钢管混凝土结构抗震性能研究VIP

福建农林大学本科毕业论文0论文题目： 钢管混凝土结构的 抗震性能研究 学 院： 交通学院 专业年级： 2006 级 土木工程 学 号： 061329095 姓 名： 陈 建 平 指导教师、职称： 廖 飞 宇 2010 年 05 月 29 日福建农林大学本科毕业论文1Study on Seismic Behavior ofConcrete-Filled Steel Tube (CFST) StructuresCollege: Transportation College Specialty and Grade:Civil Engineering of Grade 2006 Number: 061329095 Name: Chen Jian-ping Advisor: Lecturer. Liao Fei-yu Submitted time: May，2010 福建农林大学本科毕业论文2目 录摘要1Abstract11.引言22.钢管混凝土构件的滞回性能22.1 钢管混凝土在反复荷载下的滞回性能22.2 影响钢管混凝土压滞回关系曲线的因素32.2.1 轴压比32.2.2 含钢率32.2.3 钢材屈服强度32.2.4 混凝土强度42.2.5 长细比43.钢管混凝土梁柱节点的抗震性能43.1 钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能43.1.1 钢管混凝土柱-钢梁节点滞回性能 53.1.2 影响滞回性能的因素53.2 其他形式节点抗震性能63.2.1 承重销式和穿心钢板式节点43.2.2 肋板式节点43.2.3 钢筋环绕式节点53.2.4 钢筋混凝土环绕式节点54.钢管混凝土框架结构的抗震性能75.钢管混凝土剪力墙的抗震性能96.钢管混凝土结构体系的抗震性能117.钢管混凝土抗震设计的关键及要点138.结语14参考文献15致谢16福建农林大学本科毕业论文1钢管混凝土结构抗震性能研究摘要：钢管混凝土除具有承载能力高，节约材料，施工简便等优点外，还具有抗震性能好的优点。本文将分别对钢管混凝土结构构件、梁柱连接节点、框架、剪力墙和结构体系在地震荷载的作用下进行综合性的研究，综合评定钢管混凝土的抗震性能，并归纳钢管混凝土结构的抗震设计方法，得出有价值的结论，为工程实践提供参考。关键词：钢管混凝土 抗震性能 结构构件 节点 框架 剪力墙 结构体系Abstract: In addition to a carrying capacity of concrete filled steel tube, saving material, the advantages of simple construction, it also has the advantage of good seismic performance. This paper will be on the steel tube structure component, beam connections, frames, shear walls and structural system under earthquake loads to undertake a comprehensive study, comprehensive evaluation of seismic performance of concrete filled steel tube, and summarized the Seismic Design of Concrete Structures method, obtained valuable results, provide a reference for the engineering practice.Keywords: Concrete filled steel tube; Seismic; Structural Components; Joints; Frame; Shear Wall; Structural System福建农林大学本科毕业论文21 引言钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。其工作的实质在于钢管及其核心混凝土的相互作用和协同互补。由于这种相互作用，使钢管混凝土具有一系列优越的力学行能，同时也导致了其力学性能的复杂性。钢管混凝土构件在受力过程中，由于钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土材料本身性质得到改善，既强度得以提高，塑性和韧性得到改善。同时，由于混凝土的存在可以有效地提高钢管的稳定性。在这种情况下，不仅钢管和混凝土材料本身的性质对钢管混凝土性能的影响很大，而且二者几何特征和物理特征参数如何“匹配” ，也将对钢管混凝土构件力学性能起着非常重要的影响。因此研究钢管混凝土结构抗震性能不能简单的与混凝土结构的抗震性能进行加减。而必须通过相应的试验研究来得出相应的结论 1。2 钢管混凝土构件的滞回性能2.1 钢管混凝土构件在反复荷载下的滞回性能文献2通过试件的测试发现，试件的破坏形态基本上是一致的，均为压弯破坏，图1 为试件的典型破坏形态。当荷载超过屈服荷载后，随着水平位移的逐渐增大，在弯曲应力最大的柱脚处开始形成局部的微弯曲。然后柱端顺弯曲方向向外局部凸起的范围逐渐增大，且渐沿环向发展。对于往复加载的情况，在水平推拉的过程中，由于位移是两个方向往复的，所以截面在两个方向都有鼓曲现象，到试件接近破坏时，鼓曲现象急剧发展，整个截面最终形成一个外向凸起的灯笼破坏形态，说明整个截面的混凝土已基本被压碎。图 1 钢管混凝土压弯构件在往复荷载下的典型破坏形态文献3,4采用了有限元分析方法得到了压弯构件的荷载-变形滞回关系曲线，图 2 为福建农林大学本科毕业论文3钢管混凝土压弯构件在反复荷载作用下典型的 P- 滞回关系曲线。可见，滞回性能稳定，基本无刚度退化和捏缩现象；曲线图形饱满，呈纺锤形，耗能性能好。这些都说明了钢管混凝土构件具有良好的抗震性能，滞回曲线并无下降段，表现出很好的延性，其形状与不发生局部失稳的钢构件的性能相近。这是因为钢管混凝土构件中的混凝土受到了钢管的约束，在受力过程中不会发生因混凝土过早被压碎而导致构件破坏的情形。此外，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管过早的发生局部屈曲。这样，由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势，可以保证钢材和混凝土材料性能的充分发挥。图 2 构件典型的 P- 滞回曲线 32.2 影响钢管混凝土压弯构件滞回曲线的因素根据以往大量的研究表明：轴压比、含钢率、钢材强度、混凝土强度及构件的长细比是影响钢管混凝土滞回关系曲线（弯矩-曲率和水平荷载-水平位移）的主要因素。 2, 5, 62.2.1 轴压比由试验的研究成果可知：当轴压比较小的时候，滞回曲线的骨架在加载后期基本上保持水平，没有明显的下降段；当轴压比较大的时候，则出现明显的下降段，说明试件的延性随轴压比的增大而显著降低。P- 滞回曲线的图像具有较好的饱满性，没有明显捏缩现象，表明构件具有良好的耗能性能和抵抗地震反应的能力了。 5 2.2.2 含钢率由钢管混凝土压弯构件在不同含钢率情况下的弯矩-曲率关系曲线，可知，其他条件相同的条件下，含钢率的提高，曲线弹性阶段的刚度有所提高，屈服弯矩也越来越大；由荷载- 位移关系曲线，可知，随着含钢率的提高，构件弹性阶段刚度和水平承载力都有福建农林大学本科毕业论文4所提高，下降段下降幅度也了略有减少，但含钢率总体上主要影响曲线的数值，对荷载-位移关系曲线的形状影响很小。 62.2.3 钢材屈服强度由钢管混凝土压弯构件在不同含钢率情况下的弯矩-曲率关系曲线，可知，其他条件相同的条件下，钢材屈服强度对曲线弹性阶段的刚度几乎没有影响，主要是由于钢材的弹性模量与其强度无关，但钢材屈服强度提高时，构件的屈服弯矩也逐渐增大；由荷载-位移关系曲线，可知，钢材屈服强度对荷载-位移骨架关系曲线的形状影响不大，随着钢材屈服强度的增大，构件的水平承载力有增大趋势 3。2.2.4 混凝土强度在其他条件一下的状况下，由不同混凝土强度条件下的弯矩-曲率关系曲线，可知，随着混凝土强度的逐渐提高，构件的屈服弯矩逐渐增大，而弹性阶段刚度则变化不大；由混荷载- 位移骨架曲线的影响，可知，混凝土强度的改变对构件弹性阶段的刚度影响不大，随着混凝土强度的增大，构件的水平承载力由增大的趋势，而位移延性有减小的趋势 3。2.2.5 长细比由于曲率与构件的长度无关，所以构件的长细比对弯矩-曲率关系曲线无影响；由不同长细比情况下的荷载-位移关系曲线，可知，构件长细比不仅影响曲线的数值，还会影响曲线的形状。随着长细比的增大，弹性阶段和强化阶段的刚度越来越小，水平承载力和逐渐减小 3。3 钢管混凝土梁柱节点的抗震性能“节点 “ 是钢管混凝土结构体系的核心部位。国内外专家学者提出了一些有代表性的节点型式,并从构造型式,力学性能,工作机理方面进行了试验研究.但真正对节点进行抗震性能方面的研究从 20 世纪 90 年代才开始.主要通过节点核心区的工作性能,节点梁端的 P- 滞回曲线,节点区的剪力-剪切角滞回曲线来分析节点的抗震性能。节点可分为铰接节点、半刚性节点、刚接节点，实际上，绝对的刚接节点是不存在的，而铰接节点的原理和构造都比较简单，只要设置牛腿传递梁端剪力。因此本文主要是针对刚接节点的抗震性能研究。抗震设计遵循着“ 强柱弱梁、节点更强 ”的设计原则，因此构件的破坏大多发生在梁端。目前钢管混凝土刚性节点类型主要有：外加强环式节点，承重销式和穿心钢板式节点，肋板式节点，钢筋环绕式节点，钢筋混凝土环梁式节点，当钢管截面尺寸较大时，还可采用内加强环式节点、锚定式节点、十字板式节点和钢筋贯通式节点等。福建农林大学本科毕业论文53.1 钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能钢管混凝土-钢梁节点有很多种形式，本文将对在大量实际工程中大量使用的中的加强环式节点的抗震性能做重点论述，如图 3 为典型钢管混凝土柱-钢梁节点。图 3 典型外加强环式节点 13.1.1 钢管混凝土柱-钢梁节点的滞回性能文献7为了能得到梁柱节点区的真实性能，设计了节点较弱的试件，包括强柱弱梁及削弱节点区两类节点，轴压比为 0.40.68。进行了反复循环荷载试验，达到了梁柱破坏前节点区首先剪切破话的目的。研究结果表明 7,8，由梁节点的荷载-位移滞回曲线(图 4)可知，曲线饱满，耗能能力很强，出现拐点后仍能保持承载力不变，变形逐渐加强。削弱节点区的滞回曲线呈梭形，曲线出现拐点后，承载力仍然继续增加，在钢梁屈曲之前始终没有下降段，且轴压荷载大的试件的滞回环更饱满，说明构件具有良好的可抗震性能。图 4 节点核心区的滞回曲线3.1.2 影响节点滞回性能的因素根据大量的试验和设计计算数据可以将影响钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能的因素归结成如下几种情况: 9福建农林大学本科毕业论文6、柱钢材的屈服强度；随着钢材的屈服强度的提高，节点抗弯承载力逐步提高，刚度有略有变化，总的来说钢材的强度主要在于影响曲线的数值，对形状影响较小。、混凝土强度；随着混凝土强度的提高，节点的抗弯承载力和初始刚度均有所提高，主要是由于混凝土的弹性模量随着混凝土的强度不断的提高，从而影响钢管混凝土的抗弯刚度。总体来说，对曲线形状的影响也不大。、含钢率；随着含钢率的提高，节点的初始刚度和抗弯承载力均明显提高，曲线的强化刚度也有所提高。含钢率对节点初始刚度的影响较为明显。、梁柱线刚度比；梁柱刚度比可反映梁对柱的约束程度，计算时梁柱线刚度比的变化通过改变梁长来实现。可见，随着梁柱线刚度比的增大，意味着梁对柱的约束增强，节点的初始刚度和抗弯承载力均有提高。、轴压比 n；随着轴压比的增大初始刚度变化不明显，轴压比在 0.3 以下时，随着n 的增大极限承载力略有提高。、梁柱刚度比；节点的初始刚度随梁柱刚度比的增大而增大，当梁柱刚度比较大的时候，有明显的强化段，但曲线形状变化不大。、柱长细比；节点的抗弯承载力随长细比的增大变化不明显。节点初始刚度随长细比的增大略有下降。3.2 其他形式节点抗震性能3.2.1 承重销式和穿心钢板式节点根据几种不同的承重销式和穿心钢板式节点的试验研究，可知，尽管各试件的破坏形态不同，但都表现出良好的延性。在钢管混凝土柱-钢筋混凝土单梁暗牛腿节点的试验中，节点的破坏均发生在梁端，出现塑性铰，且两个加载方向均表现出良好的耗能能力，滞回环饱满，成梭形，说明抗震性能良好 10,11。综上所述，此类节点具有传力明确，受力安全可靠，塑性性能好，但存在着用钢量大，且管内的焊接较困难等问题。3.2.2 肋板式节点这种节点的刚度大，承载力高，钢管柱参与梁柱弯矩分配的能力强，在力学性能上比较接近刚性节点，同时可以避免牛腿穿心带来的麻烦，是一种是用于普通钢筋混凝土楼盖的，综合性能较好的节点形式。其主要的弱点在于环梁钢筋较密，影响了节点区混凝土的浇筑 12。并且用钢量较大，钢管角部与肋板焊接处焊缝容易先破坏。3.2.3 钢筋环绕式节点通过对钢筋网或环形钢筋加强钢管不直通式节点进行了试验研究，该类节点的特点是钢管混凝土柱的钢管在梁柱节点区不直接通过，节点区混凝土采用梁板的强度等级，福建农林大学本科毕业论文7由此产生的轴向承载力的下降通过采用环梁加大节点区截面并配置水平钢筋网或环形钢筋来加强和提高。结果表明，试件破坏都是由钢管混凝土柱的压坏而导致，由于柱钢管不直通，梁纵筋或型钢可连续地通过节点区，节点区的链接构造形式简单。采用这种形式钢管混凝土柱-梁节点，其施工方法与钢筋混凝土柱-梁节点类似。由此可知，此类节点的特征是 13,14：钢筋混凝土梁属于连续梁，梁柱属铰接链接，梁的支座反力依靠明（暗）牛腿传递，传力明确，但施工较为复杂。3.2.4 钢筋混凝土环绕式节点通过几种钢筋混凝土环绕式节点的试验研究 15,16，可知，环梁的存在可以实现梁端先出现塑性铰，可避免梁端钢筋锚固时对钢管局部的撕裂破坏，并对节点核心区的钢管及混凝土起到保护作用。通过适当的截面设计可以使框架梁在环梁范围以外屈服，即使在环梁内屈服，节点仍然有很好的延性和耗能能力，可以满足抗震设计要求。当破坏发生在节点区外时，节点不会对钢管混凝土柱产生不利影响，并且提供约束作用，提高节点区强度。综上所说，可知钢筋混凝土环梁式节点的传力明确，受力较好，可以满足强柱弱梁，强剪弱弯及强节