（固体力学专业论文）钢梁钢管混凝土框架结构抗震性能研究.pdf

沈刚r 业人学硕十学位论文 摘要 进入2 l 世纪以来，钢管混凝土结_ 勾的应用f 益广泛，为了防止建筑物遭到地震作 用的破坏，迪训需要对钢管混凝土结构的抗震性能进行研究。本文针对钢梁钢管混凝 土柱框架这在实际工程中提出的新型结构，迸行了其抗震性能的试验与理论研究。 本文具体介绍了2 1 组钢梁钢管混凝土框架结构在水平低周反复荷载作用下的 抗震性能试验，实验参数包括含铡率、套箍率、钢材强度以及内填混凝土强度等。 对试件破坏现象进行了描述，并对实验结果进行了分析。研究了含钢率，混凝土强 度等参数对结构抗震性能的影响，并分析了核心混凝土中配筋以及钢管内壁加肋形 式对试件抗震性能的影响。实验结果表明，钢梁钢管混凝土框架结构具有良好的抗 震性能。 本文在实验的基础上对钢粱一钢管混凝框架结构在低周反复荷载作用下进行了 理论分析，建立了力学模型，并根据数值计算方法编制了v i s u a l b a s i c 计算程序， 对柱底截面弯矩一曲率关系曲线进行分析。将理论计算结果与实验得到柱底弯矩曲 率滞回关系曲线进行比较，理论计算结果均略大于实验结果，偏差基本满足要求。 可以应用本文的数值计算方法来得到框架柱底弯矩一曲率滞回关系曲线。 本文对钢粱一钢管混凝土框架结构进行了a n s y s 有限元分析，根据统一理论建 立模型，计算结果比较准确。有限元分析结果进一步验证了数值计算的正确性。在 数值计算基础上，提出了钢梁一圆形铜管混凝土双肢柱框架结构的弯矩一曲率恢复力 模型。 关键词：钢管混凝，恢复力模型，抗震性能，数值方法 沈日：业大学硕士学位论文 一。一 s t u d y o fs e i s m i c h y s t e r i c b e h a v i o rf o rf r a m eo fs t e e lb e a m 。c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s a b s t r a c t s i n c e2 1 c e n t u r y ，c o n c r e t ef i l l e d s t e e lt u b u l a rs t r u c t u r eh a sb e i n gu s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y i no r d e rt op r e v e n tt h eb u i l d i n g sf r o mb e i n gb r o k e nw h e nt h ee a r t h q u a k eh a p p e n s ，t h er e s e a r c ho f s e i s m i cb e h a v i o ro fc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rs t r u c t u r ei s v e r yn e c e s s a r y t h ee x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u ts e i s m i cb e h a v i o ro fs t e e lb e a m - c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rf r a m e ，a n e wk i n do f s t r u c t u r a lm e m b e r d e v e l o p e d i nc o n s t r u c t i o n p r a c t i c e ，i sb e i n g d o n ei nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，s e i s m i cb e h a v i o r e x p e r i m e n ta b o u tt w e n t y o n es p e c i m e n so f t h es t e e lb e a m c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rf r a m es u b j e c t e dt or e v e r s e dc y c l el a t e r a ll o a di si n t r o d u c e d ，a n dt h e p a r a m e t e r so fe x p e r i m e n ti n c l u d et h er a t eo fs t e e l ，s t e e ls t r e n g t ha n d c o n c r e t es t r e n g t ha n ds oo n p h e n o m e n o no fs p e c i m e n sw r e c ki sd e s c r i b e da n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti sa n a l y s e d t h e p a r a m e t e r so fe x p e r i m e n ti n c l u d et h er a t eo fs t e e la n dc o n c r e t es t r e n g t hw h i c he f f e c ts t r u c t u r e s e i s m i cb e h a v i o ra r es t u d i e d ，t h ef o r mo fs t e e lb a ra n dr i bl o c a t e di n s i d es t e e lt u b u l a ri s a n a l y s e d t h ee f f e c ta b o u ts e i s m i cb e h a v i o ro fv a r y i n gs t r e n g t ho fc o n c r e t e ，i ss t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef r a m eo fs t e e lb e a m c o n c r e t ef i n e ds t e e lt u b u l a rh a st h eg o o ds e i s m i c b e h a v i o r o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n ta n a l y s e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s ea b o u tt h ef r a m eo fs t e e lb e a m c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m nu n d e r c y c l i cl o a d i n g i sp u tf o r w a r d ，t h em e c h a n i c a lm o d e li s f o u n d e d ，t h ev i s u a l _ b a s i cc a l c u l a t i o np r o g r a mi sc o m p i l e db a s e do nn u m e r i c a lm e t h o d ，a n dt h e c u r v eo fm o m e n t c u r v a t u r ei s a n a l y s e d c o m p a r i n g t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw i t ht h ec u r v eo f m o m e n t c u r v a t u r eo fe x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni sm o r et h a nt h ed a t a o f e x p e r i m e n t ，t h ew a r pa g r e e sw i t ht h en e e d t h er e s u l t ss h o w t h ec u r v eo fm o m e n t c u r v a t u r e c a nb e g o t t e na c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d i nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，t h ef r a m eo fs t e e lb e a m c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a ri sa n a l y s e db ya n s y s s o f t w a r e t h em o d e lb a s e do nu n i f i e ds t r e n g t ht h e o r yi sf o u n d e da n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r e b e t t e r t h e p r e c i s i o n o fn u m e r i c a lm e t h o dc a nb et e s t i f i e db yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fa n s y s 一2 沈刚工业大学硕士学位论文 a c c o r d i n g t oa n a l y s i sr e s u l t s ，m o m e n t - c u r v a t u r e r e l a t i o n s h i pm o d e l o f t h ef l a m eo fs t e e lb e a m - c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m ni sr e p o r t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a r , m o m e n t - c u r v a t u r e r e l a t i o n s h i pm o d e l ，s e i s m i c b e h a v i o r , n u m e r i cm e t h o d 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示r 谢意。 签名：篁士 日期：迎照：童! 生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有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 布沦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循此规定) 签名：萋于导师签名：豇旌吼艘童丛 沈阡f 工业人学硕十学位论文 1 前言 1 1 引言 1 1 1 钢管混凝土的基本溉念 钢管混凝土( c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a r ) 简称c f s t ，是在劲性混凝上及螺旋配 筋混凝土的基础上演变和发展起来的，根据外包钢管形状，主要可分为方钢管混凝 土和圆钢管混凝土两种类型。本文所谓“钢管混凝土”特指圆钢管混凝，它是由 混凝土填入薄壁圆形钢管内，形成的组合结构材料。 锅管混凝土结构基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核 心混凝土处于三向受压状态，其工作性能发生了质的变化，不但提高了承载能力， 而且增加了极限压缩应变；。同时，薄壁钢管由于内填混凝土支撑作用，克服了局部 失稳，充分发挥了钢管的承载力，两者可谓相得益彰，这正是钢管混凝土结构区别 于钢筋混凝土结构与钢结构的基本原因。对钢管混凝土构件的研究存在各种不同的 方法，其区别在于如何估算钢管和核心混凝土之间相互作用而产生的“效应”。这 种“效应”的存在构成了钢管混凝土理论的固有特性，从而导致其复杂的力学性 能，因此，合理地估计这种相互作用的“效应”己成为钢管混凝土理论研究的主要 课题。研究者由于对这种效应理解不同，估计的准确程度也会有所不同，所获得的 计算方法和计算结果也就会有所不同。 钢筋混凝土破坏时结构变形较小，常出现脆性破坏，但钢管混凝土中的核心混 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，而且在破坏时会产生 了很大的塑性变形，整个结构出现弹性工作塑性破坏的特性。当钢管混凝土柱用于 高层和超高层建筑时，由于钢管混凝土是延性材料，在地震区采用限制长细比的方 法，可以做到不限轴压比，从而有效地减小柱的截面，减轻结构自重，减小地震作 用，增大使用面积，提高经济效益。 钢管混凝土结构在承受动力荷载时，具有更强的韧性。在大震时，钢筋混凝土 柱已进入塑性耗能阶级，而钢管混凝土柱基本处于弹性工作状态，因此，钢管混凝 土结构的抗震性能良好。 沈阳： i 业大学硕十学位论文 1 1 2 钢管混凝土结构的发展简史 钢管混凝土结构在工程中的应用，要追溯到1 9 世纪末。从1 8 9 7 年美国人j o h n l a l l y 厅在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱( 称为l a l l y 柱) 并获得专利算 起，钢管混凝土结构在土木工程中的。应用已有百年历史。钢管混凝土优越的力学 性能，一开始就受到欧美各国土木工程界的重视，竞相开发利用。2 0 世纪2 0 年代 前后，在美国波士顿、纽约和芝加哥等地，曾将其用于单层和多层厂房建筑的承重 柱。1 9 3 9 年在西伯利亚建成了跨度1 4 0 米的上承式钢管混凝土铁路拱桥，与钢拱桥 相比，节约钢材5 2 ，降低造价2 0 。但其施工方法是在现场将钢管拱架分段预制 并浇灌混凝土后，在满堂红的支架上拼装成桥，因而钢管混凝土在施工安装方面的 优越性能未得到充分发挥。值得注意的是，在这期间，前苏联开展了钢管混凝上基 本力学性能的试验研究，g , , o d e v 教授深刻地阐明了钢管套箍混凝土的工作机理，并 成功用极限平衡法求解了钢管混凝土轴压短柱的极限承载力f 2 】。 6 0 年代前后，钢管混凝土结构技术在前苏联、西欧、北美和日本等工业发达国 家受到重视，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和 立交桥以及特种结构工程中加以应用。但终因管内混凝土的浇灌工艺未得到很好解 决，现场的旌工操作显得繁琐，而使钢管混凝土在施工性能方面的优势未得到应有 的发挥1 3 j 。 8 0 年代后期，由于泵灌混凝土工艺的发展，解决了现场管内混凝土的浇灌工艺 问题，因此，在美国和澳大利皿等国的高层建筑工程中，钢管混凝上技术又悄然兴 起，传统的钢柱被钢管混凝土柱所取代，并被认为是高层建筑营造技术的一次重大 突破i 。 我国钢管混凝土的研究开发始于6 0 年代中期，首例应用为北京的地铁工程，并 成功地用于“北京站”和“前门站”站台柱的建造，之后环线地铁工程的站台柱全 部采用了钢管混凝土结构。7 0 年代以后，我国的钢管混凝土逐渐应用于单层和多层 工业厂房、高炉和锅炉构架、送变电构架及各种支架结构中，建成的建设工程超过 百项。8 0 年代末至9 0 年代，我国的钢管混凝土工程的应用进入成熟阶段，居世界 f i l l y 0 ，并将其拓展为公路与城市拱桥和高层与超高层建筑的两大工程应用领域。近 2 沈日：旺业大学硕士学位论文 1 0 年柬，我国达百米和超过百米的钢管硅结构的高层建筑已有2 0 多座。其中最高 的是深圳7 2 层的赛格广场大厦，结构高度2 9 1 6 米，堪称世界之最【5 j 。 1 1 3 钢管混凝土结构的理论研究现状 经过多年的实践与研究，钢管混凝土结构在各种建筑结构中得到了广泛的应 用，试验与理论研究也广泛深入开展。特别是近几十年来，随着计算机的迅速发 展，相应的数值计算方法趋于成熟与完善，使复杂的理论分析与计算成为可能。特 别是有限元法的出现与成熟，极大的促进了钢管混凝土结构的研究发展，取得了大 量的研究成果。 在国内，自从上个世纪5 0 年代以来，中国建筑科学研究院以及苏州混凝土和水 泥制品研究院等单位对钢管混凝土的基本理论进行了大量的研究。例如蔡绍怀于 1 9 9 2 年发表了2 1 个钢管混凝土悬臂柱在横定轴力及水平力共同作用下的承载力实 验研究，考察的主要参数是轴压比和试件高度与截面外径的比值，还对各种情况下 钢管混凝土柱的计算长度系数的取值进行研究【6 l 。张素梅于1 9 9 9 年发表了2 0 个轴 心受压钢管混凝土短柱的实验研究，考察的主要参数是构件截面的宽厚比 7 】o 国内的这些理论大致形成了三个体系，集中反映在蒋家奋和汤关编写三向应 力混凝土、蔡绍怀编写的钢管混凝土结构的计算与应用和钟善桐的钢管混 凝土结构这三本书中。目前国内关于钢管混凝土结构的设计还没有国家标准，但 一些行业制定了相关设计规程，主要有以下四种：国家建材工业局编制的钢管混 凝土设计与施工规程( j c j 0 1 - - 8 9 0 9 8 9 ) ) 、中国工程建筑标准化协会编制的钢 管混凝土设计与施工规程( c e c2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) ) 、电力行业编制的钢一混凝土 组合结构设计规程( d l t5 0 8 5 - - 1 9 9 9 ( 1 9 9 9 ) ) 和国家军用标准战时军港抢修早 强型组合结构技术设计规范( g j b ( 2 0 0 1 ) ) 等。 在国外，2 0 世纪6 0 年代，英国n e o g i p k 等人研究了钢管内的混凝土三向受力 时强度的提高问题，并提出了考虑钢管对混凝土的约束效应条件下的钢管混凝土承 载力的计算方法，这是钢管混凝土理论研究的一个重大突破吼在这个时期，美国 的k n o w l e sr b 、p a r kr 等人亦通过大量试验研究了钢管混凝土柱的受力性能，并对 钢管混凝土结构的抗震性能和耐火性进行研究l 9 1 。今年来，国外的学者在钢管混凝 沈r 1 2 - 业大学硕十学位论文 土理论研究方面进行了大量的工作。如l a k s h m i 等采用数值方法对圆形，方形和矩 形截面钢管混凝土压弯构件的荷载一变形关系和承载力进行计算，并得到实验结果的 验证1 1 。在试验与理论研究的基础上，一些国家相继编制了钢管混凝土结构设计规 范，有欧洲标准化委员会编制的e c 4 、英国的b s 5 4 0 0 、美国的a c l 3 1 8 8 9 和 a i s c l r f d ( 1 9 9 4 ) ，日本的a i j ( 1 9 8 0 、1 9 9 7 ) 。 1 2 钢管混凝土结构的抗震性麓的研究现状 众所周知，钢管混凝土构件在静力荷载作用下具有十分良好的塑性。当钢管混 凝土构件用于地震区的建筑物时，为了防止建筑物遭到地震作用的破坏，需要进行 抗震设计规范中规定的结构弹塑性地震反应分析。因而，应对钢管混凝土构件和结 构的抗震性能进行研究。 结构在地震作用下可能会因内力或变形达到极限状态而破坏，局部构件的破坏 可引发建筑物的层间破坏甚至整体倒塌。在地震反复循环荷载作用下，结构反应的 非线性主要由材料非线性以及结构几何非线性引起。采用计算机数值模拟结构地震 反应的过程，是通过建立合理的结构分析模型，输入给定的实际强震记录或人工模 拟地震波，采用逐步积分进行结构弹塑性动力反应分析，计算振动时域中各时刻结 构的内力和变形状态，给出构件屈服的时刻和顺序，发现应力和塑性变形集中的部 位，从而判明结构屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型。因而，深入研究钢管混 凝土构件葡载- 位移滞回关系特性对钢管混凝土结构弹塑性地震反应分析具有重要意 义【1 1 j 。 9 0 年代初，国内外对钢管混凝土的抗震性能已开展不少实验研究，但这些研究 工作主要集中在对于钢管混凝土压弯构件在水平荷载作用下，水平力和侧向位移之 间的滞回性能的实验研究。至于钢管混凝土压弯构件的弯矩曲率关系，除了少数研 究者做了一些有限元分析外，在循环荷载作用下，对构件弯矩一曲率滞回性能的研究 则更少。下面对钢管混凝土滞回性能的研究概况进行如下介绍。 1 2 1 钢管混凝土抗震性能国外的研究现状 国外在这方面研究开展较早，但主要研究对象是方钢管混凝土构件与圆钢管混 凝土构件，而对钢管混凝土框架结构抗震性能的研究则较少。以下略作介绍。 4 沈队i ：业大学硕士学位论文 ( 1 ) 方钢混凝土构件抗震性能的研究 m a s a h i d et o m i i 和k e n i is a k i n o 于1 9 7 9 年发表了方钢管混凝土梁柱在轴压力与 弯矩共同作用下的弹塑性性能的研究报告，同一期间他们还发表了方钢管混凝土粱 柱极限弯矩的实验研究成果，之后，s h o s u k e 等人研究了恒定压力和交变往复侧向力 作用下方钢管混凝土柱的性能，分析了轴压比、宽厚比和控制位移幅值对由钢管局 部屈曲而引起的强度和刚度退化性能的影响【1 2 】。1 9 8 5 年s a k i n o 和i s h i b a s h i 发表了 在恒定轴力和循环剪力作用下方钢管混凝土短柱的抗震性能的研究成果f 1 3 】。t u s a m i 等发表了在恒定轴压和周期侧向荷载作用下悬臂薄壁箱型钢柱在空心及部分内填混 凝土情况下延性性能的实验研究成果，分析了内填混凝土的高度与钢柱总长之比对 构件延性的影响，得出合理的比值应大于o 5 这一结论【h l 。 g e 和u s a m i 于1 9 9 6 年进行了1 2 个部分填充混凝土的矩型钢管混凝土压弯构件 滞回性能的实验研究，以考虑钢管混凝土压弯构件的强度，延性和耗能能力的变化 规律。考察的主要因素是钢管的宽厚比( b t ) ，构件的长细比和钢管中混凝土的填充 高度。研究结果表明，矩型钢管混凝土压弯构件具有较好的延性和较强的耗能能力 1 1 5 1 0 h a j j a l 和g o u r l e y 等于1 9 9 7 年先后提出两种用于分析方钢管混凝土结构滞回性 能的理论模型。一种是采用考虑材料几何和物理非线性的纤维模型法，用非线性滑 移面模拟钢管和混凝土之间的滑移，计算时将钢管混凝土截面划分成若干网格，利 用网格形心处鲜为纤维( 钢和混凝土) 的应力一应变关系计算整个结构的动力反应： 另一种是采用三维力空间的边界面模型来模拟钢与混凝土的几何和物理非线性，进 而分析钢管混凝土构件的滞回特性( ”】。z h a o 和g r a e b i e t a 与1 9 9 9 年对方钢管混凝土 梁在大变形下的滞回性能的实验研究和理论分析。试件中分别填充了普通混凝土， 低强混凝土，轻型混凝土和聚亚安脂。研究结果表明，和空钢管相比，填充上述材 料的钢管梁具有良好的延性。极限弯矩的大小随混凝土强度的增加而增加【1 7 】。 ( 2 ) 圆钢管混凝土构件抗震性能的研究 1 9 8 8 年在哈尔滨举行的钢混凝土组合结构国际会议上，w a k a b a y a s h i 和 m i n a m i 等人发表了在不同恒压作用下受循环弯矩作用下的圆钢管混凝土抗震性能的 实验研究果1 1 。l a h l o u 等对圆钢管混凝土轴心受压构件在往复荷载作用下的力学性 5 一 沈目1 2 1 ：业大学硕士学位论文 能进行了实验研究。核心混凝土的强度采用了4 5 m p a ，9 5 m p a 和1 3 0 m p a 三种。研究 结果表明，圆钢管混凝土轴心受压构件在往复荷载作用下具有良好的延性和韧性， 随变形的增加，往复荷载作用下构件的轴压钢度退化不明显。与单调荷载作用下的 构件相比，构件的极限承载力降低幅度不大【i9 1 。另外，a v a l 等采用纤维模型法计算 了圆钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的荷载变形关系曲线。该模型考虑了钢 管和混凝土之间的粘结滑移和组合作用问题。理论计算结果得到实验结果的验证。 该文的研究结果表明，增强钢管和核心混凝土之间的粘结可适当地提高构件的承载 能力和耗能能力f 驯。 1 2 2 钢管混凝土抗震性能国内的研究现状 哈尔滨建筑大学金属结构研究室课题研究组对钢管混凝土的抗震性能进行理论 研究，采用有限元分析方法得到了压弯构件弯矩一曲率滞回曲线和骨架曲线，然后由 平衡条件推导出水平力和侧向位移之间的滞回曲线和骨架曲线。最后确定了计算模 型，通过对钢管混凝土压弯构件的抗震性能进行理论分析和计算，取得与实验结果 吻合良好的计算结果。为钢管混凝土用于地震区进行抗震设计创造了条件【2 1 i 。 另外，哈尔滨建筑大学进行了钢管混凝土空间桁架刚度和钢管混凝土高层结构 地震反应的研究，分别对采用简化悬臂粱法、杆系模型法及有限元法计算体系固有 频率作了对比分析f 2 2 l 。黄莎莎和黄向阳【2 4 】对钢管混凝土柱在反复水平荷载作用下 的抗震性能作了实验研究，分析了长细比、位移控制幅值和轴压比等因素对构件滞 回性能的影响。1 9 8 9 年在沈阳召开的第二次年会上，西安冶金建筑大学的姜维山教 授瞄悛表了钢管混凝士短柱在压弯剪荷载联合作用下基本性能的研究报告，并提出 了用有限环理论分析钢管混凝土构件抗震性能的方法。1 9 9 4 年，哈尔滨建筑大学屠 永清博士【冽采用修正的混凝土边界面模型，利用有限单元法对反复荷载作用下钢管 混凝土压弯构件的弯矩曲率与荷载位移关系曲线进行了计算机模拟，提出了位移 延性系数和耗能的简化计算公式，讨论了混凝土边界面模型及其中参数的确定等问 题，但需要指出的是，其核心混凝土的应力应变关系模型仅适用于钢管普通中低强度 混凝土构件。另外吕西林等进行了1 2 个方钢管混凝土压弯构件滞回性能进行的实验研 究。考察的参数主要是核心混凝士强度( 3 9 4 8 1 m p a ) ，截面宽厚比( b t ：4 0 6 7 ) 和 一6 沈日| 1i 。业人学硕+ 学位论文 轴压比( o 3 0 7 ) 。研究结果表明。方钢管混凝土压弯构件具有良好的延性和较强的耗 能能力l z 7 】。 可见对钢管混凝土的抗震性能和滞回特性的研究工作尚需深入丌展，对于钢管混凝 土框架结构抗震性能则未见更多的报道。文献【2 】中对钢管混凝土柱和钢梁组成的单层框 架的抗震性能进行论述。钟善铜教授采用非线性有限元法分析和计算了构件的弯矩曲 率滞回曲线，并的到实验的验证。根据理论计算分析得到钢管混凝土单层框架的弯矩 吐率恢复力模型，并的到了框架柱的轴压比与长细比限值。而本文研究的双肢柱钢管混 凝土框架结构的抗震性能还需要进一步展开研究工作。尤其是关于内配筋的钢管混凝土 抗震性能的研究还需要进一步开展。基于以上情况，本文对素钢管混凝土框架，内配筋 的钢管混凝土框架以及加肋的钢管混凝土框架结构的抗震性能进行了理论与实验研究。 1 1 3 本文的主要工作 r ( 1 ) 本文对2 1 组双肢柱在钢粱连接下的框架结构在水平往复荷载作用下的滞回性能 进行了实验研究，并分析了钢管混凝土柱中配筋和加肋后对结构抗震性能的影响。 ( 2 ) 根据实验现象和理论分析，提出了双肢柱框架结构的简化力学模型，对框架柱 柱底截面弯矩- 曲率进行理论计算，来研究钢梁一钢管混凝土框架抗震性能的主要影响因 素。 ( 3 ) 根据统一理论建立a n s y s 有限元理论分析模型，进行了a n s y s 有限元模拟实 验，将有限元分析结果与实验和理论计算结果比较，迸一步证明理论计算的普遍适用 性，并提出了弯矩曲率恢复力模型。 沈目il ：业人学硕十学位论文 2 钢梁钢管混凝土框架荷载啦移滞回曲线实验分析 2 1 概述 目前，钢管混凝土双肢柱框架在水平往复荷载的作用下的荷载位移的滞回性能分 析工作尚很少有人研究。本章通过对6 组钢梁一素钢管混凝土框架柱，2 组钢梁- 力口肋素 钢管混凝土柱框架结构，6 组钢梁功口筋钢管混凝土柱框架结构在水平往复荷载的作用下 的滞回性能进行实验研究，分析其抗震性能。 本章对实验数据进行处理，绘制了柱顶水平荷载位移的滞回曲线，骨架曲线，通 过分析位移延性系数，极限承载力与层问相对位移等参数对实验的结果进行研究。 2 2 钢梁一钢管混凝土框架荷载位移关系曲线的实验概况 试验试件共2 1 组框架结构，包括4 组空钢梁一钢管柱框架，3 组钢粱钢筋混凝土柱 框架，4 组钢梁- 低强度素钢管混凝土柱框架，4 组钢梁高强度素钢管混凝土柱框架，6 组钢梁一配筋低强度钢管混凝土柱框架，框架柱直径均为2 0 0n l l n ，高为1 6 0 0i b m 。主要 考察参数有钢管的壁厚，套箍率，钢材强度以及内填混凝土强度和钢筋的配筋率等。钢 管由热轧低碳钢管焊接而成，厚度分别为3 2m m 、4 5m m 、6 0r n l n ，实测屈服强度分 别为3 4 9n m m 2 、3 4 3n m m 2 、3 4 5n m m z 。核心混凝土试件在自然条件下养护2 8 天以 后进行试验，强度分为高强度混凝土和低强度混凝土，高强度混凝土强度为4 6 9 n m m 2 ，抗拉强度为4 2 9n m m 2 ，弹性模量为3 6 5 0 0m p a ，低强度混凝土强度为2 3 6 n m m 2 ，抗拉强度为2 1 5n m m 2 ，弹性模量为3 1 5 0 0m p a ，其配合比如表2 1 所示。 表2 1 混凝土的配合比 高强度 1 5 2 63 54 3 5 5 134 6 8 低强度1 52 55 96 4 6 4 2 3 6 8 沈i q ：v i ：业人学硕士学位论文 混凝土内配置柱筋直径为6m m ，屈服强度为3 5 0n m m 2 ，箍筋直径为3m m ，箍筋 i 训距为6 8m m ，其配筋情况如图2 1 所示。实验试件的钢管内填充的状况为中空( c h b s ) 、低强度混凝土( l m b s ) 、高强度混凝土( h m b s ) 、大带钢筋低强混凝土( l b b s ) 、小带钢筋低强混凝土( l s b s ) 和二重带钢筋低强混凝土( l w b s ) ，其中r 表示加 肋钢管混凝土构件，加筋肋截面为梯形，内边宽7m m ，外边宽3i t l l n ，高为4m m ，沿 竖向每隔3 6m m 焊于钢管内壁。具体试件编号如表2 2 。 2 f j i i i 一崔 i 陪 i _n 一 一哪i ；瞄r勋 1 銎 型 j o d _ 韶 一仔0 o 0 0 o o o 8 图2 1 试件配筋情况 9 令p 沈刖一业大学硕十学位论文 试验在5 0 0k n 的试验机上以荷载控制的方式进行，加载速度为o 9 8k n s ，荷载的 加载步骤如图2 _ 2 所示，每级加载增量为1 9 6k n ，每两级载荷间停顿3 0s ，使变形充分 发展或恢复，在试件进入塑性阶段以后每级重复三次。对于混凝土与空钢管框架加载速 度均为0 4 9k n s ，混凝土试件每级增加4 9k n ，空钢管试件每级增加9 8k n 。实验在试 件最大位移达到2 0 0i t l r n 或进入破坏阶段时结束。实验中所有数据由自动采集系统连续 采集，实验加载设备简图2 3 所示。测量项目有轴向荷载，轴向变形，充填混凝土的核 心应变及钢管外壁的应变，实验中位移计的位置如图2 4 所示。具体简图如下： z _ d h v 鄢 握 0 246 8l o1 2 荷载级别 图2 2 实验加载步骤 一1 0 一 ，o 0，1书 七1 q 沈阳t 业大学硕士学位论文 s 侧 图2 3 实验加载设备 n 侧 v 2 且 f _ f 量f 图2 a 位移计测点 一1 1 沈l ：业人学硕十学位论文 2 3 钢梁一钢管强混凝土框架实验结果分析 2 ，3 1 钢管混凝土拘件m ( b 关系滞回曲线的特点 所谓滞回 | l 线，定义为f a 轴受力构竹在循环反复荷载作用下的力一变形i | l i 线称为构 件的单轴滞回f f 线。荷载由零增加至峰值点再卸载至零，又反向加载至谷值点再卸载至 零即构成一滞同环。存在三种典型滞眄l 类型：弓形，梭形，倒s 形。梭形形状饱和圆 滑，代表无剪切破坏机制情况。一般f 截面破坏的受弯构件，无滑移的偏压，压弯构件 以及无剪构件均属此类。弓形中部内凹，存在“捏缩”效应，代表受一定的剪力以及无 钢筋粘结滑移影响的构件。倒s 形存在严重“捏缩”效应，表明存在较大剪力，滑移影 响。滞回环面积表现构件耗能能力。面积越大，耗能能力越强。三种典型滞回l f l i 线中， 梭形耗能能力虽强，弓形次之，倒s 形最差f 2 8 】。 第一次加载曲线与滞回曲线各滞回峰值点的连线构成的滞回线外包络线称骨架曲 线。钢管混凝土骨架曲线通常与单调加载时的力一变形曲线相似。 循环反复加载下材料和构件存在强度退化，刚度退化，裂面效应等特殊问题。在循 环反复加载作用下，若保持峰值点位移不变，则峰值荷载随循环次数的增加而下降的现 象为强度退化。在循环反复加载作用下，若保持峰值点荷载不变，则峰点位移随循环次 数的增加而增加的现象称刚度退化。退化性质源于积累损伤，退化程度随材料及破坏性 质而变。混凝土开裂面重新受压时，由于骨料咬合作用导致裂缝在完全闭合前就已传递 较大压力的现象称为裂面效应。通常裂缝越 宽，裂面效应越明显【2 9 。 构件荷载位移滞回曲线的图形可分为纺 锤形、捏缩形、反s 形和z 形。滞回环所包含 的面积越大，耗散地震能量的能力也越大，因 此希望滞回曲线呈丰满的纺锤形。图2 5 为一 配筋混凝土框架柱的滞回曲线，从图中可以明 最地看出图形带有某种程度的捏缩现象。产生 这种现象的主要有如下原因： 一1 2 ；： 要1 5 0 垂一! 一- 。1 ： 一2 0 1 4， 9 4 l ， 建 l 5 005 0 1 0 0i5 0 位移( i f l m ) 图2 , 5 配筋混凝土框架柱的滞回曲线 沈阳 ：业人学硕十学位论文 ( 1 ) 首次加载时受拉区混凝土丌裂，拉力仅由钢筋承担，压力则由受压混凝土和 钢筋共同承担，当卸载至零时，由于受拉区钢筋的残余变形，拉区裂缝不能完全闭合。 待到反向加载刚开始时，原来的受拉区变为新的受压区，但压力只能靠该区的钢筋承 担，所以这时的负弯矩只能由拉压钢筋组成的力偶来承受，截面刚度会严重下降。只有 当反向荷载很大时，使新受压区钢筋受压达到屈服，逐渐使原来的拉区裂缝完全闭合， 新受压区的混凝土彳r 丌始重新参加工作，截面刚度增大。表现在滞回曲线上就是出现一 拐点。实际上混凝土由于裂面接触效应会使拐点出现旱一些： ( 2 ) 斜裂缝的影响。反复加载时，斜裂缝会交叉产生，导致抗剪强度的下降及斜 裂缝的进一步开展，滞回曲线的捏缩现象更加明显； ( 3 ) 钢筋滑移的影响。钢筋交替拉压，使其与混凝土之间的粘结力逐步丧失，发 生滑移。这就大大增加了滞回曲线中的变形值，使滞回曲线出现某种程度的反s 和z 形 的形状。另外，配筋混凝土构件的滞回曲线在某种情况下还会出现刚度退化和强度退化 现象，对构件的抗震性能产生不利影响。 钢管混凝土压弯构件的弯矩一曲率滞回曲线，表现出稳定的性能，基本上没有剐度 退化和强度退化。曲线图形饱满，虽纺锤形，没有捏缩现象。在构件的轴压比很小时， 其滞回曲线也会出现捏缩现象，但它对整个曲线响不明显。这是因为前述引起配筋混 凝土构件捏缩现象的后两个原因对钢管混凝土构件来说，是基本不存在的，而第个原 因对钢管混凝土构件的影响也比对钢筋混凝土构件小一些。因为钢管混凝土构件的含钢 率一般要高于钢筋混凝土构件，在钢管混凝土构件中混凝土对截面刚度的贡献要比钢筋 混凝土构件中混凝土截面刚度贡献要小，所以在开始反向加载的某一区段里，荷载仅由 外钢管承担所引起的捏缩现象不大。 2 3 2 钢梁一钢管强混凝土框架抗震性能实验结果分析 钢管混凝土框架柱的水平荷载一柱顶位移的滞回曲线，骨架曲线，可以全面描述构 件的弹塑性恢复力特性，也是各种抗震性能指标的计算依据。发生地震时，结构在地震 荷载的反复作用下工作，其内力随之f 负交替，其形状可以分析构件的抗震滞回特性。 为了便于分析，本文给出了2 1 组试件的实验结果，如图2 6 所示： 一1 3 沈阻i ：业大学硕士学位论文 1 5 0 1 0 0 5 0 o 一5 0 l o o 1 0 001 0 02 0 0 3 0 0 1 0 001 0 02 0 0 3 0 0 位移( m m )位移( m i l l ) 一1 0 0 一1 5 0 一1 0 0 1 5 0 1 0 00 1 0 02 0 03 0 0 位移( m ) 一l o o 1 5 0 2 0 0 一1 0 0 蚕 磊0 惦 一1 0 0 一2 0 0 1 4 2 0 01 0 0 01 0 0 位移( r a m ) 矗 秘 7 矿 州4 0 u 1 一廿3 一 l 2 毒鞯稼 历f l | 妙 n 3 2 (：h b s j 如 。 蚰 鲫 一至一辞苹 一i - - x d 碉聊， 7 i渺 汐 j 1j z l 朋廿3 一 ii 的o 的 一至一辑培 绕11 盱nfj 鼹l | 7 jl 露、 ， 盘。 ， 多 , 、4 6 0 ch b s 一 猢啪瑚o 啪 一n ) i 一辑埠 湖啪 m 。雠 瑚 卅 溅 孵 l蛳6 0 l m b s f 所 j静 t 监莎 1 q 4 5 l m b s 一 册o 一蚕一锊颦 0如 时 m0 (移缸 l 一 屯 1 5 0 10 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 - 2 0 0 1 5 0 1 0 0 金 5 0 囊0 挥一5 0 - 1 0 0 1 5 0 沈m 】_ = 业人学硕士学位论文 3 0 0 2 0 0 一1 0 001 0 02 0 0 位移( m m ) 2 0 0 2 0 0 ，、1 0 0 至 稀0 逛 - 1 0 0 2 0 0 2 0 0 1 0 0 1 0 001 0 0 1 0 0 位移( m m ) 1 0 001 0 0 2 0 0 位移( m m ) 1 5 一2 0 0 3 0 0 1 0 0 01 0 02 0 03 0 0 位移( r a m ) 01 0 02 0 0 位移( m ) 0 1 0 02 0 0 位移( m m ) 蒯们 囊黝锨i | 黝 澎 矿 n 4 5 h m - b s 门 刎f 硼研彤l ， “髟彭 肥 q 3 2 h m b s 一至一鳟薅 ? - 一百- 7 戆ll | f ?i 一p ， n i5 0 l b b s 姗 o 一至一搭捧 髟7 卅 形8弧 f 、l 鼎 l 世 髟氓6 0 h m - b s 枷 o m 2 喜铎棹 舔l角钔 么凌j l | 搦黝 油罗 n 6 0 l w b s 啪猢 o m 一歪一蒋埠 口z 雾z 歹研 黝明| | | 秘渤| l j睡规i f 廖i 纱力 避多7n 6 0 l s b s 3 0 0 2 0 0 拿1 0 0 蠹 。 迮一1 0 0 2 0 0 3 0 0 2 0 0 3 0 0 沈目1 3 - 业大学硕十学位论文 3 0 0 2 0 0 一1 0 00 1 0 0 位移( r a m ) 3 0 0 2 0 0 舍1 0 0 囊0 枢一1 0 0 2 0 0 3 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 001 0 0 位移( r a m ) 一2 0 0 1 0 001 0 02 0 0 2 0 0 位移( m m ) 3 0 0 2 0 0 童1 0 0 囊0 牲一1 0 0 2 0 0 - 3 0 0 2 0 0 1 0 001 0 0 2 0 0 位移( r a m ) 1 6 一1 0 001 0 0 位移( r a m ) 1 0 00 1 0 0 位移( r a m ) 。r 6 0l s b s 搠lj留 缛瀣， ， ?软、飘疆 1 口纱 垂|湖o枷 一至一辩苹 瓶 一k d uj。b b 3 嚣砑 ir 4 黼 |9凇 l 、j 偶 毋 ，露霭 |毖少 k b u l m b b d7 斫戢 f i l i l a影 fl 移 ， r 6 0 l w b s 一 詈| 啪啪。瑚 一至一辐颦 缵 2 )囔 ?搬 l 、，渺r 6 0 c h b s i 姗 o 嘲 一至一辚埠 卅 藤l 么w ，励 r l 矽 ，7 r eo h m b s 、沈塑二! ! 些查堂堕堂堡堡塞一 1 0 l5 f 扎 z 夕 c l b - b s 5 005 01 0 0i 5 0 位移( m m ) 3 0 2 0 复1 0 囊0 逛一1 0 2 0 3 0 2 0 1 0 至 囊0 退 一1 0 2 0 1 ， 杖- 7 l l c l s - b s 透 衙 么 二 嚣 c l w b s 一 1 0 05 0o5 0 位移( m m ) 图2 6 实验结果荷载位移滞回曲线 位移( m m ) 从以上实验数据可以看出，钢梁一素钢管混凝土柱框架结构在水平往复力作用下的