鋼管混凝土在抗震工程中的應用論文
鋼管混凝土在抗震工程中的應用論文
鋼管混凝土結構是在勁性鋼筋混凝土結構、螺旋配筋混凝土結構以及鋼管結構的基礎上發展起來的。下面是小編收集整理的鋼管混凝土在抗震工程中的應用論文，希望對您有所幫助！
摘要：簡要介紹了鋼管混凝土的特點和發展史，針對前人已研究的成果，綜述了不同截面、不同空心率、不同結構下的鋼管混凝土構件的抗震效能，為鋼管混凝土在實際抗震工程中的運用提供了參考建議。
關鍵詞：鋼管混凝土；抗震效能；耗能能力
0 引 言
鋼管混凝土構件是在鋼管內填充混凝土。隨著高層、超高大跨度建築的需要，鋼管混凝土結構憑著承載力高、造價低、施工方便、抗震性好等優越的條件被廣泛應用，很多研究者做了很多關於鋼管混凝土的抗震效能分析和研究，取得了很大的成果，並在抗震工程中得到廣泛應用。
1 鋼管混凝土的特點
鋼管在縱向軸心壓力作用下，屬於異號應力場，其縱向抗壓強度將下降，小於單向受壓時的屈服應力，同時鋼管是薄鋼管，單向受壓時，承載力受管壁區域性缺陷的影響很大，遠遠低於理論臨界應力計算值；對於混凝土，強度低，截面大，隨著混凝土強度增大脆性增加，而混凝土抗拉性比較差［1］。
鋼管混凝土是新型結構［2］，正好彌補了兩者的缺點，在鋼管混凝土構件在縱向軸心壓力作用下，由於混凝土的密貼，保證了鋼管不會發生屈曲，可以使這算應力達到鋼材的屈服強度［3］，使鋼材的強度承載力得以充分發揮；對於混凝土，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，使得鋼管混凝土構件有以下特點：
（1）構件承載力大大提高。1976年哈爾濱鍋爐廠做了一次簡單的對比試驗，得到鋼管混凝土柱軸心受壓下承載力是空鋼管和管內徑素混凝土柱之和的173%。
（2）良好的塑性和韌性。這種新結構在承受衝擊荷載和振動荷載時，有很大的韌性，所以抗震效能比較好。
（3）造價低, 從很多實際工程可以看到，鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱相比，節約混凝土50％以上，結構自重減輕50％左右，鋼材用量相等或略高，不需要模板。與鋼結構相比，可減少鋼材50％左右。
（4）施工簡單，可以縮短工期。
2 鋼管混凝土結構的發展史
鋼管混凝土結構是在勁性鋼筋混凝土結構、螺旋配筋混凝土結構以及鋼管結構的基礎上發展起來的。
在19世紀60年代前後，鋼管混凝土結構在蘇聯、北美、西歐和日本等發達國家得到重視，並開展了大量的試驗研究，但是施工工藝得不到解決。
在19世紀80年代後期，由於先進的泵灌混凝土工藝的發展，解決了施工工藝的問題。如1879年英國的Severn鐵路橋的建造採用鋼管橋墩，在管內灌了混凝土防止內部鏽蝕並承受壓力。
1923年，日本關西大地震後，人們發現鋼管混凝土結構在這次地震中的破壞並不明顯，所以在以後的建築，尤其是多高層建築中大量應用了鋼管混凝土。1995年阪神地震後，鋼管混凝土更顯示了其優越的抗震效能。
鋼管混凝土在我國的發展：20世紀60年代中期，鋼管混凝土引入我國。1966年北京地鐵車站工程中應用了鋼管混凝土柱。在70年代廠房和重型構架也應用了鋼管混凝土柱；80年代後，我國開展了科學試驗研究，得到了結構的計算理論和設計方法［4］。
現階段我國對鋼管混凝土效能的研究：圓形、多邊形和方形、實心與空心、軸心受壓與偏心受壓構件的強度和穩定；壓彎扭剪複雜應力狀態下構件的強度和穩定；抗震效能與抗火效能以及施工時初應力的影響等。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效能
3.1鋼管混凝土構件根據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件。
國外Shinji 和 Yamazaki 等[5]對受變化的軸力和往復水平荷載作用下的方鋼管混凝土柱的受力效能和位移進行研究；Amit[6]做了高強方鋼管混凝土柱抗震效能的試驗研究，分別分析了高強混凝土和高強混凝土對構件滯回效能的影響；Kang 和 Moon[7]考察了方鋼管混凝土柱恆軸力在低周反覆荷載和單調荷載作用下構件的承載能力和耗能能力，得到方鋼管高強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象；試件有較好的耗能能力，位移延性係數均大於 3[8]。方鋼管高強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；與高強混凝土柱[10]相比，有良好的耗能能力和更小的強度退化；與純鋼柱比，有良好的抗失穩能力。
蘇獻祥的矩形鋼管混凝土柱在迴圈荷載作用下的效能研究中得到矩形鋼管混凝土柱承載力高，變形能力強，有較穩定的後期承載力，延性係數在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”現象，耗能能力強，具有良好的抗震效能。
隨著邊數越多，鋼管混凝土構建的組合效能越好，產生的緊箍力增大，承載力增大，塑性增強，承載力是抗震重要指標之一，因此圓形鋼管混凝土具有較好的抗震效能。
矩形鋼管混凝土柱與梁節點構造簡單、連線方便，還能有效提高構件的延性及有利於防火、抗火等特點，最重要的是矩形截面存在剛度的強軸和弱軸，它可以按要求提高強軸方向的剛度，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。圓鋼管混凝土構件的鋼管對核心混凝上起到了有效的約束，使混凝土的強度得到了提高，塑性和韌性大為改善。截面選擇時應該根據實際情況抓住主要的矛盾。
3.2鋼管混凝土在房建中用於框架結構、框架剪力牆、剪力牆及筒體結構中。
Kim和 Bradford［12-13］指出鋼筋混凝土框架結構抗側剛度較小,為了使結構既具有較高的抗側剛度，又有較好的耗能效能和承載力。有鋼管混凝土框架結構抗震效能試驗研究［14］得出此實驗的P一△滯回曲線均呈現出飽滿的稜形，充分表明鋼管混凝土框架的耗能能力強和延性好。在破壞階段，梁出現屈服甚至屈曲，得到鋼管混凝土柱的抗傾剛度及塑性很好，整個結構的P一△曲線無下降段，具有較強的變形能力。
為減小高層建築底部剪力牆的.厚度，減緩箍筋的密集程度，提高剪力牆的抗震能力，可以採用鋼管混凝土剪力牆結構，有試驗［15］表明鋼管混凝土剪力牆試件的開裂荷載、名義屈服荷載和彈塑性變形能力都大於相同引數的鋼筋混凝土剪力牆試件，而且約束邊緣構件為端柱的鋼管混凝土剪力牆，其變形能力大於約束邊緣構件為暗柱的矩形截面鋼管混凝土剪力牆。
鋼管混凝土減震框架結構在地震中消耗的地震能量相對較小，而鋼管混凝土減震框架結構（三重鋼管防屈曲支撐）具有與鋼管混凝土框架剪力牆結構相當的承載力，並在變形能力延性和耗能能力等方面均有明顯的提高，對剛度退化和強度退化也有明顯的緩解，具有更合理的受力效能和破壞機制，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效能［16］。
基於效能的鋼管混凝土空間筒體結構試驗［17］中得出此結構在Y向罕遇地震作用下，單側支撐屈服，表明對於Y軸不對稱的佈置，對結構扭轉影響顯著；結構在X向罕遇地震作用下，個別重要構件鋼管混凝土柱進入邊緣屈服狀態，少數支撐和鋼樑邊緣屈服，Y向罕遇地震作用下，偏心扭轉相對較小，幾乎不進入屈服狀態，2個方向的層間位移角均小於1/50的要求，但是結構抗震能力完全達到了效能目標D的水準，接近c的水準［18］，得出鋼管混凝土空間結構在X向罕遇地震下注意重要構件的強度和延性要求，在Y向罕遇地震作用下注意結構佈置對稱，避免偏心對結構的扭轉作用，只要佈置合理抗震效能還是比較強的。
為了改善鋼管混凝土框架結構的受力效能，通常在鋼管混凝土框架中設定支撐［19-20］來提高結構的抗側剛度，但是在大震作用下，支撐有可能會出現失穩，可以通設定剪力牆來提高抗側剛度，但剪力牆與鋼管混凝土框架的協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鋼管內是否充滿混凝土分為實心鋼管混凝土與空心鋼管混凝土。
實心鋼管混凝土結構會使結構自重加大，地震作用下影響效應加大，但是要根據具體工程實際的截面尺寸和承載力來決定是否採用實心鋼管混凝土。
諾丁漢特倫特大學的 Y.L. Song 等進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，試驗結果表明純空心混凝土短柱的破壞表現為非常明顯的脆性破壞，而空心鋼管混凝土短柱則表現出了較好的延性，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填混凝土上的側壓力，指出平均側壓力極值與柱的材料和幾何特性有關，研究了各種截面形狀的鋼管混凝土柱的後期工作效能，對於混凝土強度和後期工作效能，試驗結果與計算結果都吻合良好［23］。
方形空心鋼管混凝土不適合應用於需要抗震設防的建築結構中；而圓形截面的空心鋼管混凝土，對於不同空心率的構件，控制適當軸壓比的限制，能夠滿足《實、空心鋼管混凝土結構設計規程（CECS 254-2011）》中要求的結構分析引數限值。為了滿足抗震的要求，規程中關於空心鋼管混凝土柱設計軸壓比限值給了太大，應當作適當的修正，建議空心鋼管混凝土設計軸壓比大些，可透過計算滿足，此時構件具有較好的抗震效能；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件滯回效能的重要引數。其影響為：軸壓比越大，滯迴環小而且扁瘦，耗能能力越差，強度退化越劇烈，剛度退化越快，對構件初始剛度影響不大，水平極限承載力有先增大後減小趨勢，延性減小；空心率越大，滯迴環小且扁瘦，耗能能力越差，強度退化劇烈，剛度退化快，構件初始剛度減小，水平極限承載力下降，延性越差；相比於等效面積相同的方形截面構件，由於圓形截面空心鋼管混凝土中的鋼管和混凝土的組合效能比較強，在壓彎作用下，耗能能力更強，強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效能
蔡克銓和林敏郎進行了圓中空夾層鋼管混凝土柱抗震效能的試驗研究［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複合彈性模量為實心鋼管混凝土柱的1.5倍以上，這說明中空夾層鋼管混凝土有較高的複合彈性模量，有較高的軸向剛度。還有即使設計的中空夾層鋼管混凝土柱的軸向強度低於實心鋼管混凝土柱，但是抗彎能力卻比實心鋼管混凝土強。
在鋼筋混凝土柱的截面中部設定圓鋼管的柱,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,簡稱組合柱；若鋼管內外混凝土不同期澆築,則稱為鋼管混凝土疊合柱,簡稱疊合柱。錢稼茹、康洪震開展了對鋼管高強混凝土組合柱抗震效能試驗研究，其試驗得到試件的滯回曲線飽滿,位移延性係數都大於4,極限位移角都大於1/40,耗能能力和極限位移角大於引數相近的高強混凝土柱［25］。可以根據地區抗震等級選擇是否採用這種組合柱，使其滿足抗震要求，同時減少資源的浪費。
4 結束語
鋼管混凝土結構與相同引數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效能。在選擇鋼管混凝土的截面形式時要根據結構的需要，若設計部位其中一個方向軸向剛度較大，而地區地震作用不大可以選擇矩形截面；若地震作用較大時，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。對於空心率下抗震效能要根據計算，然後選擇反覆荷載下承載力高和鋼管與混凝土組合效能比較好的空心率。充分利用已研究的鋼管混凝土抗震效能設計方法，計算和驗算新型鋼管混凝土構件是否可以既節省造價又安全可靠。
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