组合结构体系抗震性能研究现状

1第一章 绪论1.1 组合结构简介与分类同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。由于组合结构相对于传统的单一结构而言，在工程稳定性、力学性能等方面都有较为显著地优越性，因而在国内外的工程中有着比较广泛的应用。目前国内外常用的组合结构有：（1）压型钢板与混凝土组合楼板；（2）钢与混凝土组合梁；（3）型钢混凝土结构（也叫劲性混凝土结构）；（4）钢管混凝土结构；（5）外包钢混凝土结构（6）组合砌体结构等几类。钢管混凝土结构在轴向压力下，混凝土受到周围钢管的约束，形成三向压力，抗压强度得到较大提高，故钢管混凝土被广泛地应用到高轴压力的构件中。外包钢结构在前苏联研究最早，应用最广泛，近年来我国主要在电厂建筑中推广使用了这种结构，取得不少工程经验和经济效益。现浇混凝土多层框架结构及楼板需满堂红脚手架和满铺模板，而采用组合结构柱、型钢混凝土梁和压型钢板与混凝土组合楼板等足以克服这些缺点，有较好的技术经济效益。由于组合结构有节约钢材、提高混凝土利用系数，降低造价，抗震性能好，施工方便等优点，在各国建设中得到迅速发展。我国对组合结构的研究与应用虽然起步较晚，但发展较快，目前有些已编入规范，有些已编成规程，对推动组合结构在我国的发展起到积极作用。1.2 组合结构的发展历史与应用现状组合结构的雏形最早于 1894 年出现于美国，当时出于防火的需要在钢梁外面包混凝土，但并未考虑混凝土与钢的共同受力。具有现代意义的钢一混凝土组合梁出现于 20 世纪 20 年代，并在 30 年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法。1908 年美国首先对外包混凝土的钢柱进行了试验，此后的一系列研究证明混凝土的存在可以提高柱的承载力。60 年代后当钢管结构得到应用后不久，又出现了在钢管内填充混凝土的钢管混凝土结构。由于两种材料之间的相互约束作用，钢管混凝土的性能比外包混凝土柱显著增强。早期的组合结构主要采用钢材与混凝土两种材料，将钢梁、混凝土板、钢管、钢2骨等不同构件单元组合在一起共同工作。随着压型钢板、玻璃、FRP 等新型材料以及高强度合金、高性能混凝土的开发应用，近年来组合结构的类型也在不断扩大。随着组合结构的推广应用，在相关研究工作的基础上，部分国家也制订了多部有关组合结构的设计规范。1944 年，美国 AASHTO 规范首次列入了有关组合梁的设计条文。美国 AISC、加拿大建筑设计规范、德国 DINl078 分别在1952 年、1953 年和 1954 年首次列入有关组合梁的设计条文。1981 年由欧洲国际混凝土委员会(CEB)、欧洲钢结构协会(ECCS)、国际预应力联合会(FIP)以及国际桥梁与结构工程协会(MBsE)共同组成的组合结构委员会颁布了组合结构规范(Composite Structures，Model Code)。以该规范为基础进行修订和补充，欧洲标准委员会(CEN)于 1994 年颁布了欧洲规范 4(ECA)，这是目前世界上关于钢。混凝土组合结构最完整的一部设计规范，为组合结构的研究和应用作了比较全面的总结，并指出了今后的发展方向。我国在 1974 年颁布的公路桥涵设计规范(试行)第五章中首次提到了组合梁的设计概念，并于 1986 年颁布的公路桥涵钢结构及木结构设计规范中对有关组合梁的内容进行了补充。1988 年，我国钢结构设计规范(GBJ1788)首次列入了一章“钢与混凝土组合梁”的内容，标志着钢一混凝土组合梁在我国的应用开始受到广泛的重视。随后，钢一混凝土组合楼盖结构设计与施工规程、钢管混凝土结构设计与施工规程、钢骨混凝土结构设计规程、钢混凝土组合结构设计规程等一系列规程的颁布对促进组合结构在我国的发展起到了重要作用。2003 年颁布实施的钢结构设计规范(GB 50017-2003)中有关组合梁一章的内容，在原规范基础上得到了进一步的充实和拓宽，增加了叠合板组合梁、连续组合梁等设计内容，吸收了我国近年来在钢混凝土组合梁研究和应用领域的最新成果，并首次采用了较为精确的折减刚度法来计算组合梁的刚度。随着建筑材料、设计理论和设计方法的发展，组合结构也由构件层次向结构体系方向发展。组合结构体系是由组合承重构件或组合抗侧力构件形成的结构体系，可以充分发挥不同材料和体系的优势，克服传统结构体系的固有缺点。例如，纯钢结构随着建筑高度的增加，存在侧向刚度小、抗侧移能力相对较差等问题，在地震和强风作用下易产生过大的振动，影响正常使用的舒适度，并且钢结构抗火能力相对较差、防腐代价相对较高。对于钢筋混凝土结构，随着建筑层数的增加和柱网尺寸的增大，单柱荷载的增大使得柱截面不断加大，从而形成对抗震不利的短柱。而且混凝土本身延性较差，为提高结构安全性所采取的很多构造措施又大大增加了施工的难度和成本。通过组合概念则可以充分发挥钢材和混凝土的各自材料特性，形成一系列新颖、高效的结构体系。目前，我国已建成或在建的上海环球金融中心(492m)、金茂大厦(421m)、深圳地王大3厦(384m)、赛格广场(292m)等超高层建筑以及上海杨浦大桥(602m)、东海大桥(420m)、芜湖长江大桥(312m)、深圳彩虹桥(150m)等大跨度桥梁都全部或部分采用了组合结构。在高层及超高层结构领域，日本曾于 1992 年建造了两幢高度分别为 78m 和 107m 的钢框架混凝土核心筒组合(混合)结构的高层建筑，并结合这两幢建筑对这种结构形式开展了研究。近年来，钢一混凝土组合结构体系开始大量用于我国高层建筑特别是超高层建筑结构，其中已建或在建的一百多幢高层钢结构建筑中，一半以上都全部或部分采用了组合结构体系。组合结构体系兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低的优点，在很多情况下被认为是一种符合我国国情的超高层建筑结构形式。在解决了钢材与混凝土之间抗剪连接的疲劳问题后，组合结构在桥梁结构领域获得了迅速发展。简支组合梁桥能够充分发挥不同材料的性能，是一种得到广泛应用的桥梁结构形式。随着技术不断发展，组合梁的应用范围也扩展到连续梁桥、拱桥和斜拉桥等多种桥梁结构体系。组合梁桥中的钢梁也由早先单一的钢板梁拓展到钢箱梁、钢槽形梁和钢桁梁等。与此同时，采用体外预应力来改善组合梁的受力性能也是一个发展方向。组合桥面系具有很高的强度和刚度，同时在造价、耐久性和行车舒适度方面也具有很强的竞争力。深圳北站桥(彩虹桥)则是首座全钢混凝土组合结构桥梁，主拱为四肢桁式钢管混凝土，桥面为预应力钢混凝土空心叠合板组合梁。20 世纪 80 年代初，法国首次设计和建造了采用波形钢腹板组合梁桥。这种组合梁桥利用波形钢板较强的抗剪和抗屈曲性能作为混凝土箱梁的腹板，同时利用波形钢板纵向刚度小的特点使其几乎不对预应力产生抵抗，从而大大提高了预应力导人的效果。1.3 本文研究背景地震是自然界中危害最严重的灾害之一，破坏能力强，对人类危害极大，也是大部分工程结构的关键控制荷载之一。我国是一个地震频发的国家，6 度以及 6 度以上地震区几乎遍及全国各个省和自治区，约有一半城市位于基本烈度 7 度和 7 度以上地区。2008 年 5 月发生在中国四川的“5.12 汶川大地震”更是造成了人员的巨大伤亡、房屋的大量破坏和倒塌，从而引发了一系列社会问题和经济问题。结构抗震成为一门工程科学是在 20 世纪 20 年代左右，至今已有 90 年左右的历史。目前进行结构的抗震性能研究最主要的两种方法就是振动台试验法和理论计算分析法。振动台试验是指按照一定的相似关系，将原型结构换算成模4型结构，并制作相应的模型，通过振动台输入地震记录，并通过预先先布置在模型结构上的传感器获得模型结构在不同地震输入过程中的频谱、加速度、应变、位移等特征，再将结果按照相应的比率转化到原型结构。振动台试验法，可以直观的反应结构在不同地震波输入下的结构抗震性能的变化，是最为有效的一种抗震研究方法，但是受到设备、经费等的限制，一般只针对个别较为特殊的建筑物进行振动台试验的研究。理论计算分析法主要包括：振型分解反应谱法、时程分析法等。建筑物是人类日常生活的空间，地震造成建筑物的倒塌破坏必将给人类造成严重灾害。据世界主要地震资料统计，世界上 130 多次伤亡巨大的地震中，95以上的人员伤亡是由于建筑物倒塌所致。随着科技的发展、社会需求的变化，高层建筑结构向高层次、高强度和组合结构发展，结构体系的选择将根据建筑的功能效果和外观以及建筑的可造性来决定，进而使得结构体系多样化和结构材料多样性。在 20 世纪 80 年代以前，我国的高层建筑大多采用钢筋混凝土结构形式，但随着建筑高度的不断增加和使用功能的日趋复杂，单一的结构形式已不能满足建筑设计要求。由钢混凝土组合梁或组合柱作为主要受力构件的组合结构体系由于兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、便于建筑平面布置等优点，得到了迅速的发展和越来越广泛的应用，成为目前在高层建筑领域内应用较多的一种结构形式。近年来国内建成或在建的高层及超高层建筑数量已达数百幢之多，其中除少数仍采用传统的钢筋混凝土结构形式外，大多数尤其是超高层建筑往往采用钢混凝土组合结构形式。例如上海金茂大厦、深圳中兴研发大楼、广州珠江新城西塔、大连国贸中心等高层建筑或超高层建筑都全部或部分采用钢混凝土组合结构形式。钢混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。钢混凝土组合结构是指含有钢混凝土组合构件的结构。钢混凝土组合构件主要有钢混凝土组合梁和钢混凝土组合柱。钢混凝土组合梁是由钢梁和混凝土板通过抗剪连接件连成整体而共同受力的横向承重构件。钢混凝土组合柱包括钢管混凝土柱和型钢混凝土柱。实际应用中，为了节约钢材和降低造价，大多数多层和小高层钢结构房屋常采用钢混凝土组合柱代替钢柱。组合柱在我国目前又以钢管混凝土柱为首选形式。钢混凝土组合构件可应用于各种结构体系中从而形成组合框架结构体系、组合框架剪力墙体系、组合框架核心筒体系、组合框筒结构体系等。钢混凝土组合结构同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，增加构件和结构的延性等；同钢结构相比，可以减小用钢量、降低造价、提高刚度、增加稳定性和整体性，增强结构的抗火性和耐久性等。5近年来，钢混凝土组合结构在我国的应用实践表明，这一结构体系具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，已成为结构体系的重要发展方向之一。钢混凝土组合结构是由钢、混凝土两种材料性能完全不同的结构组成，其抗震性能比钢结构和钢筋混凝土结构更复杂。虽然组合结构较少经历地震考验，缺乏震害资料，但在美国和日本均有由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体（或剪力墙）组成的混合结构的局部破坏记录，破坏的原因除了地震动较大之外，还与结构布置、结构设计以及构造措施等有很大关系。同样，由于我国很多城市位于高烈度区，钢混凝土组合结构也可能在强震作用下发生破坏，因此钢混凝土组合结构抗震性能的研究是不能忽略的。国内外对钢混凝土组合结构的基本构件（钢混凝土组合梁、钢管混凝土柱等）和不同类型组合构件的节点在静载和反复荷载作用下的力学性能进行了大量的理论和试验研究，提出了一些用于组合构件弹塑性分析的力学模型。但是由于组合构件的多样性、受力的复杂性以及试验手段、条件的限制，或由于试验目的的局限，这些力学模型具有一定的局限性，是否适用于钢混凝土组合结构整体弹塑性分析都需要进一步研究。通过对钢混凝土组合构件弹塑性模型的研究可以为组合结构整体性能的分析奠定基础。钢混凝土组合结构作为继钢结构和混凝土结构之后发展起来的一种重要结构形式，当前最重要的一个发展方向是从构件层次的研究转移到结构体系的研究上来，以便为实际的工程应用提供理论基础和可靠的技术保证。虽然钢混凝土组合结构在工程中得到了广泛的应用，但对钢混凝土组合结构整体抗震性能尚未开展系统研究，关于整体结构的抗震性能与试验研究工作还较为滞后。在我国，随着社会经济的发展，为满足建筑的要求，组合结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。国内还没有出台有关高层钢混凝土组合结构的抗震设计规程或规范，对其抗震性能研究也尚不够充分与完善，与之相应的试验工作开展的也不多，存在的主要抗震性能问题没能很好地解决，如各种组合结构的变形性能、受力机制，破坏状态、易损性能等。由于对钢混凝土组合结构抗震性能的研究开展不充分、设计依据不足，目前已建成的组合结构绝大部分分布在抗震设防烈度较低的城市。近年来，钢混凝土组合结构已逐渐在我国高烈度区开始应用，如何确保这种新型的结构体系在强地震作用下的安全性是一个亟待解决的问题。因此，对钢混凝土组合结构体系的抗震性能和易损性能开展系统和深入的研究，确定优良的组合结构抗震体系，提出实用的设计方法和建议，以及对组合结构的地震易损性进行6评估，均具有重要的意义。1.4 钢混凝土组合结构的特点和应用1.4.1 钢混凝土组合结构的特点钢混凝土组合结构是一种新型的结构形式，它充分发挥了钢与混凝土两种材料的优良特性，钢材具有良好的抗拉强度和延性，而混凝土材料则具有优良的抗压强度和较大的刚度，并且混凝土的存在提高了钢材的整体屈曲和局部屈曲胜能，由两种材料结合而成的结构在地震作用下具有良好的强度、刚度、延性以及较好的耗能能力。随着研究的逐步深入，钢一混凝土组合结构逐渐被应用于各类工业与民用建筑和桥梁、海洋平台等工程中，并成为高层建筑和大跨桥梁优先选用的结构形式之一，特别在抗震设防等级较高的地区比常用的钢筋混凝上结构和钢结构更具优势。随着建筑高度的增加、跨度的增大、建筑体形的多种变化，带来建筑的超限和不规则问题，建筑师常采用钢混凝土组合结构或混合结构来实现其建筑功能。钢混凝土组合结构构件通常分为五大类，即钢混凝土组合梁、压型钢板混凝土组合楼板、钢骨混凝土结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土结构。随着建筑材料、设计理论和设计方法的不断发展，组合结构的概念已经由构件层次拓展到结构体系的层次，组合的概念不仅仅局限于材料层次上钢与混凝土的组合，近年来，通过对不同结构构件以及体系之间的相互组合，形成了一系列新型而高效的结构体系，钢混凝土组合框架结构则是其中的代表之一。在钢混凝土组合框架体系中，钢和混凝土两种材料按一定的形式结合在一起，共同受力、变形协调，可以避免各自的缺点，充分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。同混凝土结构相比，它可以减少自重，减轻地震作用，减少构件的截面尺寸，增加有效使用空间，降低造价，节约模板并减少支模工序从而缩短施工周期，还可以增加结构的延性。同钢结构相比，它可以减少用钢量，增加刚度，增加稳定性和整体性等，能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术工业化的要求。1.4.2 钢一混凝土组合结构体系在国内外的发展与应用钢混凝土组合结构体系由于其自身的特点和优势，目前己经大量应用于7我国的大跨度、高层以及超高层建筑中。2004 年建成的山东滨州国际会展中心属于大跨度空间结构，占地面积 45000m2，建筑高度 28.4m。采用了钢管混凝土框架结构体系，工程实践表明，钢管混凝土框架结构体系在减小梁柱截面的同时，也能够保证框架具有足够的抗侧刚度和竖向承载力，具有较好的综合经济效益。己投入使用的福州万象城总建筑面积 89000m2，建筑总高度为 23m，上部结构采用框架结构体系。本工程的原设计方案拟采用钢结构柱，在经过方案比较和优化后，最终采用了钢管混凝土柱，经济效果和建筑效果良好。钢管混凝土用于多、高层和超高层建筑的柱结构和抗侧力体系具有如下优点:构件截面较小，可以节约建筑材料，增加使用面积；抗震性能好；耐火性能优于钢结构，相对于钢结构柱可降低防火造价；在施工阶段，空钢管结构便于吊装和校正；便于采用“逆作法，或“半逆作法， ，的施工方法。基于上述优点，钢管混凝土正被广泛地应用于多、高层和超高层建筑中。2001 年建成的杭州瑞丰国际商务大厦总建筑面积 51095m2，最大建筑高度 89.70m，该工程为框架一筒体结构，采用矩形钢管混凝土柱，钢一混凝土组合梁、压型钢板组合楼板和钢筋混凝土核心筒。广州合景国际金融广场网位于广州市珠江新城，主体高度 178m，屋顶有钢构架延伸至 198m 高。该工程为国内首个采用全钢管混凝土柱、部分跨间加钢斜撑的超高层建筑。位于天津市和平区的天津津塔，主体高度 330m，建成后将成为世界上最高的钢板剪力墙结构，结构体系仍可视为框架一核心筒一伸臂体系，外框柱由 32 根直径 1.21.6m 的圆钢管混凝土柱组成，而核心筒则由带钢管混凝土端柱的 7 道横向钢板剪力墙和 1 道纵向剪力墙构成。2008 年建成的广州西塔，位于广州市珠江新城，主体高度 432m，结构体系为典型的筒中筒结构，内筒为不等边六角形钢筋混凝土筒，外筒由 30 根圆钢管混凝土柱所形成的巨型斜交网格构成。由上述工程实例可以看出，随着技术的发展与进步，钢混凝土组合结构体系正得到越来越广泛的应用。1.5 钢混凝土组合结构抗震研究现状概述美国 Northrdge 地震( 1994) 和日本神户地震(1995) 表明， 钢结构和钢混凝土组合结构的震害比人们预计的要严重， 特别是连接节点的损伤断裂比较严重，一旦主震烈度较大， 地震持续时间长或主震后又多次发生较强余震，某些部位的局部破坏将使结构进入弹塑性变形阶段而最终导致结构的整体破坏，因此开展组合框架整体结构的抗震试验具有十分重要的意义和工程应用价值。8对于常用的钢混凝土组合结构体系来讲，钢混凝土组合框架是其基本结构，广泛应用于钢混凝土组合框架结构、钢混凝土组合框架核心筒结构、组合框筒结构等多种结构体系中。组合框架作为组合结构的基本结构有不同的类型，如钢管混凝土柱框架、型钢混凝土框架、组合梁框架等。目前对钢管混凝土框架和型钢混凝土框架的试验研究相对较多，但对组合梁框架尤其是组合梁钢管混凝土柱框架的试验研究工作较少。对于钢梁钢管混凝土柱框架结构，目前开展的低周反复水平荷载试验研究主要有：钟善桐，张文福等对 4 个钢梁圆钢管混凝土柱单层单跨框架进行了恒定轴力和水平往复荷载共同作用下的试验研究。研究了轴压比、长细比、梁柱线刚度、钢材的屈服弯矩比对滞回曲线形状的影响。结果表明，试件的侧向力和位移的滞回环很饱满，刚度退化缓慢，表现出很大的延性和很高的耗能能力。李斌等进行了工字梁单层单跨圆钢管混凝土柱平面框架的试验研究，实测结果表明，钢管混凝土框架具有良好的变形能力，曲线形状饱满，无捏拢现象，基本无刚度、强度退化现象。李忠献等对一榀 2 跨 3 层钢梁圆钢管混凝土柱框架结构模型，进行恒定竖向荷载和低周反复水平荷载共同作用下的抗震性能试验研究。结果表明：框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等性能均满足延性框架的抗震要求，由此可以得到钢管混凝土框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构和钢框架结构。王来、王铁成等 2设计了一榀 2 跨3 层钢梁方钢管混凝土柱框架模型，通过拟静力试验研究了框架在低周反复水平荷载作用下的滞回性能，并进一步探讨了承载力、延性、耗能及变形能力、刚度退化和破坏机制等性能。王文达、韩林海等进行了 4 组 12 榀钢梁圆形及方形截面钢管混凝土柱平面框架在恒定轴力和水平往复荷载共同作用下的试验研究。研究了柱截面形状、含钢率、轴压比、梁柱线刚度比等变化时钢梁钢管混凝土柱平面框架的力学性能及破坏规律。结果表明，钢管混凝土框架具有良好的抗震耗能能力。Mat 和 Morino、Kawaguchi 等进行了单层单跨的 H 型钢梁方钢管混凝土柱平面框架在反复荷载作用下的试验研究。上述试验研究得到的钢管混凝土框架的滞回曲线饱满，稳定性好，没有明显的刚度退化现象，说明此类结构体系具有良好的抗震性能。对于钢梁钢管混凝土柱框架结构，开展的振动台试验研究主要有：童菊仙等对一个 5 层 2 跨两开间的方钢管混凝土柱钢梁框架结构，进行了无侧向耗能支撑和有侧向耗能支撑两种结构体系的动力特性试验和地震模拟振动台试验。许成祥等对一个单跨 8 层两开间钢管混凝土柱钢梁框架结构模型进行了模拟地震振动台试验。研究了模型结构在地震作用下加速度、位移和应变反应。黄襄云、周富霖进行了 2 跨 5 层钢骨混凝土梁圆钢管混凝土柱平面框架振动9台试验研究。以上试验结果均表明，根据现行规范所设计的钢管混凝土柱框架能满足地震区的抗震设防要求，具有较好的抗震性能。钢混凝土组合梁框架的试验研究主要有：Kuniaki 等分别对单层单跨的钢框架和组合梁钢框架两种形式的平面框架进行了低周反复荷载试验和拟动力试验研究，研究了混凝土楼板组合作用对框架结构性能的影响。试验结果表明，混凝土楼板组合作用对钢框架结构的动力性能有很大的影响，增加混凝土楼板后在相同强度的地震作用下钢框架结构的顶点位移和梁端转角都有所减小。薛伟辰、李杰等对预应力组合梁钢框架的抗震性能进行了试验研究和滞回性能分析。基于预应力组合梁钢框架的低周反复荷载试验，对其破坏形态，破坏机制、位移延性、耗能能力、刚度退化、变形恢复能力等抗震性能进行了较为系统的研究，并根据试验结果编制了预应力组合梁钢框架滞回分析程序，计算值和试验结果吻合较好。研究结果表明，这种预应力组合梁框架具有较好的抗震性能。聂建国等分别对 6 组 4 柱距、4 层单跨钢框架（无支撑、带水平支撑）和组合梁钢框架（无支撑、带水平支撑）两种形式的框架结构进行了拟静力及低周反复荷载试验，研究了钢框架与组合框架、组合框架与带楼面支撑组合框架在弹性阶段抗侧力性能的差异以及考虑组合作用以后取消楼面水平支撑的可行性；并研究了塑性阶段组合楼盖的隔板性能，以及楼板组合作用对钢框架结构性能的影响。杜新喜、程晓燕等针对组合框架梁在梁端存在较大负弯矩及混凝土不能承受较大拉应力的状况，提出了在框架梁的负弯矩区段采用 T型钢梁加强的组合框架梁模型。通过两个组合框架梁单层框架足尺模型的试验研究，得到新型组合框架梁的荷载挠度曲线，截面应变分布曲线。根据试验结果，T 形加强截面能有效提高梁