鋼管混凝土柱

1、鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架抗震性能的試驗研究 為了探討鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架的抗震性能, 本文進行了 12 個框架試件在恒定軸力和水平反復荷載作用下的試驗研究 主要考察了柱截面形狀(圓形、方形)、含鋼率(圓形:= 0. 06, 0. 103 ; 方形: =0. 125, 0. 126)、柱軸壓比(圓形: n = 0. 06 0. 60; 方形: n =0. 04 0. 60)、梁柱線剛度比(圓形: i =0. 36 0. 58; 方形: i =0. 34 0. 62)等參數對其力學性能的影響。 鋼管混凝土結構由于具有承載力高 、塑性韌性好、耐火性能較好、施工速度快、綜合效益好等工程特點而在

2、高層超高層建筑和多高層住宅中的應用越來越普遍。 鋼管混凝土柱與鋼梁(或鋼-混凝土組合梁) 組成的框架結構是鋼管混凝土結構中最常用的結構形式之一。以往對鋼管混凝土構件的研究較多 , 而對鋼管混凝土柱-鋼梁組成的框架體系整體性能的研究并不多。作為鋼管混凝土框架結構中的框架柱, 其力學性能要受到體系中其他構件對其的約束和影響 ,因此 ,合理地了解鋼管混凝土構件在結構體系中的力學性能 ,進行結構體系的試驗研究和理論分析是十分必要的。 為了系統地研究更大參數范圍內鋼管混凝土框架的抗震性能, 以柱截面形狀、柱截面含鋼率、柱軸壓比、梁柱線剛度比等為主要參數, 本文進行了 4 組共計 12 個單層單跨圓形和方

3、形截面鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架的低周反復荷載試驗研究 。 試件設計與制作 框架試件的跨度和高度基本上是實際工程框架的1/3 尺寸，在梁的剛度選取中已考慮了組合梁及樓板的剛度貢獻,這樣即使本文試件中只有鋼梁 ,但其剛度已考慮了樓蓋的貢獻,使得本文試驗中選用的梁柱線剛度比數值更具工程代表意義 。 柱采用冷彎薄壁鋼管 ,鋼梁由鋼板焊接而成, 加強環(huán)板及鋼梁腹板均與鋼管焊接 , 并保證焊縫質量。 鋼管混凝土中采用了自密實混凝土 采用與試件中混凝土同條件養(yǎng)護的標準立方體混凝土試塊達到 28 天養(yǎng)護期后 , 依據普通混凝土力學性能試驗方法標準( GB/T 50081 2002)測得平均立方體抗壓強度為

4、42. 7N/mm2 , 彈性模量為 33800N/2mm。進行試驗時的立方體抗壓強度為 52. 6N/mm2 。 試驗裝置 平面剛接框架 柱腳均采用了外露錨固式剛接構造 柱腳底板設置了加勁肋板 地面上設置了預制鋼筋混凝土剛性基礎梁作為框架試件的臺座 基礎梁通過地錨螺栓固定在剛性地面上 基礎梁中預埋有高強螺桿 試件每個柱腳用 10 18 的高強螺栓固定 框架的每個柱頂軸向力各由 1000kN 液壓千斤頂施加 柱頂與剛性橫梁之間設有可自由滑動的支座 豎向液壓千斤頂固定在滑動支座上 ,以保證柱頂發(fā)生水平位移時軸力能同步移動 兩臺千斤頂由 JFS2 型伺服液壓加載系統控制 在梁端設置加載端板與固定于

5、反力墻上水平方向的 MTS 液壓伺服作動器連接用以施加水平反復荷載或位移 作動器最大靜態(tài)加載值為 500kN ,行程為200mm 。試驗裝置示意如圖 2 所示 加載制度 試驗開始時, 先取 0. 4N 0 0. 6N 0( N0 為柱頂軸力)加卸載一次, 以消除裝置內部初始缺陷的影響 ,再加載至 N 0, 并保持軸力恒定 ,然后在梁端按照加載制度施加水平往復荷載 。 采用如下加載制度: 試件屈服前采用位移控制加載 , 分別按照 0. 25 y 、0. 5 y 、 0. 7 y 進行加載 ;加載至 y 后 , 采用 1 y 、1. 5 y 、2. 0 y 、3. 0 y 、5. 0 y 、7.

6、0 y 、8. 0 y 進 行加載。每級循環(huán)的圈數也不一樣, 對于 y 前的三級, 每級循環(huán) 2 圈,對于 y 后各級,前面 3 級( 1 y 、1. 5 y 、2. 0 y)循環(huán) 3 圈 ,其余的循環(huán) 2 圈 主要測試儀器及測試指標 為了跟蹤梁柱構件在試驗過程中的應力分布及塑性鉸位置,在框架柱底部和上部截面處均設置了應變片 ,底部截面在荷載作用平面內和平面外的四個面上均布置了互成 90 的雙向應變片 ,以測試框架柱底部截面荷載平面內及平面外的軸向及橫向應變 ,而柱上部截面只在荷載作用平面內的兩側布置了雙向應變片。在框架梁兩端截面上下翼緣均布置了沿軸線方向的單向應變片, 腹板上布置了雙向應變片

7、 。分別在框架梁兩端及每個框架柱底截面附近布置了測試曲率的裝置。 試驗過程及破壞特征 當水平荷載( 位移) 加載到一定數值時 ,距離加載端較近的鋼梁梁端截面首先屈服, 產生塑性鉸 1 繼續(xù)反向加載，鋼梁另一端屈服并形成反向塑性鉸 2 隨著位移的進一步增大，首先在加載側的柱腳形成塑性鉸 3 反向加載時在加載的另一側柱腳形成塑性鉸 4 塑性鉸 3 及 4 位置截面的塑性開展到一定階段時,柱鋼管有局部斷裂,可觀察到內部混凝土有局部壓碎,荷載急劇下降,最后框架達到破壞極限狀態(tài)?；诒疚脑嚰脑O計和構造特點, 所有試件的梁端塑性鉸位置在加強環(huán)板之外約 50mm 范圍內的鋼梁截面上,而柱上形成的塑性鉸位置

8、在柱腳加勁肋板高度之上約 30mm 左右的位置圖 4 試件典型破壞形態(tài) 比較圓柱與方柱的不同破壞模態(tài)可看出方柱截面不僅在荷載作用平面內的管壁出現較大的鼓曲并伴隨局部斷裂, 在荷載平面外的管壁上也出現輕微的鼓曲 。而圓柱的鼓曲和斷裂主要發(fā)生在荷載作用平面內, 這主要是因為圓鋼管對內部混凝土提供了更好的約束 。 由于各試件柱截面形狀、含鋼率、軸壓比等參數不同,發(fā)生上述破壞過程時所對應的加載位移及荷載數值不同。隨著軸壓比的增加框架延性降低的規(guī)律 。隨著梁柱線剛度比的減小 ,不僅框架承載力下降, 結構的塑性發(fā)展區(qū)域范圍也有所擴大。 4 試驗結果及分析圖 5 P-滯回曲線 從中可以看出, 鋼管混凝土柱-

9、鋼梁平面框架的滯回曲線形狀較為飽滿, 沒有明顯的捏縮現象,表現出較好的耗能能力,在加載到極限荷載之后,曲線有較明顯的強度退化, 但剛度退化不明顯, 從而說明其具有良好的抗震性能 。 對于同組試件,隨著軸壓比的增大,滯回曲線的滯回環(huán)面積明顯減小 ,說明其耗能能力降低 對于不同組試件( 圓柱框架),隨著含鋼率的增加 ,相同軸壓比時滯回環(huán)趨于更加飽滿 ,可見隨著含鋼率的增大 ,框架試件的承載力和耗能能力均有提高 。各試件的水平荷載-水平位移 ( P-)骨架曲線如圖 6 所示。 從圖中可發(fā)現 4 組試件中軸壓比 n =0. 3時較 n 0 時承載力下降不多; 而軸壓比 n =0. 60 時承載力較 n

10、 0 時下降較多 ,同時骨架曲線下降段變得更為明顯?？梢婋S著軸壓比的增加框架的位移延性有所降低。 對于不同組方柱框架試件, 隨著柱截面尺寸的增加, 承載力和彈性階段剛度均有明顯的提高 同時 ,當含鋼率較小時,軸壓比對試件水平承載力的影響更加明顯 4. 2 應變分析 圖 7a 為試件 CF-23 鋼梁梁端翼緣縱向應變與水平荷載關系曲線 ,可以看出,梁端應變在框架屈服之前均較小 ,且保持彈性, 在鋼梁屈服之后 ,梁端的應變發(fā)展很快 圖 7b 為試件 CF-23 柱底外鋼管縱向應變與水平荷載關系曲線,由曲線可看出柱底應變在試件屈服之前均較小 ,且保持彈性 ,在試件屈服之后 ,鋼管的縱向應變發(fā)展很快。

11、 4. 3 水平荷載與梁端及柱端曲率關系 可以看出 ,在彈性階段梁端及柱腳的曲率很小 ; 當梁端進入屈服發(fā)生屈曲以后, 梁端曲率才發(fā)展較快 。 柱腳曲率的發(fā)展過程類似 ,但由于柱內有混凝土, 框架柱的彎曲變形并沒有鋼梁顯著 ,因此柱腳的曲率在加載位移后期的發(fā)展較鋼梁緩慢, 直到柱鋼管鼓曲非常嚴重并有局部斷裂時曲率發(fā)展到最大,而且其最大曲率數值也較梁端最大曲率小 。 4. 4 框架抗震性能分析 4. 4. 1 屈服及破壞荷載的確定 由于鋼管混凝土柱-鋼梁框架的其荷載-位移曲線沒有明顯的屈服點, 目前對該類結構屈服和破壞的確定尚無統一的準則 。本文采用文獻 19 確定鋼管混凝土柱屈服點的方法來確定鋼管混凝土框架的屈服點和屈服荷載 , 屈服位移 y 極限荷載Pmax極限位移 maxPu =0. 85Pmax