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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-10-31浏览：23次
摘要：简要论述了钢管混凝土构件、梁柱节点、空间桁架动力性能和框架结构等方面研究结论，并提出有待解决的问题。
关键词：钢管混凝土；抗震性能
自上世纪八十年代后期开始，钢管混凝土逐渐用于高层建筑中，从局部采用到整体采用，发展十分迅速，是因为它具有一系列的优点：承载力高，抗压和抗剪性能好，可以减小柱的截面尺寸，节约建筑材料，增加建筑空间；塑性和韧性好，抗震性能优越，延性好，耐火性能好；钢管取材容易，制作工厂化，施工安装方便，符合现代化施工技术的要求。
在发生地震时，由于钢管的约束作用，混凝土不发生剥落或崩裂，使混凝土优越的抗压性能得以充分发挥，同时钢管本身又具有良好的抗拉性能，因此钢管混凝土具有很好的抗震性能。为了使钢管混凝土能够安全可靠的用于高层建筑，必须对其抗震性能进行全面深入的研究。
1钢管混凝土构件在反复荷载作用下的和滞回性能和延性[1]
当钢管混凝土构件用于地震区的建筑物时，为了防止建筑物受到地震作用的破坏，需进行抗震设计规范中规定的结构弹塑性地震反应分析。因此，研究钢管混凝土构件的滞回性能，确定滞回曲线模型，作为结构弹性地震反应分析的基础。
研究构件在反复荷载作用下的滞回性能，一般在框架体系中取出一根柱子，两端固定，在上端受定值N轴心力和反复水平力P的作用，然后取出下半根柱子，在N和P的作用下，进行试验，以获得和滞回曲线。
钢材的本构关系采用双线型模型，近似的模拟了钢材的弹塑性阶段，把塑性阶段和强化阶段简化为一条斜直线。混凝土的本构关系采用边界面模型，根据此模型，对混凝土在各种荷载作用下的荷载-应变关系做了计算比较，和试验结果吻合良好。
根据有限元方法，单元采用八节点等参单元，采用位移加载法，对构件进行试验和分析得到的典型骨架曲线和滞回曲线，无下降段，曲率延性极好，从这一点看，钢管混凝土构件的抗震性能胜过钢结构。滞回曲线很饱满，位移延性和耗能性能都很好。
2钢管混凝土框架梁柱节点的抗震性能
钢管混凝土结构的梁柱连接节点形式主要有外加强环式、内隔板式、全焊接连接、栓焊混合连接和锚定式连接等。
哈尔滨工业大学张大旭[2]等对加强环式节点进行了试验研究，其设计了两组梁柱节点，一组考察了梁端发生破坏时节点的动力性能，另一组考察在削弱核心区情况下节点核心区发生破坏时节点的动力性能，试验结果表明钢管混凝土梁柱节点具有较高的抗剪承载力和良好的抗震性能。
山东建筑工程学院周学军和曲慧[3]对栓焊混合连接和全焊接连接在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了试验研究，通过三维实体建模，利用非线性有限元方法研究了两种节点的滞回性能，并对两种节点形式的抗震性能进行了比较，结果表明全焊接和栓焊混合连接的方钢管混凝土框架梁柱节点在低周往复荷载作用下的滞回环相当饱满，节点的耗能比和延性系数都较大；全焊接连接节点的抗震性能优于栓焊混合连接节点的抗震性能。
内隔板式节点是钢管混凝土体系中研究和应用最广泛的节点形式之一。西安建筑科技大学王先铁[4]等通过低周反复加载试验对3个内隔板一面贯通式节点进行了试验研究，研究了不同轴压比情况下节点的滞回性能、强度及刚度退化、延性、耗能性能及破坏特征。试验结果表明试件的层间位移延性系数为2.11~2.32，峰值荷载时的能量耗散系数为1.141~1.502。在保证节点加工质量的前提下，内隔板一边贯通方钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点可以替代传统的内隔板式节点。
3钢管混凝土空间桁架的动力性能
到目前为止，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。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：1）钢筋混凝土内筒和钢框架的抗弯刚度相差悬殊，在风荷载与地震作用下抗弯时，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，既浪费钢材，又增加了结构的复杂性。2）在强大的侧向荷载作用下，内筒难免开裂，刚度将迅速下降的这一问题尚无足够的研究。3）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；4）内筒自重很大，增加了基础的负担，提高了工程造价。
钟善桐，张文福，屠永清[1]等结合工程进行了一个模型试验，中心为8根钢管混凝土柱组成的空间桁架体系内筒，每两根钢管混凝土柱加横杆组成的平腹杆多层框架，共4片；再用人字形斜腹杆缀材将4片多层框架相连，组成8边形空间体系，实际上是混合结构体系，由框架及桁架体系组成。对该体系进行的伪动力试验，结论如下：钢管混凝土空间析架，虽然因灌注混凝土增大了质量，但阻尼增大更多，因而地震反应反而比空钢管体系低；滞回曲线饱满，反映具有良好的延性和吸能能力；滞回曲线稳定性好，无明显的刚度退化现象；即使体系中的桁架腹杆，大批的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。由此可见，采用钢管混凝配合空间桁架作抗侧力内筒，具有良好的抗震性能。
4钢管混凝土框架结构的抗震性能
广州大学工程结构抗震中心黄襄云[5]等分别将试验模型的钢管混凝土框架结构的钢管柱按等强度（EA相等）换算为钢筋混凝土结构，换算后的钢筋混凝土柱的直径为（164mm）；按等刚度（El相等）换算为钢筋混凝土结构，换算后的钢筋混凝土柱的直径为144mm；等直径换算后的直径仍为102mm。通过SAP2000程序，对钢管混凝土结构和上述3种换算的钢筋混凝土结构的抗震性能进行了比较研究，以综合评定钢管混凝土结构的抗震性能。
从理论上分析比较了两种结构的动力特性、多种地震波输入下的结构加速度反应和位移反应，得到如下的结论：当钢筋混凝上结构的抗弯刚度与钢管混凝土的相等时，此时钢管混凝上结构柱承担的轴向压力比钢筋混凝上结构的大，两种结构的地震反应剪力和位移基本相同，但钢管混凝土结构体系的反应加速度较小，层间位移也较小，钢管混凝上结构体系的抗震性能优于钢筋混凝土结构体系。
当钢筋混凝土结构的强度与钢管混凝上的相等时，钢筋混凝土结构承担的轴向压力与钢管混凝土结构的相同、直径却是后者1.61倍，钢管混凝土结构体系地震反应加速度和剪力均比钢筋混凝土结构减小许多，但钢管混凝上结构体系的位移和层间位移却有所增大、但小于等刚度换算时的层间位移值。
当钢筋混凝土结构柱的直径等于钢管混凝土结构的直径时，两者的地震反应加速度接近相等，钢管混凝上柱结构的剪力、位移和层间位移均比钢筋混凝土结构的小，钢管混凝土结构的抗震性能明显优于钢筋棍凝土结构。此时，钢筋混凝上结构的层间位移和结构顶点位移均达到或超过了限值。
5结论
综上所述，钢管和混凝土之间的相互作用使内填混凝土的破坏由脆性变为塑性，构件的延性明显改善，耗能能力显著提高。在压弯反复荷载作用下，钢管混凝土结构的吸能性能好，基本无刚度退化和强度衰减现象，与不发生局部失稳的钢构件基本相同，且无局部屈曲发生。与钢筋混凝土柱相比，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。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，地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。
有待解决的问题：
1）钢管混凝土柱节点力学性能的研究问题。至今仍没有一套完整的计算理论和设计方法，现有大多数是依靠经验和试验结果进行截面设计的，这不利于结构的可靠度控制。
2）环境温度对钢管混凝土性能的影响问题。如何确定钢管混凝土构件在火灾、均匀或非均匀升温下的力学性能的影响，并将这种影响引入其强度和温度挠度的量化公式中。
3）核心混凝土的徐变对钢管混凝土承载力的影响问题，各国学者对该问题的看法很不一致，至今仍处于试验阶段。为确保钢管混凝土结构的安全使用，有必要进行深入的研究。
参考文献：
[1]钟善桐，张文福，屠永清，等．钢管混凝土抗震性能的研究[J]．建筑钢结构进展，2002，4（2）：3-15．
[3]周学军，曲慧．方钢管混凝土框架节点在低周往复荷载作用下的抗震性能研究[J]．土木工程学报，2006，39（1）：38-42．
[4]王先铁，郝际平，孙彤，等．新型方钢管混凝土梁柱节点抗震性能研究[J]．重庆建筑大学学报，2007，29（2）：73-77．
[5]黄襄云，周福霖，徐忠根，等．钢管混凝土结构抗震性能的比较研究[J]．世界地震工程，2001，17（2）：86-89．
《浅谈钢管混凝土结构抗震性能研究》
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文章名称： 浅谈钢管混凝土结构抗震性能研究
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