鋼管混凝土抗震

1、四、組合框架一剪力墻體系4.1鋼管混凝土框架結構抗震性能分析鋼管混凝土柱是在鋼管中填充混凝土后形成的一種受力構件，這種構件是在 勁性鋼筋混凝土、螺旋配筋混凝土以及鋼結構的基礎上演變和發(fā)展起來的框架的 承載能力、變形特征、耗能能力進行了分析，并與鋼筋混凝土框架結構進行對比， 以期使鋼管混凝土框架結構在工程實踐中得到較為廣泛的應用一種新型結構構 件。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管 對其核心混凝土的約束作用和核心混凝土增強管壁的穩(wěn)定作用，使混凝土的強度 得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，避免或延緩了鋼管發(fā)生局部屈曲， 從而可以保證兩種材料性能的充分發(fā)揮。另外，

2、在鋼管混凝土的施工過程中，鋼 管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板，與鋼筋混凝土相比，可節(jié)省模板費用， 加快施工速度。到目前為止，對鋼管混凝土的研究大都局限于對構件的受力性能 研究，而對鋼管混框架的承載能力、變形特征、耗能能力進行了分析，并與鋼筋 混凝土框架結構進行對比，以期使鋼管混凝土框架結構在工程實踐中得到較為廣 泛的應用。閆洋、王震霞從結構整體工作性能的角度出發(fā)，在試驗的基礎上對單層鋼管 混凝土框架模型進行了低周往復加載試驗，通過對試驗結果和破壞形態(tài)的分析得 出鋼管混凝土框架的骨架曲線，并對變形和耗能進行了理論分析，理論和試驗結 果基本上是吻合的。其試驗的兩根框架(圖1)均為彎曲型破壞。試

3、件的破壞過程為：加載一側 的框架柱腳外邊緣纖維首先達到屈服，然后在柱根內外側及梁端的上下邊緣幾乎 同時出現(xiàn)屈服點，此時框架已達到整體屈服，但整個框架并未出現(xiàn)普通鋼筋混凝 土框架易產生的剛度退化現(xiàn)象，試件承載力隨著變形的增加而繼續(xù)增加。從加載開始至試件破壞有明顯的特點：鋼管混凝土框架達到整體屈服后，承 載能力還可以進一步提高，表明在結構屈服后截面應力及結構內力發(fā)生重新分 布，結構仍有承載能力。結構的破壞以梁的破壞為標志，雖然柱腳個別點的材料 屈服早于梁的屈框架結構的鋼管柱。但在這些點出現(xiàn)之后，結構的變形仍為小變 形。通過分析計算得出當鋼管混凝土框架結構與鋼筋混凝土框架結構當柱的直 徑相等、長細比

4、相同時，鋼管混凝土框架結構的各控制位移值大于鋼筋混凝土框 架結構的對應位移；鋼管混凝土結構的位移延性系數(shù)和彈性抗側剛度均比鋼筋 混凝土結構的大。由此可得出，鋼管混凝土框架結構的抗震能力與抗震性能明顯 優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構。試驗得出的鋼管混凝土 p- s滯回曲線均較飽滿，這充分說明鋼管混凝 土框架結構有很好的耗能能力。在破壞階段，雖然鋼梁出現(xiàn)屈服甚至屈曲，但由 于鋼管混凝土柱有較強的抗側剛度和良好變形。整個結構的P- $曲線無下降段，具有較強構的屈服荷載大于鋼筋混凝土 結構的屈荷載。說明鋼管混凝土框架結構較鋼筋混凝土框架結構的抗震性能好、 抗震能力強。通過比較研究鋼管混凝土框架結構的抗震性能和

5、變形能力較之鋼筋混凝 土框架結構有明顯的優(yōu)點應在實際工程設計中逐步推廣應用。圖二圖三4.2圓鋼管混凝土邊框剪力墻抗震性能試驗研究剪力墻是廣泛應用于高層建筑中的抗側力結構構件。近年來隨著自然災害的 不斷發(fā)生和建筑空間的需要，如何改善剪力墻的抗震性能是工程界十分關注的問 題。鋼管混凝土邊框剪力墻是近年發(fā)展起來的一種新型剪力墻形式。文獻1, 2 中對鋼管混凝土邊框剪力墻進行了系統(tǒng)的介紹，文獻3, 4對鋼管混凝土邊框 剪力墻進行了相關研究，文獻58對鋼管混凝土柱框架鋼管混凝土柱進行 了研究，這些文獻研究表明，鋼管混凝土柱框架和鋼管混凝土邊框剪力墻具有較 強的抗震性能。文中課題組對不同混凝土強度等級、不

6、同軸壓比、不同剪跨比、 不同強弱抗剪連接鍵等設計參數(shù)的矩形鋼管混凝土邊框剪力墻的抗震性能進行 了研究9, 10，研究表明，矩形鋼管混凝土邊框剪力墻具有較強的抗震性能。 為進一步了解這種新型剪力墻的抗震性能，筆者在以往研究的基礎上，對圓鋼管 混凝土邊框剪力墻進行了試驗研究總結。實驗表明，這種設計方案明顯提高了剪 力墻的承載力和耗能能力，改善了剪力墻的延性。4.2.1承載力表2為各試件的開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載的實測值。其中：Fc為開 裂荷載；Fy為明顯屈服荷載；Fu為極限荷載。由表2中數(shù)據的對比可見：圓鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載比普通 混凝土剪力墻SW-1

7、分別提高了 29. 59%、53.84%、57.43%充分說明了該新型 剪力墻具有較高的水平承載力。圓鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2在結構形式上比圓鋼管混凝土柱框架結構 CFST-1和普通混凝土剪力墻SW-1之和少了 2個鋼筋混凝土邊緣暗柱的前提 下，其極限承載力仍然高于CFST-1和SW-1之和，說明圓鋼管混凝土邊框剪 力墻在組合以后，各個部件的優(yōu)勢進行了互補，其極限承載力大于組合之前各個 試件單獨的極限承載力之和。4.2.2剛度及衰減過程：由表3可見：表2開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載實測值Table 2 Expentnental results of cracking load,yiel

8、d load and ultimate load試件編號FkNFrJkNF/kNFu相對值CFST - 1203.43280.53SW - 1184.64471. 60553,971.97SW -2239.28725. 52872.093l表3 剛度實測值Table 3 Experitnentcil results of stiffness試件編號KJ ( kN mm-1) KJ ( kN mm-1) KJ ( kN mm-1)CFST - I104.6735.01SW - I797.09174.19&L 34SW - 21003.21284,86103,35鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2由于含

9、鋼量的增大，其初始彈性剛度比圓鋼 管混凝土柱框架結構CFST-1和普通混凝土剪力墻SW-1明顯提高，開裂剛度比 普通混凝土剪力墻SW-1明顯提高。圓鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2的屈服剛度比圓鋼管混凝土柱框架結構 CFST-1和普通混凝土剪力墻SW-1明顯提高；圓鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2 的剛度衰減明顯慢于普通混凝土剪力墻SW-1，說明組合以后，圓鋼管混凝土邊 框剪力墻剛度衰減速度相對較慢，從而使得其后期剛度和性能相對于普通混凝土 剪力墻穩(wěn)定。4.2.3延性各試件位移及延性系數(shù)實測值見表4。其中：Uc為與Fc對應的開裂位移；Uy 為與Fy對應的屈服位移；Ud為彈塑性最大位移，其取值為荷載下降

10、至極限荷載的85%時所對應的位移；p = Ud /Uy為試件的延性系數(shù)。0 p為試件的彈塑性 位移角。由表4可以看出：圓鋼管混凝土柱框架結構CFST-1的延性較好，因此在和 普通混凝土剪力墻組合以后，普通混凝土剪力墻延性差的缺點得到了改善。SW-2 的彈塑性最大位移比SW-1提高了38.70%，SW-2的延性系數(shù)比SW-1提高了 20.00%。圓鋼管混凝土邊框剪力墻的彈塑性變形能力和延性比普通混凝土剪力墻 明顯提高。表4 位移及延性系數(shù)實測值Table 4 Experimental results of displacement and ductility coefficient試件端號偵、/

11、mm/mmUj / mm四體cfs f -5. SI32. 5()5.59/23SW -.()65.18.50土 051 M0SW - 20.847.0225. 663. 66/294.2.4滯回特性及耗能能力圖4為實測的各試件“荷載一位移”滯回曲線。由圖4可見：圓鋼管混凝土 邊框剪力墻SW-2滯回環(huán)飽滿，中部捏攏輕。同時，通過試件的滯回環(huán)所包含面 積可以反映出結構彈塑性耗能的大小，為了便于比較，文中取各試件滯回曲線的 外包絡線所包圍的面積作為各試件耗能大小的比較值，耗能實測值見表5。由表5 可知：圓鋼管混凝土邊框剪力墻SW-2的耗能值分別比圓鋼管混凝土柱框架結構 CFST-1、普通混凝土剪力

12、墻SW-1提高了84.33%、： 130.99%: 123.軟，說明圓鋼 管混凝土邊框剪力圭能明顯高于普通f /rn-上剪力墻，同時圓鋼混土邊框比圓鋼管L筋混凝土邊緣暗柱的前提下，其耗能能力仍高于CFST-1 和SW-1 之和32 868. 55kN mmE結構形式上J 6k ； - -汗柱框架結構CFST-通混凝土剪汀力墻SW-1之和少了2個鋼表5耗能實測值Table 5 Experitnental results of energy dissipation試件編號耗能 E，mmEp相封值CF5T -11881L 00SW - 114 5 74J MOSW - 233 696. 15L 84

13、4.2.5結論圓鋼管混凝土邊框剪力墻的抗震性能比普通混凝土剪力墻明顯提高。圓鋼管混凝土邊框剪力墻的抗震性能比普通混凝土剪力墻顯著提高，且其 承載力、抗震耗能能力均高于圓鋼管混凝土柱框架和普通混凝土剪力墻承載力、 抗震耗能能力之和。圓鋼管混凝土邊框剪力墻的破壞形態(tài)明顯不同，鋼管邊框的存在增大了剪 力墻的后期剛度，在剪力墻底部形成了塑性鉸耗能區(qū)域，有利于結構的抗震。圓鋼管混凝土邊框剪力墻可用于高層和超高層建筑的抗震設計。4.3鋼管混凝土框架加固后抗震性能的試驗研究4.3.1背景隨著材料的進步和建筑技術的日益完善，在工業(yè)廠房和高層建筑中越來越多 地開始采用鋼管混凝土結構。這種組合結構充分發(fā)揮了鋼材和

14、混凝土兩種材料的 優(yōu)點，通過它們在受力過程中的相互作用而彌補了兩種材料各自的缺點，因而具 備了優(yōu)越的工作性能。迄今為止，對方鋼管混凝土結構抗震性能的研究集中在基本構件、梁柱節(jié)點 等方面，對有關鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架結構的工作性能研究得不多。對 梁柱節(jié)點的修復與加固方法有多種，但需要試驗驗證其方法的有效性。王鐵成、赫桂強等人實驗框架是以天津市現(xiàn)代高層鋼結構住宅體系0試點 示范工程為原型，按1/3的比例縮小設計出的一棉三層兩跨方鋼管混凝土框架 (見圖1)?？蚣転閮煽?，跨度為1.5m，層數(shù)為3層，層高為1m。框架柱為方 鋼管混凝土柱，其截面尺寸為150mm 150 mm。鋼管由4塊Q 235B

15、鋼板焊接 而成，鋼板厚度為6 mm，內填標號為C40的混凝土，框架梁采用普通工字鋼I18, 材料采用Q235B。梁上下翼緣在柱邊緣處與柱子采用坡口對接焊縫連接，腹板與 焊接于柱子上的豎向鋼板采用高強螺栓連接?？蚣芄?jié)點采用內隔板節(jié)點，即在方 鋼管混凝土框架柱內，與梁上下翼緣對應位置設置兩塊內隔板，沿框架平面內方 向與柱子坡口對焊。為消除柱頂施加豎向荷載的千斤頂對頂層節(jié)點轉動造成約 束，柱子上端凸出110 mm的懸臂段。4.3.2結論通過對加固后的方鋼管混凝土框架進行低周反復加載的試驗研究，并與原框 架的試驗結果進行比較，可得出以下結論：加固后的框架在低周反復荷載作用下，與原框架相比，其承載力平均

16、提高了 約40%，位移平均增加了約15%。加固后的框架，其滯回曲線的飽滿程度要優(yōu)于原框架，無明顯捏縮現(xiàn)象；延 性系數(shù)較原框架大，耗能指標高于原框架，比原框架增加了約69%，Iw增加了 約18%，說明加固后的框架的抗震性能優(yōu)于原框架。加固后的框架的初始等效剛度大于原框架，但由于累積損傷，加固后的框架 強度和剛度的退化較原框架快，但框架頂層達到相同水平位移時，加固框架的承 載力和剛度都大于原框架，正向和反向剛度分別提高了約12.5%和65. 5%。采用本文的加固方案，由于節(jié)點連接形式的改善，保證了框架的整體工作， 使得梁、柱和節(jié)點充分發(fā)揮了作用，提高了框架的強度、剛度、延性、滯回性能 和耗能能力，

17、說明本文對框架的加固方法是可行的。原框架在低周反復荷載作用后，鋼管混凝土柱內的混凝土發(fā)生了不同程度的 破壞，且內部混凝土與鋼管發(fā)生了黏結破壞。但從試驗結果的比較來看，內部混 凝土和黏結的破壞對框架承載力的影響不大，對變形有一定的影響，使得框架的 變形增大。內部混凝土和粘結的破壞對鋼管混凝土柱的強度和變形的影響以及破 壞后鋼管和混凝土之間的相互作用機理有待于進一步探討和研究。參考文獻 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結構技術M.北京：中國建筑工業(yè) 出版社，2007. HAN Linhai, YANG Youfu. Modern concrete filled steel tubular struc

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