（固体力学专业论文）新型钢造粒塔抗震体系研究及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 采用高塔造粒方式进行复合肥生产，能够提高复合肥氮的含量，生产出作物 实际需要配比的复合肥。尿素造粒塔既是一种高耸构筑物，也是尿素生产中 的重要化工设备。在设计尿素造粒塔时，不仅要满足工艺生产的条件，还应 满足结构强度和稳定性的要求，以确保化工生产持续正常运转。因此，开展 造粒塔结构分析研究，对其进行科学合理的设计具有重要的意义。 传统的造粒塔多采用钢筋混凝土结构，施工麻烦、进度慢，为了满足塔体的 抗震性能，必须把复合肥的生产装置放在塔底，增加了复合肥工艺生产的复杂性。 本文以湖北洋丰集团有限公司造粒塔工程为背景，改变传统造粒塔的结构设计形 式，采用钢管混凝土结构体系，加快了施工进度，通过在钢管混凝土柱之间加设 双杆件支撑，不仅改善了塔体的稳定性和抗震性，而且可以把生产设备放置造粒 塔顶部，缩短了物料在系统中的运行周期，使生产效率得到了提高。 本文的主要工作和成果是： 1 、对塔式结构及钢管混凝土结构发展做了简要总结，并对本文所需用到的 分析方法及原理进行叙述。 2 、根据某工程9 8 米高钢造粒塔的结构特点和工作原理，分别用软件s a t w e 和s a p 2 0 0 0 建立了有限元空间结构分析模型，该模型采用钢管混凝土柱结构，柱 与柱之间的支撑采用两个空心钢管连接。 3 、用振型分解反应谱法和时程分析法对该塔进行地震作用下的受力分析。 选取三条实际地震记录输入进行时程分析，分别用x 向、y 向地震输入。分析结 构的受力、侧移情况。计算结构楼层位移及层间位移及其沿高度的分布，分析有 无突变。对内力和变形较大的部位及构件进行分析，找出结构的薄弱环节。 4 、通过两个软件的运算，其得到的计算结果用来反分析及验算，优化设计。 为工程设计提供计算结果，为工程实践提供参考。 5 、最后希望通过用两种软件的计算分析来论证该造粒塔设置双杆件支撑来 控制结构侧移作为一种既有效又经济的方法是合理可行的。 关键词：钢造粒塔，抗震，s a t w e ，s a p 2 0 0 0 a b s t r a c t u s i n gt h eh i g ht o w e rp e l l e t i n gm e t h o dt o c a r r yo nt h ec o m p o u n df e r t i l i z e r p r o d u c t i o nc a ni m p r o v et h ec o n t e n to fn i t r o g e nf e r t i l i z e ra n dp r o d u c ea r a t i oo ft h e a c t u a ln e e d so ft h ec r o pf e r t i l i z e r t h et u r no u tc o m p o u n df e r t i l i z e rm u s tn e e dt ob ep u t i n t ou s ec o m i n gt ob ec o m p l e t e db u i l d i n gt h eg r a n u l et o w e r ，u r e ap r i l l i n gt o w e r i sn o t o n l ys t r u c t u r e s ，b u ta l s ot h ep r o d u c t i o no fu r e ai s a ni m p o r t a n tc h e m i c a le q u i p m e n t w h e nd e s i g n i n gt h a tu r e ap r i l l i n gt o w e r ，n o to n l yt om e e tt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n d s t a b i l i t yo ft h er e q u i r e m e n t s ，b u ta l s om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ， t oe n s u r ec h e m i c a li n d u s t r yt og i v eb i r t ht oac h i l dc o n t i n u i n gm o v i n gr o u n dr e g u l a r l y s o ，d e v e l o p m e n tu r e ap r i l l i n gt o w e rs t r u c t u r ea n a l y s i sr e s e a r c h1 sg r e a ts i g n i f i c a n c e t os c i e n t if i ca n dr a t i o n a ld e s i g n i nt h ed e s i g no ft h et o w e rg r a n u l a t i o n ，g r a n u l a t i o no ft h et o w e rp r o je c tb e f o r e t h eu s eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s ，c o n s t r u c t i o no ft h es l o wp r o g r e s so ft h e t r o u b l e i no r d e rt om e e tt h et o w e rs t r u c t u r eo f t h eb o d yo fe a r t h q u a k e ，t h ep r o d u c t i o n o fc o m p o u n df e r t i l i z e ri sp l a n t e do nt h eb o a o m i ts a t i s f i e dc e r t a i nc a l lf o ro ns e i s m i c r e s i s t a n c e ，b u ti ti n c r e a s e dt h ec o m p l e x i t yo ft h ec o m p o u n df e r t i l i z e rp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l et a k e t h eu r e ap r i l l i n gt o w e rp r o j e c to fh u b e iy a n gf e n g g r o u pc o m p a n ya sab a c k g r o u n d ，a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h es t a t u sq u o ， t h ep r o j e c tc h a n g e st h et r a d i t i o n a lt o p i c so ft h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo ft h et o w e r s d e s i g ni nt h ef o r m ，u s i n gc o n c r e t e f i l l e ds t e e l t u b u l a rs t r u c t u r e i th a ss m a l lc r o s s s e c t i o n 、g r e a tr i g i d i t y 、h i g ht e n s i l i t y 、h i g hd i s s i p a t i o ne n e r g yc a p a c i t ya n db e t w e e n t h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ec o l u m n sa d dt w o - p o l es u p p o r t f r o mt h es t r u c t u r eo f t h es y s t e mc o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r e st oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h et o w e r ，a l s oi t i s g o o df o rs e i s m i cr e s i s t a n c ea n ds p e e du pt h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s s i t s h o r t st h e m a t e r i a l si nt h es y s t e mt or u nt h ec y c l e ，s ot h a tg r e a t l ys i m p l i f i e st h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ep r i m et a s ka n dt h ea c h i e v e m e n th a v et h ef o l l o w i n gs e v e r a ls p o t s ： 1 、o nt h et o w e rs t r u c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b es t r u c t u r e m a d eab r i e fs u m m a r y ，a n dt h ea n a l y s i sm e t h o dw h i c ha n d t h ep r i n c i p l en e e d st ot h i s a r t i c l ec a r r yo nt h en a r r a t i o n 2 、a c c o r d i n gt ot h ew o r k so f a9 8m h i g hs t e e lt o w e rg r a n u l a t i o no f t h es t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n du s e ds o f t w a r es a t w ea n ds a p 2 0 0 0 s e d a r a t e l yh a se s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n ts p a t i a ls t r u c t u r ea n a t o m i cm o d e l t h e m o d e iu s e dc o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b ec o l u m ns t r u c t u r e ，b e t w e e n t h ec o l u m na n d c o l u m n 。s u p p o r tu s e st w oh o l l o ws t e e lp i p ec o n n e c t i o n s j 、c 哪o nu n d e rt h ee a r t h q u a k ef u n c t i o nw i t ht h em o d eo f v i b r a t i o nd e c o m p o s i t i o n 陀a c t i o ns p e c t r a lm e t h o da n dt h et i m ei n t e r v a la n a l y t i cm e t h o d t ot h i st o w e rt h es t r e s s a n a l y s i s 。s e l e c t st h r e ea c t u a le a r t h q u a k er e c o r d ( x ，i n p u tt o c a r r yo nt h et i m e i n t e r v a la n a l y s i s a n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h ef o r c eo rt h es i t u a t i o no f d i s p i a c e m e n t a n dc o m p u t a t e ss t r u c t u r ef l o o rd i s p l a c e m e n ta n dl e v e ld i s p l a c e m e n ta n da l o n gh i g h d 1 5 t n b u t i o nt oa n a l y s i se n d o g e n i cf o r c ec h a n g e s u d d e n l y c a r r yo nt h ea n a l y s i st ot h e e n d o g e r t i cf o r c ea n dt h ed i s t o r t i o nb i gs p o ta n dt h e c o m p o n e n ta n d6 n do u tt h e s t r u c t u r et h ew e a kl i n k 4 、c o u n t e r i n g a n a l y s i sa n dt h ec h e c k i n gc a l c u l a t i o nt h ec o m p u t e dr e s u i tb vt w o s o f t w a r e so p e r a t i o n s t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o v i d e st h ec o m p u t e dr e s u l ta n dt h e r e f e r e n c ef o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h ep r o j e c tp r a c t i c e 3 、a l s op r o v e dt h a tt h eu s eo fc o n c r e t e f i l l e d s t e e lt u b ec o l u m n sa n dd o u b l e - p o l e s u p p o n ，t h e s et h ei m p r o v e m e n tw h i c hd o e si nt h es t r u c t u r ei s r e a s o n a b l e f a v o l l st h e e a r t h q u a k er e s i s t a n c e k e yw o r d s ：s t e e lu r e ap r i l l i n gt o w e r , e a r t h q u a k er e s i s t a n c e ，s a t w e ，s a p 2 0 0 0 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：望盘澄日期：苎塑! ! 圣：监 关于论文使用授权的说明 本人元全 f 肼武议理i 大学硐夭保茸、便用学位论文的规定，即学校召权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 妊代 签名：妞导师签名：二嘉矿拶k 日期：业暑 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 塔式结构的概述 1 1 1 塔式结构的特点 第1 章绪论 高耸结构是一种高度较高、横截面相对较小、横向荷载起主要作用的细长构 筑物。高耸结构又可分为自立式的塔式结构和拉线式的桅式结构两类1 。 塔式结构固定于地面，其力学模型相当于悬臂梁，在横向荷载作用下，上部 截面较小，下部截面较大，形成“宝塔”状。 塔式结构的优点是：结构紧凑美观，可造就众多外形，很符合现代建筑美 学要求，占地较小，适合于城市建造，满足功能、观赏双全的建筑，成为标志性 景观；同时，塔式结构刚度较大，能满足变形受限制的工艺要求。其缺点是材料 较费，造价较高。 塔式结构按材料分有钢结构和钢筋混凝土结构两类。钢结构多数是空间桁 架结构，少数低矮的钢塔也有采用大直径单管塔( 通讯塔) 。钢筋混凝土塔多数 为圆筒形结构，高度不大的水塔采用构架式结构。 钢结构塔的优点是结构玲珑剔透，外形丰富多彩，构件可在工厂预制、工 地安装，质量保证，工期缩短；但钢结构防火、防锈性能较差。钢筋混凝土塔外 观厚实，立面变化较少，多数为现场浇筑施工，受到季节影响，其防火防腐较钢 塔要好。由于钢筋混凝土塔较重，增加了地基基础的投资，地震区对钢筋混凝土 塔更为不利。 1 1 2 塔式结构的应用 塔试结构的应用几乎涵盖整个工业部门，广播、电视、通讯等事业单位 自然少不了要建无线电塔、电视塔、微波通讯塔，其目的是把各种天线通过 塔“举 到一定高度来满足工艺要求。在电力、冶金、石油、化工、邮电、 交通、旅游等企业事业部门，各种高耸结构如烟囱、水塔、钻井塔、冷却塔、 排气塔、跳伞塔、导航塔、晾望塔、照明塔、风动机塔、指示灯塔、输电线 塔、火箭发射塔、天文观测塔、石油化工塔、测量绘制塔、大气监测塔等， 都有各自用途。此外，建筑施工用的塔式起重机也是一种高耸结构。 1 1 3 塔式结构的功能 塔式结构为自立式高耸结构，广泛应用于输电、无线通信、电视和调频发 武汉理工大学硕士学位论文 射、微波传输、大气检测、风力发电、卫星发射、储水、石化、排烟、广告标志、 旅游观光、军事、体育和广场照明等方面。 各种塔功能不同，结构设计的基本要求也不同。某些塔，如输电塔、排烟 塔、广告标志等对刚度要求不高；而有些塔，如微波塔、石化塔等对刚度要求很 高；还有些塔如旅游观光塔不仅对位移有限制，对加速度也有一定要求。这都是 使用功能差异造成的。 功能不同的塔，其基本构成也不同。 输电塔一般仅有少量人员上塔维修、施工、故只设爬梯，没有平台。但其 架线的塔头横担却相对较复杂，以适应悬挂多项电缆的功能要求。 多功能电视塔除了电视调频发射外，还兼有旅游观光功能，故经常有工作 人员和旅客上塔，为此在高空设置塔楼，在塔楼和地面之面设井道，井道中包括 电梯、消防楼梯和其他管道井，井道和塔身之间用横隔连接。 通信塔除安装天线外，还有简单的维修要求，故一般有直爬梯、缆线架、 简单的平台，并要求天线支架可以转动，以便维修。为了适应城市中心区缺乏建 塔场地的情况，还出现了单管塔、楼顶塔等等。 功能不同的塔，主要荷载的作用也不同。通信塔主要承受塔身及天线、平 台上的风荷载。输电塔承受塔身及导线的风载、导线的不平衡张力、断线作用等， 特别是在湿冷的山区，覆冰作用也是不可忽视的。多功能钢结构电视塔除了承受 风荷载之外，塔楼处的重力荷载和活荷载也占较大的比重。在寒冷地区，塔楼井 道内外的温差还会造成较大的温度效应。 总之，塔式结构的应用是相当广泛的，而塔式结构的类型也是很多。使用 功能的差异则是塔的分类的基本出发点 1 2 造粒塔的介绍 在2 0 0 1 年宁夏开元肥业引进第一套高塔造粒复合肥装置后，短短六年 时间，价值上千万的高塔肥生产装置已经上了将近4 0 套，产量也达到了三 百多万吨。高塔造粒进行复合肥生产，能够解决传统复合肥氮的含量不高的 问题，更容易生产出作物实际需要配比的复合肥。高塔复合肥以其养分稳定， 外观圆滑，不易板结，难以仿冒等的诸多优势，越来越受到农民的欢迎，并 逐步成为复合肥市场的主打品种。 1 2 1 我国高塔复合肥开发技术背景 化肥成粒一般有圆盘法，料浆法、挤压法和熔体造粒法，熔体造粒法也 称球化法，其广泛用于尿素、硝铵上，也可用于磷钱、硝酸磷肥和n p k 复 武汉理一1 = 大学硕士学位论文 合肥造粒上。球化设备( 造粒塔) 要有足够的自由下落高度，这种高度可能 高达7 0 米( 或更高) ，熔融物自上喷淋而下，与上升的空气流接触冷却固化。 目前比较典型的塔式复合肥工艺1 ： 1 挪威塔式喷淋造粒工艺 塔式喷淋造粒工艺是n o r s k h y d r o 公司上世纪六十年代末，也是世界上 最早提出的熔体造粒技术，并且是比较典型直接以熔融尿液( 或与尿素生产 线连接) ，与熔体磷酸一铵，粉状氯化钾为基质的复合肥生产工艺。 将浓度为9 9 的熔融尿液与通过管式反应器制得磷酸一铵熔体，分别用 泵打到造粒塔顶部的混合器，又与经过预热得氯化钾细粉一道混合，再经一 种底部有刮刀的旋转多孔喷头，以扇形覆盖面喷入塔内。在靠自重下降过程 中，被上升的气流冷却固化，于塔底收集得到复合肥。 2 荷兰国营矿业公司的硝基复合肥工艺 用氨与硝酸加压中和生产硝酸铵，在真空蒸发器中将7 2 的硝铵溶液浓 缩到9 2 9 4 ，然后与浓度为p 2 0 5 5 0 的湿法磷酸混合，混合物用氨中和 到反应生成磷酸一铵阶段，再在一个真空蒸发器中浓缩，形成1 7 5 的熔融 物，该熔融物含水量约0 5 ，并用泵送到造粒塔顶部的熔融物中间槽，与 预热的粉末状氯化钾在特殊混合机中混合，混合物直接加入旋转喷头进行造 粒。 该工艺要求氯化钾细度小于0 5 毫米，预热温度1 4 0 一1 6 0 ，混合时间 必须很短。 3 上海化工研究院工艺 在温度1 3 5 c 1 4 5 下，熔融的尿液与颗粒小于o 5 毫米预先加热到1 0 0 1 2 5 的其余原料，混合温度l1 5 c 13 5 ，并保持混合时间小于4 分钟。 利用复合盐的低共熔点形成流动性良好的n p k 共熔体，再通过喷头喷入造 粒塔内，在空气中冷却固化成颗粒。 1 2 2 造粒塔的选择 造粒塔一般为圆柱形( 高4 0 - 1 3 0m ，直径8 2 2i n ) 的高大混凝土或 金属构筑物。塔体造价一般为8 0 0 万元左右。造粒塔通风有机械和自然通风 两类，因此，也形成了两种不同的塔型。早期的造粒塔均采用机械通风，但 增加了运行成本。2 0 世纪6 0 年代初丌始应用空气热压头进行自然通风。在 同样的颗粒落程下，自然通风量比机械通风大约少2 0 3 0 ，因而传热温 差小，出料温度高。为了达到同样的冷却效果则需增加塔高，故基建成本较 高。自然通风由于热压头小，尽量减少进出风阻力，进出口尽可能敞开做到 武汉理t 大学硕士学位论文 横向尺寸大于纵向，并应考虑防风、防雨和调节风量的措施p 。 造粒塔的高度应是满足一定要求的最低塔高，从技术效果上说塔愈高愈 可靠。复合肥颗粒从塔顶自由落下( 自然冷却) ，若出塔物料温度大于4 0 ， 在塔底漏斗处易结疤，严重时导致系统停车，同时成品包装后易结块，影响 产品内、外在质量。为了保障成品内、外在质量，只有降低物料出塔温度， 把塔建高就是为了增加物料冷却时间。设计所依据的条件是大气温度、物料 出塔温度以及颗粒直径等。大气温度应选择1 年中高温季节的平均温度，物 料出塔温度不宜太高也不宜太低。物料出塔温度太高则物料未冷却固化，极 易黏附塔底，同时在后续的冷却过程中极易打磨出粉，不利于过筛：出料温 度太低，则在高湿度季节易出现产品吸潮。因此，必须根据当地的气候条件， 通过计算或查图表确定造粒塔的塔高和塔径。由于复合肥料浆的特殊性，其 熔融料浆温度比单一氮肥要低，料浆的冷却凝固时间要长，颗粒要大。 1 2 3 造粒塔的结构特点 尿素造粒塔是一个钢筋混凝土简体，采用滑模施工，其结构特点是卜1 ： ( 1 ) 刚度好。不易产生变形，简体结构避免了平面须设缝的问题。 ( 2 ) 整体性好。不易产生裂缝、断裂、扭曲等问题，塔壁较厚，亦不易损坏。 ( 3 ) 稳定性好。高径比在3 4 ，不会发生塌坍。充分的结构配筋，更增加了 其稳定性。 ( 4 ) 自然通风效果好。高度超过9 0m ，拔风效果十分显著。 ( ，5 ) 抗渗性好。在施工过程中加入水泥添加剂，整体结构密实，抗渗等级大 为提高。 1 3 钢管混凝土发展概况 1 _ 3 1 钢管混凝土杆件 1 钢管混凝土杆件( c f t ) ，是指在钢管内灌填混凝土所形成的组合杆件( 如 图卜1 所示) 。早期的钢管混凝土杆件是采用圆钢管( 如图卜1 a 所示) ，它是借 鉴钢筋混凝土圆柱中螺旋箍筋对核心混凝土的约束作用，结合型钢混凝土组合杆 件持征，融合、演变而成p 。 2 随着钢管混凝土柱在高层建筑中的应用同益广泛，而高层建筑的平面、 体形和使用功能又同趋多样化，单一的圆形钢管混凝土柱已不能满足要求，方形、 矩形以至t 形、l 形截而( 如图b 、c 、h ) 等异形钢管混凝土柱，也已在高层建 筑中得到应用。 4 武汉理- l = 大学硕十学位论文 i 口)( b ) 横向加勘肋 纵向加至扫肋 t c ) 约束托f 1 ( d ) 约束拉杆 ( p ) ( 厂j( 射 ( j i ，) 图1 - 1 钢管混凝土柱的截面形状 ( a ) 圆钢管；( b ) 方钢管；( c ) 矩形钢管；( d ) 二重钢管； ( e ) 横向加劲肋：( f ) 纵向加劲肋；( g ) 带约束拉杆；( h ) 异性钢管 3 对于特大荷载的大截面圆钢管混凝土柱，为了避免钢管壁过厚，也可考 虑在柱截面内部增设一个较小直径钢管，即二重钢管混凝土柱( 如图卜l d 所示) ， 内钢管的直径一般取外钢管直径的3 4 。 4 对于大截面方形、矩形、t 形、l 形钢管混凝土柱，为强化钢管对内部混 凝土的约束作用，井延缓管壁钢板的局部屈曲，宜加焊水平加劲肋( 如图卜1 e 所示) ，或按一定间距设置水平拉杆( 如图卜1 9 、h 所示) 。此外，为了加强钢管 内壁与混凝土的粘结，在内壁加焊一定数量的拴钉。 5 圆钢管多采用钢板以螺旋方式卷制焊接而成；方形、矩形及异形钢管( 如 图1 - 1h 所示) ，则采用多块钢板拼台焊接而成。 1 3 2 钢管混凝土结构的组成 1 钢管混凝土结构，是指其主要构件采用钢管混凝土杆件所形成的结构。 2 在高层建筑户中，钢管混凝土框架或框筒，是以钢管混凝土柱与钢梁、 型钢混凝土梁或钢筋混凝土梁所构成。 3 高层建筑采用大型支撑时，为了提高支撑斜杆的轴压承载力和稳定性往 往在斜扦的矩形钢管内充填高强、高性能混凝土，形成钢管混凝土组合杆件。 1 3 3 钢管混凝土国外应用情况 1 1 8 7 9 年英国最早将钢管混凝土杆件用于s e v e r n 铁路桥的桥墩，在钢管 内充填混凝土，以承受压力，并防止钢管内部锈蚀。 武汉理_ 【：大学硕十学位论文 2 2 0 世纪5 0 6 0 年代，在西欧、东欧各国，钢管混凝土杆件又推广应用 于单层厂房排架柱和多层厂房框架柱。但早期的钢管混凝土杆件，采用的钢管多 为热轧钢管，管壁厚、价格高；而且设计中不考虑钢管与内填混凝土相互作用对 承载力的提高。 3 在日本，1 9 2 3 年关东大地震时，钢管混凝土结构的破坏程度很轻，此后， 钢管混凝土结构得到较快的发展，在多、高层建筑中得到较广泛地应用。特别是 1 9 9 5 年阪神震后钢管混凝土结构更显示出其优良的耐震性能，近一步掀起对 钢管混凝土结构进行深一层研究的热潮。 4 近十余年来，在美、日、澳大利亚等国，建成的钢管混凝土结构高层建 筑已经超过4 0 幢。 5 目前，国外关于钢管混凝土结构的设计规程主要有：美国的a c i3 1 9 8 9 和l r f d ( 1 9 9 4 ) ；日本的a u ( 1 9 9 7 ) ；英国的e c 4 ( 1 9 9 6 ) ；德国的 d i n1 8 8 0 0 ( 1 9 9 7 ) 等。 1 3 4 钢管混凝土国内应用情况 1 2 0 世纪6 0 年代初，原中国科学院哈尔滨土建研究所即开展钢管混凝土 杆件的研究工作。之后，建筑材料研究院、北京地下铁道工程局、哈尔滨建筑大 学、冶金建筑科学研究院、电力部电力研究所和中国建筑科学研究院等单位、相 继对钢管混凝土结构的基本性能、设计方法、节点构造和施工技术等方面，进行 了比较系统的研究。 2 2 0 世纪6 0 年代中期，钢管混凝土杆件开始用于单层厂房柱扣地铁工程 中；进入7 0 年代钢管混凝土杆件在冶金、造船、电力等行业的单层和多层厂 房能够得到较多的应用。 3 2 0 世纪9 0 年代以来，钢管混凝土结构在高层建筑中得到较广泛的应用。 开始时，多用于高楼门厅需要控制截面尺寸的柱；以后，逐步推广应用于整个结 构。由于钢管混凝土构件具有截面小、刚度大、延性奸、韧性强、适宜采用高强 混凝土等优点，钢管混凝土正发展成为强风、强震地区起高层建筑的一种主导结 构类型。迄今为止，我国巳建成和拟建的钢管混凝土结构高楼近2 0 幢。 1 4 钢管混凝土结构抗震性能的研究发展状况 1 4 1 国外对钢管混凝土构件的抗震性能试验研究 国外一些学者在2 0 吐纪就开始对钢管混凝土结构进行了研究，他们的研究 主要集中在对钢管混凝土整个结构或单个基本构件，包括分析其工作性能、承载 6 武汉理t 大学硕十学位论文 力计算、设计方法、节点构造、施工技术以及动力性能研究等多个方面p 1 。 1 、国外对钢管混凝土柱与梁的试验研究 最早开展研究的是日本的九州大学，在1 9 6 5 年就进行了钢管配筋混凝土的 拟静力试验，获得了柱的滞回曲线，并进行了理论分析，随之使钢管混凝土动力 性能的研究逐步深入和细致。t o m i i 等通过拟静力试验研究了钢管混凝土短柱的 延性和耗能能力 7 1 ；s a k i n o 等通过拟静力试验分析了试验参数对构件抗震性能 的影响1 8 1 ：m a t s u i 等对钢管内壁有凸肋的方钢管混凝土柱进行了拟静力试验， 结果表明内凸肋提高了钢管与混凝土之间的约束效应，延性和耗能能力明显好于 没有内凸肋的方钢管混凝土柱p 1 ；o k a m o t o 等对离心法预制的灌高强混凝土的矩 形钢管混凝土柱进行了拟静力试验，结果表明柱的滞回曲线呈纺锤型且延性很好 。y a m a k a w a 等通过拟静力试验研究圆钢管配筋混凝土短柱的承载能力、延性 和耗能能力，但由于纵筋较多，钢管与混凝土之间的约束效应变小，导致滞回曲 线有一定的捏缩，另外配筋还造成钢材的浪费，并增加了施工难度。 在2 0 世纪八、九十年代，n a k a n i s h i 等通过拟动力试验研究了在地震荷载 作用下已破坏的钢管混凝土柱的极限强度、刚度和延性，试验获得的水平力与水 平位移滞回曲线仍很饱满，极限强度和延性优于相同截面的钢管柱“；s u n 等对 内加钢管的套管型方钢管混凝土柱进行了拟动力试验，研究了其极限承载能力和 延性，结果表明在地震荷载作用之后，这种钢管混凝土柱不需修复仍可承受较大 的水平荷载，抗震性非常好川；p r i e s t l y 等进行了方钢管配筋混凝土柱和圆钢 管配筋混凝土柱的拟动力试验，由于外钢管的存在，提高了柱的抗剪和抗弯承载 力，在延性系数达到很大时没有严重的强度和刚度退化，其延性和耗冉t 匕厶h 匕e , 力明显 优于钢筋混凝土柱，具有很好的抗震性能”。i c h i n o h e 等对高强材料组成的圆 钢管混凝土柱进行了试验，发现在地震荷载作用下，局部屈曲后柱的承载力降低 很小，且有足够的变形能力，抗震性能好“。 1 4 2 国内对钢管混凝土构件的抗震性能试验研究 钢管混凝土结构作为钢混凝土组合结构的一种重要形式在我国得到了较为 广泛的应用。与此同时我国的科研工作人员也对此结构进行了研究，并对钢管混 凝土梁柱节点的抗震性能做了一些理论和试验研究，这些结果对日后进行钢管混 凝土柱的动力分析提供了一定的参考依据。 l 、国内对钢管混凝土柱与梁的试验研究 国内对钢管混凝土柱与梁的研究，以哈尔滨建筑工程学院进行的试验较多， 其中在1 9 8 6 年和1 9 8 8 年做了两批圆钢管混凝土的压弯剪试验，较全面地观察到 了此类柱的延性、耗能和破坏性能，随后又进行了一批钢管混凝土柱的低周疲劳 7 武汉理工大学硕士学位论文 试验，并初步提出了钢管混凝土的疲劳寿命表达式；西安冶金建筑学院也进行了 圆钢管混凝土柱的拟静力试验和疲劳试验，并分析了试验参数对柱的承载力、延 性和耗能能力的影响。 福州大学的韩林海教授进行了包括钢管混凝土轴心受压短柱和受压长柱、纯 弯构件、压弯构件的静力试验及圆钢管和方钢管混凝土的滞回性能以及包括构件 防火、防震在内的钢管混凝土的动力性能等一系列研究，得到以“约束效应系数” 作为衡量钢管混凝土内的混凝土与钢管直接相互作用的基本参数，并且得出钢管 混凝土中核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而 且在破坏时产生很大的塑性变形，整个构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征。钢 管混凝土构件的弯矩一曲率和荷载一位移关系曲线图形饱满，呈纺锤形，吸能性 好且没有刚度退化现象，从而反映出钢管混凝土具有很好的抗震性能。 2 、国内对钢管混凝土柱与梁的节点试验研究 西安冶金建筑学院进行了钢管混凝土柱与钢筋混凝土双梁节点空间受力的 拟静力试验，并用有限元对此节点的承载力和变形进行了计算分析，最终得出此 类节点在反复荷载作用下的承载力良好可用于抗震设计的高层建筑中；哈尔滨工 业大学张大旭等对加强环式节点进行了试验研究，他们设计了两组梁柱节点，一 组按“强柱弱梁、节点更强”的原则进行设计，考察当梁端发生破坏时节点的动 力性能，另一组按“强柱、较强梁、弱核心”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，试验结果表明按“强柱弱梁、节点更强”的原则 进行设计的钢管混凝土梁柱节点试件滞回曲线非常饱满，节点转角位移较小，耗 能能力很强，具有较高的抗剪承载力和良好的抗震能力“。广州大学工程结构 抗震研究中心的黄襄云对钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接的节点进行了试验 研究，节点模型与原型比例为l ：2 。试验过程中节点长梁方向承受反复荷载，短 梁方向承受恒定的竖向荷载，钢管混凝土柱轴压保持不变。在低轴反复荷载作用 下节点破坏模式均为梁端的剪切和弯曲破坏，节点满足“强柱弱梁、强节点弱构 件 的抗震要求，具有良好的抗震排l t - 厶匕b y ”。同济大学向黎明等对4 个轴压比不 同的方钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接的节点进行了低周反复荷载试验，试件 均为钢筋混凝土环梁节点。试验过程中4 个节点试件的钢管混凝土柱所施加的轴 力不同，轴压比分别为0 ，0 1 5 ，0 3 1 和0 4 7 ，钢筋混凝土梁端施加反对称反 复荷载，试验结果表明：随着柱轴力的增大，这种节点延性有降低的趋势，柱轴 力对这种节点强度退化的影响在荷载达到极限强度以后更加明显，柱轴力增加了 节点的积累损伤，随着柱轴力的增大，节点的刚度退化趋于严重，耗能能力降低 9 1 。广东省汕头市建筑设计院方小丹等提出的圆钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁 连接的节点，即钢筋混凝土环梁抗剪环式节点，此节点无穿心构件，制作安装和 武汉理工大学硕十学位论文 浇灌混凝土非常简便，因此有很好的施工性能。为检验这种节点的受力性能是否 合理，进行了1 3 个试件的节点试验，结果表明此节点仍有良好的延性，较高的 承载力2 0 1 。 1 4 3 钢管混凝土结构的计算理论 钢管混凝土结构是由钢管和混凝土两种材料组成的，由于这两种材料的力学 性能存在很大差异，因而对钢管混凝土构件的研究也存在各种不同的方法，导致 其运算也变得十分复杂。到目前为止有四种钢管混凝土的计算理论和方法，无论 是哪种方法，都有其合理的一面，其目的都是为寻找钢管混凝土合理的设计方法。 ( 1 ) 统一理论：它是哈尔滨工业大学和福州大学研究的基于回归分析的一种 统一计算理论，这种理论在合理确定钢材和核心混凝土本构关系模型的基础上， 利用数值分析方法对钢管混凝土构件的力学性能进行了全过程的分析才提出此 理论，其成果被国家军用标准和福建省工程建设标准等采用。 统一理论中在宏观上把钢管混凝土视为一种组合材料，用构件的整体几何特 性和钢管混凝土的组合性能指标来计算构件的各项承载力，不再区分钢管和混凝 土，其计算结果与试验很相符。 ( 2 ) 拟钢结构理论：它是同济大学基于钢结构分析方法提出的等效钢柱计算 理论，美国的l r f d 规范采用的就是该计算理论。 拟钢结构理论是将混凝土折算成钢，再按照钢结构设计规范的模式进行分析 计算。该方法在不改变钢管横截面积的情况下，将填充混凝土作为对钢管混凝土 的屈服强度和弹性模量的提高，以此来换算求得等效钢管的性质，并以等效钢管 构件的承载力作为原型钢管混凝土构件的承载力。 ( 3 ) 拟混凝土理论：它是中国建筑科学研究院提出的约束混凝土理论，目前 中国工程建设标准化协会标准、欧洲的e c 4 和美国混凝土协会( a c i ) 制定的规 范采用此标准。 拟混凝土理论认为钢管混凝土就是钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍 混凝土，也叫约束混凝土。此理论认为钢管混凝土构件中钢管的作用与套箍混凝 土中的螺旋箍筋作用相当，只起环向约束作用，而不直接承受纵向力，并在计算 公式中考虑这种约束效应提出一个与材料强度和几何尺寸等参数有关的混凝土 强度提高系数，由于圆钢管可以对核心混凝土提供环向均匀约束，约束效应明显， 而方形或矩形钢管只在角部提供较大的约束，约束效应明显不如圆钢管，故分别 乘以不同的强度提高系数。这种方法考虑到了核心混凝土在三向受压应力状态下 的受力，而对于钢管，则将其视为分布在核心混凝土周围的等效纵向钢筋，钢筋 的面积根据钢管的截面积和形状确定。 9 武汉理 ：大学硕士学位论文 ( 4 ) 强度叠加理论：它是日本及我国天津和台湾等地区所采用的理论。日本 钢骨钢筋混凝土结构设计计算标准和天津规程采用的也是该计算理论。 强度叠加理论就是将填充混凝土和钢管两部分的承载力进行叠加，作为钢管 混凝土构件的整体承载力。对于受压弯荷载共同作用的钢管混凝土柱，通常将容 许弯矩一轴力曲线叠加起来，作为容许承载力曲线。 1 5 本论文主要工作 本论文对一个9 8 m 的钢造粒塔结构进行抗震分析。该塔为筒体结构，柱采用 钢管混凝土。本文用软件s a t w e 和有限元分析程序s a p 2 0 0 0 分别对结构进行地震 时程分析对比。主要工作包括以下几方面： 1 、分别用软件s a t w e 和s a p 2 0 0 0 建出该造粒塔的空问结构计算模型， 该模型采用钢管混凝土柱结构，柱与柱之间的支撑采用两个空心钢管连接。 2 、用振型分解反应谱法和时程分析法对该塔进行地震作用下的受力分析。 选取三条实际地震记录输入进行时程分析，分别用x 向、y 向地震输入。分析结 构的受力、侧移情况。计算结构楼层位移及层间位移及其沿高度的分布，分析有 无突变。对内力和变形较大的部位及构件进行分析，找出结构的薄弱环节。 3 、通过两个软件的运算，其得到的计算结果用来反分析及验算，优化设计。 为工程设计提供计算结果，为工程实践提供参考。 4 、最后希望通过用两种软件的计算分析来论证该造粒塔设置双杆件支撑来 控制结构侧移作为一种既有效又经济的方法是合理可行的。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高层结构的空间分析方法 要对结构进行有限元分析，首先需要对结构的构造、受力状况等做出合 理的分析，这样才能建立符合实际的有限元模型，从而得到符合实际的计算 结果主要的2 1 1 。 2 1 常用的空间分析方法 高层建筑是非常复杂的三维空间结构，而且构件类型多样。无论何种计算方 法，都要对计算图形作一些简化。其简化的程度，与所采用的计算工具相适应。 高层建筑的空间分析方法通常有以下三种： 1 一维协同分析方法 将结构体系简化为沿两个正交主轴方向的若干个平面抗侧力结构。每个方向 上的水平荷载由该方向上的平面抗侧力结构承受，垂直于该方向的抗侧力结构不 参加工作。这样结构体系可按纵横两个方向分别计算。在不考虑扭转影响时，由 同一楼面各榀抗侧力构件侧移相等的条件进行水平力分配。在扭转作用下，则根 据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。此分析法简单，但由 于没有考虑高层建筑结构实际的空间受力状态，而且在分析斜交抗侧力结构时比 较困难，所以现在已较少应用。 。 2 、平面结构空间协同工作分析方法( 二维协同分析) 此方法认为结构体系由各向的平面结构组成。按各平面结构水平变形的二维 协调条件进行分析，考虑了纵横两个方向抗侧力构件的共同作用，扭矩与水平力 同时计算。在引入楼板刚度无穷大假定后，每层楼板有三个自由度，即两个平动 和一个扭转自由度，楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。但这种 方法在两榀平面结构相交处，其竖向变形和转角是不协调的，而且忽略抗侧力构 件平面外的刚度和扭转刚度，对具有明显空间工作性能的结构是不妥当的。可见 此分析方法在分析高层建筑时存在着缺陷。 3 、三维有限元分析方法 将高层建筑结构作为空间体系。梁和柱作为空间梁单元，每端有6 个自由度； 剪力墙作为空间薄壁杆件、带刚域的杆件或平面条元，更精确的是将剪力墙和楼 板用板壳单元来模拟。此方法可以考虑杆件的弯曲，剪切和轴向变形，包括楼板 变形的影响。水平荷载的偏一t l , 作用所产生的建筑物扭转效应，自动包含在计算结 果中，不需另行计算。三维有限元分析最具通用性、灵活性和精确性。目前一些 通用的有限元程序，如s a p 、a d i n a 、a n s y s 等，以及一些设计软件，如可玎、 武汉理工大学硕士学何论文 s a t w e 都具有对高层建筑结构进行三维分析的能力。 2 2