钢管混凝土抗震

1、四、组合框架一剪力墙体系4.1钢管混凝土框架结构抗震性能分析钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土后形成的一种受力构件，这种构件是在 劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土以及钢结构的基础上演变和发展起来的框架的 承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋混凝土框架结构进行对比， 以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广泛的应用一种新型结构构 件。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管 对其核心混凝土的约束作用和核心混凝土增强管壁的稳定作用，使混凝土的强度 得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，避免或延缓了钢管发生局部屈曲， 从而可以保证两种材料性能的充分发挥。另外，

2、在钢管混凝土的施工过程中，钢 管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，与钢筋混凝土相比，可节省模板费用， 加快施工速度。到目前为止，对钢管混凝土的研究大都局限于对构件的受力性能 研究，而对钢管混框架的承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋 混凝土框架结构进行对比，以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广 泛的应用。闫洋、王震霞从结构整体工作性能的角度出发，在试验的基础上对单层钢管 混凝土框架模型进行了低周往复加载试验，通过对试验结果和破坏形态的分析得 出钢管混凝土框架的骨架曲线，并对变形和耗能进行了理论分析，理论和试验结 果基本上是吻合的。其试验的两根框架(图1)均为弯曲型破坏。试

3、件的破坏过程为：加载一侧 的框架柱脚外边缘纤维首先达到屈服，然后在柱根内外侧及梁端的上下边缘几乎 同时出现屈服点，此时框架已达到整体屈服，但整个框架并未出现普通钢筋混凝 土框架易产生的刚度退化现象，试件承载力随着变形的增加而继续增加。从加载开始至试件破坏有明显的特点：钢管混凝土框架达到整体屈服后，承 载能力还可以进一步提高，表明在结构屈服后截面应力及结构内力发生重新分 布，结构仍有承载能力。结构的破坏以梁的破坏为标志，虽然柱脚个别点的材料 屈服早于梁的屈框架结构的钢管柱。但在这些点出现之后，结构的变形仍为小变 形。通过分析计算得出当钢管混凝土框架结构与钢筋混凝土框架结构当柱的直 径相等、长细比

4、相同时，钢管混凝土框架结构的各控制位移值大于钢筋混凝土框 架结构的对应位移；钢管混凝土结构的位移延性系数和弹性抗侧刚度均比钢筋 混凝土结构的大。由此可得出，钢管混凝土框架结构的抗震能力与抗震性能明显 优于钢筋混凝土框架结构。试验得出的钢管混凝土 p- s滞回曲线均较饱满，这充分说明钢管混凝 土框架结构有很好的耗能能力。在破坏阶段，虽然钢梁出现屈服甚至屈曲，但由 于钢管混凝土柱有较强的抗侧刚度和良好变形。整个结构的P- $曲线无下降段，具有较强构的屈服荷载大于钢筋混凝土 结构的屈荷载。说明钢管混凝土框架结构较钢筋混凝土框架结构的抗震性能好、 抗震能力强。通过比较研究钢管混凝土框架结构的抗震性能和

5、变形能力较之钢筋混凝 土框架结构有明显的优点应在实际工程设计中逐步推广应用。图二图三4.2圆钢管混凝土边框剪力墙抗震性能试验研究剪力墙是广泛应用于高层建筑中的抗侧力结构构件。近年来随着自然灾害的 不断发生和建筑空间的需要，如何改善剪力墙的抗震性能是工程界十分关注的问 题。钢管混凝土边框剪力墙是近年发展起来的一种新型剪力墙形式。文献1, 2 中对钢管混凝土边框剪力墙进行了系统的介绍，文献3, 4对钢管混凝土边框 剪力墙进行了相关研究，文献58对钢管混凝土柱框架钢管混凝土柱进行 了研究，这些文献研究表明，钢管混凝土柱框架和钢管混凝土边框剪力墙具有较 强的抗震性能。文中课题组对不同混凝土强度等级、不

6、同轴压比、不同剪跨比、 不同强弱抗剪连接键等设计参数的矩形钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能进行 了研究9, 10，研究表明，矩形钢管混凝土边框剪力墙具有较强的抗震性能。 为进一步了解这种新型剪力墙的抗震性能，笔者在以往研究的基础上，对圆钢管 混凝土边框剪力墙进行了试验研究总结。实验表明，这种设计方案明显提高了剪 力墙的承载力和耗能能力，改善了剪力墙的延性。4.2.1承载力表2为各试件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值。其中：Fc为开 裂荷载；Fy为明显屈服荷载；Fu为极限荷载。由表2中数据的对比可见：圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载比普通 混凝土剪力墙SW-1

7、分别提高了 29. 59%、53.84%、57.43%充分说明了该新型 剪力墙具有较高的水平承载力。圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2在结构形式上比圆钢管混凝土柱框架结构 CFST-1和普通混凝土剪力墙SW-1之和少了 2个钢筋混凝土边缘暗柱的前提 下，其极限承载力仍然高于CFST-1和SW-1之和，说明圆钢管混凝土边框剪 力墙在组合以后，各个部件的优势进行了互补，其极限承载力大于组合之前各个 试件单独的极限承载力之和。4.2.2刚度及衰减过程：由表3可见：表2开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载实测值Table 2 Expentnental results of cracking load,yiel

8、d load and ultimate load试件编号FkNFrJkNF/kNFu相对值CFST - 1203.43280.53SW - 1184.64471. 60553,971.97SW -2239.28725. 52872.093l表3 刚度实测值Table 3 Experitnentcil results of stiffness试件编号KJ ( kN mm-1) KJ ( kN mm-1) KJ ( kN mm-1)CFST - I104.6735.01SW - I797.09174.19&L 34SW - 21003.21284,86103,35钢管混凝土边框剪力墙SW-2由于含

9、钢量的增大，其初始弹性刚度比圆钢 管混凝土柱框架结构CFST-1和普通混凝土剪力墙SW-1明显提高，开裂刚度比 普通混凝土剪力墙SW-1明显提高。圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2的屈服刚度比圆钢管混凝土柱框架结构 CFST-1和普通混凝土剪力墙SW-1明显提高；圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 的刚度衰减明显慢于普通混凝土剪力墙SW-1，说明组合以后，圆钢管混凝土边 框剪力墙刚度衰减速度相对较慢，从而使得其后期刚度和性能相对于普通混凝土 剪力墙稳定。4.2.3延性各试件位移及延性系数实测值见表4。其中：Uc为与Fc对应的开裂位移；Uy 为与Fy对应的屈服位移；Ud为弹塑性最大位移，其取值为荷载下降

10、至极限荷载的85%时所对应的位移；p = Ud /Uy为试件的延性系数。0 p为试件的弹塑性 位移角。由表4可以看出：圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1的延性较好，因此在和 普通混凝土剪力墙组合以后，普通混凝土剪力墙延性差的缺点得到了改善。SW-2 的弹塑性最大位移比SW-1提高了38.70%，SW-2的延性系数比SW-1提高了 20.00%。圆钢管混凝土边框剪力墙的弹塑性变形能力和延性比普通混凝土剪力墙 明显提高。表4 位移及延性系数实测值Table 4 Experimental results of displacement and ductility coefficient试件端号侦、/

11、mm/mmUj / mm四体cfs f -5. SI32. 5()5.59/23SW -.()65.18.50土 051 M0SW - 20.847.0225. 663. 66/294.2.4滞回特性及耗能能力图4为实测的各试件“荷载一位移”滞回曲线。由图4可见：圆钢管混凝土 边框剪力墙SW-2滞回环饱满，中部捏拢轻。同时，通过试件的滞回环所包含面 积可以反映出结构弹塑性耗能的大小，为了便于比较，文中取各试件滞回曲线的 外包络线所包围的面积作为各试件耗能大小的比较值，耗能实测值见表5。由表5 可知：圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2的耗能值分别比圆钢管混凝土柱框架结构 CFST-1、普通混凝土剪力

12、墙SW-1提高了84.33%、： 130.99%: 123.软，说明圆钢 管混凝土边框剪力圭能明显高于普通f /rn-上剪力墙，同时圆钢混土边框比圆钢管L筋混凝土边缘暗柱的前提下，其耗能能力仍高于CFST-1 和SW-1 之和32 868. 55kN mmE结构形式上J 6k ； - -汗柱框架结构CFST-通混凝土剪汀力墙SW-1之和少了2个钢表5耗能实测值Table 5 Experitnental results of energy dissipation试件编号耗能 E，mmEp相封值CF5T -11881L 00SW - 114 5 74J MOSW - 233 696. 15L 84

13、4.2.5结论圆钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能比普通混凝土剪力墙明显提高。圆钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能比普通混凝土剪力墙显著提高，且其 承载力、抗震耗能能力均高于圆钢管混凝土柱框架和普通混凝土剪力墙承载力、 抗震耗能能力之和。圆钢管混凝土边框剪力墙的破坏形态明显不同，钢管边框的存在增大了剪 力墙的后期刚度，在剪力墙底部形成了塑性铰耗能区域，有利于结构的抗震。圆钢管混凝土边框剪力墙可用于高层和超高层建筑的抗震设计。4.3钢管混凝土框架加固后抗震性能的试验研究4.3.1背景随着材料的进步和建筑技术的日益完善，在工业厂房和高层建筑中越来越多 地开始采用钢管混凝土结构。这种组合结构充分发挥了钢材和

14、混凝土两种材料的 优点，通过它们在受力过程中的相互作用而弥补了两种材料各自的缺点，因而具 备了优越的工作性能。迄今为止，对方钢管混凝土结构抗震性能的研究集中在基本构件、梁柱节点 等方面，对有关钢管混凝土柱与钢梁组成的框架结构的工作性能研究得不多。对 梁柱节点的修复与加固方法有多种，但需要试验验证其方法的有效性。王铁成、赫桂强等人实验框架是以天津市现代高层钢结构住宅体系0试点 示范工程为原型，按1/3的比例缩小设计出的一棉三层两跨方钢管混凝土框架 (见图1)。框架为两跨，跨度为1.5m，层数为3层，层高为1m。框架柱为方 钢管混凝土柱，其截面尺寸为150mm 150 mm。钢管由4块Q 235B

15、钢板焊接 而成，钢板厚度为6 mm，内填标号为C40的混凝土，框架梁采用普通工字钢I18, 材料采用Q235B。梁上下翼缘在柱边缘处与柱子采用坡口对接焊缝连接，腹板与 焊接于柱子上的竖向钢板采用高强螺栓连接。框架节点采用内隔板节点，即在方 钢管混凝土框架柱内，与梁上下翼缘对应位置设置两块内隔板，沿框架平面内方 向与柱子坡口对焊。为消除柱顶施加竖向荷载的千斤顶对顶层节点转动造成约 束，柱子上端凸出110 mm的悬臂段。4.3.2结论通过对加固后的方钢管混凝土框架进行低周反复加载的试验研究，并与原框 架的试验结果进行比较，可得出以下结论：加固后的框架在低周反复荷载作用下，与原框架相比，其承载力平均

16、提高了 约40%，位移平均增加了约15%。加固后的框架，其滞回曲线的饱满程度要优于原框架，无明显捏缩现象；延 性系数较原框架大，耗能指标高于原框架，比原框架增加了约69%，Iw增加了 约18%，说明加固后的框架的抗震性能优于原框架。加固后的框架的初始等效刚度大于原框架，但由于累积损伤，加固后的框架 强度和刚度的退化较原框架快，但框架顶层达到相同水平位移时，加固框架的承 载力和刚度都大于原框架，正向和反向刚度分别提高了约12.5%和65. 5%。采用本文的加固方案，由于节点连接形式的改善，保证了框架的整体工作， 使得梁、柱和节点充分发挥了作用，提高了框架的强度、刚度、延性、滞回性能 和耗能能力，

17、说明本文对框架的加固方法是可行的。原框架在低周反复荷载作用后，钢管混凝土柱内的混凝土发生了不同程度的 破坏，且内部混凝土与钢管发生了黏结破坏。但从试验结果的比较来看，内部混 凝土和黏结的破坏对框架承载力的影响不大，对变形有一定的影响，使得框架的 变形增大。内部混凝土和粘结的破坏对钢管混凝土柱的强度和变形的影响以及破 坏后钢管和混凝土之间的相互作用机理有待于进一步探讨和研究。参考文献 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术M.北京：中国建筑工业 出版社，2007. HAN Linhai, YANG Youfu. Modern concrete filled steel tubular struc

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