱,因此,在没有进行更多的专门研究之前,对由钢管混凝土柱和钢筋混凝土横梁组成的框架结构,其抗震等级的划分和计算参数暂按钢筋混凝土结构的有关规定执行,这样的处理显然是偏于安全的,但也是比较粗糙的。

7.3.5钢管混凝土的耐火性能的研究

国外学者主要研究了钢管配筋混凝土结构的耐火极限且柱结构不采取防火保护措施的情况。研究者对圆形和方形截面的钢管混凝土结构在火灾下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究,并制定了各自的设计规程。目前国内尚未制定该类结构防火方面的规定对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。近年来,国内学者进行了圆形截面钢管混凝土结构耐火性能的研究工作,已取得可喜的成果。结果表明,钢管混凝土具有比钢结构更好的耐火性能。并形成了一套实用的抗火设计方法,成功地应用在国内钢管混凝土超高层建筑中规模最大的深圳赛格广场中,节省了大量投资。

7.3.6钢管混凝土结构的抗震性能研究

在地震力反复作用下,普通钢筋混凝土柱的保护层可能大面积脱落,钢筋暴露在空气中,严重的会发生腐蚀,影响其力学性能。

钢管混凝土的M-φ(水平力与位移)滞回曲线表现较好的稳定,曲线图形饱满。曲线充分表明钢管混凝土柱在反复荷载作用下,吸能性能强,刚度基本不退化,且无下降段,延性好。

8 抗震性能

8.1基本结构抗震性能

8.1.1核心混凝土强度对钢管混凝土结构地震响应的影响

在地震作用初期,这一影响并不明显,但是,在地震作用的中后期,钢管混凝凝土的地震响应存在一定差别。拿某一特定拱桥为例,当核心混凝土为C40时,拱桥的损耗因子最大值为0.0333,位移响应的最大值为5.1432mm。当核心混凝土为C30时,拱桥的损耗因子最大值为0.0484,相对于C40计算所得值,增长了45.3%,位移响应的最大值为6.0103mm,则增大了16.8%。当核心混凝土为C50时,拱桥的损耗因子最大值为0.0277,相对于C40计算所得值,降低了20.2%,位移响应的最大值为 4.7820mm,则降低了7.5%。由此可见,钢管混凝土拱桥的损耗因子随着核心混凝土强度的增加而降低。这是由于,钢管混凝土单位体积耗能与核心混凝土强度等级成反比,进而使得结构的损耗因子随着结构核心混凝土强度等级的增加而降低。而结构位移响应最大值则随着结构核心混凝土强度的增大而降低[]。

8.1.2钢管混凝土拱桥截面含钢率的变化对钢管混凝土结构地震响应的影响

钢管混凝土拱桥截面含钢率的变化对钢筋混凝土结构的地震响应有一定的影响。对某一特定拱桥为例,在地震作用初期,这一影响并不明显,但是,在地震作用的中后期,截面含钢率不同的拱桥,其地震响应存在一定差别。当截面含钢率为 0.0629时,拱桥的损耗因子为0.0333,位移响应的最大值为5.1432mm。当截面含钢率增大120.0%时,即为0.1384时,拱桥的损耗因子则降低为原来的55.5%,即为0.0185,位移响应的最大值则增大到5.3779mm。当截面含钢率增大169.9%时,即为0.1698时,拱桥的损耗因子则降低为原来的 46.2%,为 0.0154,位移响应的最大值则增大为 5.9145mm。由此可见,钢管混凝土拱桥的损耗因子随着截面含钢率的增加而降低。这是由于,钢管混凝土单位体积耗能与截面含钢率成反比,进而使得

结构的损耗因子随着结构截面含钢率的增加而降低。且结构位移响应最大值也是随着结构含钢率的增大而增大。

8.1.2不同因素对钢管混凝土结构的薄弱环节——节点的抗震性能的影响

(1)在不同的轴压比作用下,节点的极限承载力变化范围是21.01 ~21.84kN,延性系数变化范围2.36 ~ 2.63,等效粘滞系数变化范围0.138 ~ 0.300。变化趋势是当轴压比较小时,随着轴压比的增大,节点的承载力及耗能能力提高,正反方向加载都有这样的规律。当轴压比较大时,随着轴压比的增大承载力和耗能能力减小,并且下降幅度显著。此外,在一定轴压比限值下,轴压比的增大,有利于结构延性的提高,从而能有效得提高了节点的抗震性能。超过了轴压比限值,轴压比的增大,将会降低结构的延性,严重影响节点的抗震性能。因此,控制圆钢管混凝土柱-钢梁隔板贯通式节点的轴压比在0.3 ~ 0.5的范围内可以保证节点良好的抗震性能。

(2)隔板外伸长度太小时容易造成隔板端部的应力集中,且柱身—隔板焊缝与梁翼缘—隔板焊缝就靠得较近,对梁柱连接的受力不利;而隔板外伸长度达到一定值时,增大隔板的长度对提高梁柱连接的承载力和刚度效果很小。在不同隔板外伸长度下,节点的极限承载力变化范围是21.57 ~ 22.08kN,延性系数变化范围2.58 ~2.71,等效粘滞系数变化范围0.145 ~ 0.243。因此结合工程实际,构件受到建筑外形限制隔板挑出长度不宜过大,建议隔板挑出长度控制在50mm ~ 80mm之间。

(3)在不同混凝土强度等级下,节点的极限承载力变化范围是 21.84 ~22.45kN,延性系数变化范围2.49 ~ 2.63,等效粘滞系数变化范围0.237 ~ 0.467。随着混凝土强度等级的提高,位移延性有下降的趋势,节点的承载力有所增大。其中,耗能能力改善明显,随混凝土强度的提高,滞回曲线更加饱满。充分证明了钢管混凝土结构的优良性能,即能够充分利用高强混凝土[11]。

8.2框架结构抗震性能

8.2.1 单层框架

从单层框架不同试件的侧向力和位移的滞回曲线可以看出,滞回环很饱满,刚度退化缓慢,表现出很大的延性和很高的吸能能力[9]。

8.2.2空间桁架体系

(1)到目前止,很多钢结构高层建筑都采用整浇的钢筋混凝土内筒来抵抗地震作用和风荷载,包括上海金茂大厦(383米)和在建的上海环球金融中心(460米)。这种混合结构体系虽具有节约钢材,造价较低的优点,但也存在一些问题,主要有:

a)钢筋混凝土内筒和钢框架的抗弯刚度相差悬殊,再在风荷载与地震作用下而抗弯时,不能满足平截面假设:为此,必须沿高度设置一定数量的刚伸臂,既多费了钢材,又增加了结构的复杂性,增添施工困难。

b)在强大的侧向荷载作用下,内筒难免开裂,刚度将迅速下降;对这一问题尚无足够的研究。

c)内筒必须从基础开始,自下而上现场浇灌混凝土。致使地下室部分工程不能采用全逆作法施工,常成为高层建筑施工进度的滞后部分,影响建造速度。 d)内筒自重很大,增加了基础的负担。提高了工程造价。

深圳赛格广场大厦(72层291.6米高)是第一个采用钢管混凝土空间内筒体系的高层建筑,取得了明显的经济效益。

哈工工作人员通过一系列实验,得出以下关于钢管混凝土空间桁架动力工作性能的的结论,现陈述如下:

钢管混凝土.doc

图1.结构顶端的P-Δ滞回曲线

a)钢管混凝土空间桁架,虽然因灌了混凝土而增大了质量,但阻尼增大更多,因而地震反应反而比空钢管体系低。

b)P-Δ滞回曲线饱满,反映具有良好的延性和吸能能力。

c)P-Δ滞回曲线稳定性好,无明显的刚度退化现象。

d)即使体系中的桁架腹杆,大批地压屈和屈服而退出工作,剩下的框架体系仍能继续承受几乎增加一倍的水平荷载[10]。

由此可见,采用钢管混凝土空间桁架作抗侧力筒,具有良好的抗震性能。

8.3特殊钢管混凝土的抗震性能(空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性能研究)

8.3.1

通过对3根空心圆钢管混凝土柱抗震性能的试验研究,分析了各试件的破坏形态,发现试件的破坏都是在上、下端弯矩最大处,由于核心混凝土的破坏导致钢管受压屈曲。

8.3.2

与空心钢管普通混凝土柱相比,空心钢管再生混凝土柱的延性较差,滞回环面积小,总耗能小,但是水平荷载承载力无明显差异。总的来说,空心钢管再生混凝土柱的抗震性能要比普通混凝土构件差。

8.3.3

空心率是影响空心钢管混凝土柱抗震性能的重要因素,空心率越大,构件的延性和耗能能力越小,即抗震性能越差[11]。

8.3.4

通过有限元典型算例对比可以发现,空心钢管再生混凝土压弯构件的骨架曲线形状与普通混凝土构件相似,各参数对曲线的影响规律也类似。

结论

本文是一片综述性的论文,参考文献众多,对钢管混凝土结构的一般知识进行了全方位的详略得当的描述,包括其定义、分类、工作机理、优缺点、工程应用、国内外研究现状六个方面。同时,本文还选取了某一热门研究方向——钢管混凝土结构的抗震性能进行了深入探讨,期望能够展现现阶段全世界范围内对于该课题的最全最新的研究成果,以便提起大家的注意,为钢管混凝土的进一步发展献一份力,也为后来人的进一步研究提供方便。

致谢

本课题是在**的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我们。从课题的选择到项目的最终完成,**都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。**不仅在学业上给我们以精心指导,同时还在思想给我们以深刻的教诲,在此谨向**致以诚挚的谢意和崇高的敬意!!!

References (参考文献)

[1]宁琰,郑瑾.钢管混凝土结构发展综述[J]. 国外建材科技,

2007,28(6):34.

[2]田坤.材料阻尼对钢筋及钢管混凝土结构地震响应的影响分

析[D].北京:北京交通大学,2007:58.

[3]

[4]李俊峰.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点,1009-5438,

(2001),03-0092-04.

[5]周起敬, 姜维山, 潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册

[ M].北京:中国建筑工业出版社, 1991,12.

[6]钟善桐.钢管混凝土结构讲座[ J].建筑结构,1998, (10):55~59.

[7]韩林海,陶忠.钢管混凝土研究与应用中的若干关键问题,(福

州大学土木建筑工程学院,福州,350002).

[8]王砾瑶,张勇,边永丰.钢管混凝土柱与钢梁隔板贯通式节点

抗震性能研究.见:中国建筑学会.《建筑结构学报》创刊30周年纪念暨建筑结构基础理论与创新学术研讨会论文集[C].上海:中国建筑学会,2010:55.

[9]Wang, Wen-Da1, Wang, Jun.Seismic response of composite

frame with CFST columns under far-field ground motion [J].

Gongcheng Lixue, 2012,29(1):124-129.

[10]钟善桐,张文福,屠永清,吴学锋,梁建华.钢管混凝土结

构抗震性能的研究[J]. 建筑钢结构进展, 2002, (2):3-15. [11]李卫秋,查晓雄,余敏.空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性

能研究I:试验与有限元研究.见:同济大学、台湾大学、香港理工大学、中国建筑工业出版社、住建部执业资格注册中心、建筑钢结构教育部工程研究中心、《Advances i n Structu- ral Engineering》编委会、《建筑钢结构进展》编辑部.第七届海峡两岸及香港钢结构技术交流会暨第五届结构工程新进展论坛[C].深圳:中建钢构有限公司,2012:34-35.