異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與分析

許成祥 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

祁香文 (中國石油天然氣管道局第一工程分公司,河北廊坊065200)

鋼筋混凝土柱、普通鋼管混凝土柱是高層和小高層建筑的主要承重體系,柱截面通常為圓形、方形或矩形,受建筑荷載影響,其截面較大,梁柱通常凸出室內(nèi),既占用了房屋使用面積又不利于室內(nèi)裝修和家具布置。異形柱框架結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益,在工程中應(yīng)用比較廣泛。同異形鋼筋混凝土柱相比,異形鋼管混凝土柱利于應(yīng)用高強混凝土,施工方便,具備承載力高、塑性性能好、經(jīng)濟效益好、抗震性能好、抗火性能好等優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)承載力和剛度相同的前提下,異形鋼管混凝土柱可以做到截面更小,因此,異形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛。雖然T形、L形截面鋼管混凝土柱已應(yīng)用于廣州新中國大廈、廣州市名匯商城、江門中旅大廈等大型建筑工程中,但對異形截面鋼管混凝土柱的研究尚不充分。下面,筆者將著重介紹異形截面鋼管混凝土柱和節(jié)點的構(gòu)成形式、靜力性能、抗震性能和承載力計算方法的研究現(xiàn)狀,分析了研究中存在的問題,提出今后研究的方向。

1 異形截面鋼管混凝土柱研究現(xiàn)狀

1.1 異形截面鋼管混凝土柱斷面構(gòu)成研究

異形截面鋼管混凝土柱斷面的構(gòu)成形式直接決定了其力學(xué)性能,文獻 [1～14]開展了異形截面鋼管混凝土柱的研究工作,異形截面鋼管混凝土柱主要有以下幾種形式:

1)普通 T形、L形鋼管混凝土柱 其斷面如圖1所示,這種形式異形柱的最大缺點是鋼管管壁對核心混凝土的約束作用很小,不利于核心混凝土三向應(yīng)力的發(fā)揮,不能體現(xiàn)出鋼管混凝土柱承載力高的優(yōu)勢。

圖1 普通T形、L形鋼管混凝土柱

圖2 帶約束拉桿T形、L形 鋼管混凝土柱

2)帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱 其斷面如圖2所示。這種鋼管混凝土柱是由高強混凝土填入異形薄壁鋼管內(nèi),并在鋼管各邊按一定間距設(shè)置約束拉桿組成的構(gòu)件,內(nèi)填混凝土和約束拉桿使鋼管的局部屈曲模式發(fā)生變化、變形減小,從而增強鋼管壁的穩(wěn)定性和延性;同時,鋼管和約束拉桿對核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài),提高了柱的抗壓強度和變形能力。但這種柱施工復(fù)雜,鉆孔對柱壁造成的損傷較大,抗震性能值得深入研究。

圖3 帶綴板的T形、十字形、L形鋼管組合柱

3)帶綴板的異形截面鋼管混凝土柱 其斷面如圖3所示。天津大學(xué)開展了帶綴板的T形、L形和十字形方鋼管混凝土組合柱軸心抗壓性能研究,該結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于住宅中亦具有柱角不凸出墻面的效果,但制作過程較復(fù)雜,梁柱節(jié)點不易實現(xiàn),整體抗彎、抗剪和抗震性能有待進一步研究。

4)由方 (矩)形鋼管型材組合焊接形成的異形截面鋼管混凝土柱 其斷面如圖4所示,武漢大學(xué)開展了鋼管混凝土組合焊接T形柱壓、彎、剪力學(xué)性能研究,這種柱的軸壓力學(xué)性能與方 (矩)形截面鋼管混凝土柱的基本相同,但焊接2根鋼管時比較困難,難以保證焊接質(zhì)量。

圖4 鋼管混凝土組合焊接T形柱

1.2 異形截面鋼管混凝土柱靜力性能研究

對異形截面鋼管混凝土柱靜力性能進行研究主要包括強度承載力研究、穩(wěn)定承載力研究和壓彎剪復(fù)合受力研究等方面內(nèi)容。文獻 [2]對T形鋼管混凝土短柱軸心受壓承載力和L形鋼管混凝土柱正截面承載力進行了試驗研究和計算分析,討論了寬厚比、有無加勁肋、肢厚等參數(shù)對試件的影響。研究結(jié)果表明,短肢L形鋼管混凝土柱屬于壓皺破壞,破壞時在柱高中部形成多個峰波;而長肢L形鋼管混凝土柱破壞多發(fā)生在端部,變形發(fā)展不充分;文獻 [3]對L形及T形帶約束拉桿鋼管混凝土柱進行了軸心受壓試驗研究,并采用非線性有限元方法進一步分析構(gòu)件的受力全過程,了解帶約束拉桿異形鋼管混凝土柱的受力機理,最后提出帶約束拉桿異形鋼管混凝土柱軸心受壓和偏心受壓的計算方法,研究表明約束拉桿對鋼板明顯有約束作用,延緩了鋼板的局部屈曲,使鋼管內(nèi)核心混凝土三向受力,有助于提高承載力,延性也明顯得到改善,而且約束拉桿的水平間距越小,作用越明顯;文獻 [2,4,5]進行了帶綴板的T形、L形、十字形方鋼管組合混凝土柱受壓試驗研究和有限元分析,提出了新的方鋼管混凝土柱計算理論,并推導(dǎo)了計算公式;文獻 [6]對組合T形鋼管混凝土柱軸心受壓性能進行研究,界定了長柱和短柱的長細(xì)比范圍,得到短柱和長柱的破壞形態(tài),探討了鋼管壁厚、混凝土和鋼材的強度對柱的極限承載力影響,提出了鋼管混凝土T形柱強度承載力和穩(wěn)定承載力計算公式。

文獻 [7]按冪規(guī)律強化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系建立T形鋼管混凝土短柱的小偏壓的計算模型,推導(dǎo)了T形和矩形鋼管混凝土短柱極限強度承載力的計算公式,并分析了翼緣厚度對承載力的影響,最后用數(shù)值算例驗證了推導(dǎo)公式的正確性和有效性。文獻 [8,15]對鋼管混凝土組合T形柱的偏心受壓性能進行研究,得到T形鋼管混凝土柱主要破壞形態(tài)為彎曲型塑性失穩(wěn)破壞的結(jié)論;在變形協(xié)調(diào)和平截面假定等概念假定基礎(chǔ)上,探討試件的極限承載力與鋼材強度、混凝土強度、管壁厚度、偏心距、肢長腹比和長細(xì)比等參數(shù)的關(guān)系,提出鋼管混凝土T形柱偏心受壓承載力計算公式。

文獻 [9]對鋼管混凝土組合T形柱的抗彎和抗剪性能進行了研究,研究表明,試件的抗彎極限承載力隨鋼材強度提高和管壁厚度增大而增大,隨混凝土強度提高和剪跨比增大的變化不明顯,以經(jīng)典力學(xué)和結(jié)構(gòu)塑性極限理論為基礎(chǔ),建立鋼管混凝土組合T形試件純彎極限承載力的計算公式。試件的極限抗剪承載力隨鋼材強度、管壁厚度和軸壓力的提高而增大,隨混凝土強度增大的變化不明顯,隨剪跨比增大而減小;建立了組合T形鋼管混凝土試件抗剪承載力的計算公式。

對異形截面鋼管混凝土柱在單一荷載作用下的靜力性能研究較多,對異形截面鋼管混凝土柱在壓彎剪扭等復(fù)合受力狀態(tài)下的力學(xué)性能研究尚屬空白。

1.3 異形截面鋼管混凝土柱動力性能研究

文獻 [10,16]通過試驗方法,研究了L形鋼管混凝土柱在常軸力和反復(fù)水平荷載作用下的基本性能,并采用有限元軟件ANSYS和ABAQUS對各試件進行了模擬計算。試驗研究得到如下結(jié)論:①在水平反復(fù)荷載作用下,各試件滯回曲線表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,曲線形狀飽滿,呈紡錘形,基本沒有剛度退化和捏攏現(xiàn)象,耗能性能良好;②極限荷載不隨軸壓比增加單調(diào)增加,當(dāng)軸壓比達到一定值,極限荷載增加幅度下降或不增加;而且構(gòu)件延性隨軸心受壓比的增加而下降;③極限荷載和延性隨鋼管壁厚的增加而提高;④核心混凝土強度的提高對極限荷載的提高很顯著,而延性隨核心混凝土強度變化不顯著。

對異形截面鋼管混凝土柱動力荷載作用下的性能研究較少,是今后研究的重要方向。

1.4 異形截面鋼管混凝土柱承載力計算方法研究

模型試驗和數(shù)值模擬是進行鋼管混凝土柱力學(xué)性能研究的最基本手段,是對異形柱進行設(shè)計計算的必由之路。國內(nèi)外學(xué)者在對新型鋼管混凝土柱等構(gòu)件的研究中,通常改變含鋼率、混凝土強度等參數(shù),設(shè)計制作大比例試件模型,利用靜力試驗方法得到試件的荷載-位移曲線、極限承載力等試驗數(shù)據(jù),通過觀察試驗過程,分析試驗結(jié)果,探討試件破壞機理,進而評價試件的力學(xué)性能。對于數(shù)值模擬分析方法,早期的研究者由于計算能力的限制,只能采用許多簡化處理。隨著計算能力的增強和一些大型通用有限元軟件的推出,為真實全面描述結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提供了可能。國內(nèi)外的研究者在實際應(yīng)用中,采用的軟件有ADINA、ANSYS、ABAQUS等,其中以利用ABAQUS進行研究的居多。試驗得到的結(jié)果是相對準(zhǔn)確的,但也受實驗室的試驗條件、加載裝置的剛度、測量儀器的精度、加載方式、操作人員的手法等諸多因素影響。此外,研究者采用有限元方法建立了模型后,往往與自己的試驗進行比較,有限元軟件提供了比較完美的后處理功能,分析結(jié)果比較直觀,可直接用于異形柱的評價與改進。模型試驗和數(shù)值模擬為異形柱設(shè)計計算研究提供了有利保障。

在理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,國內(nèi)外學(xué)者對圓形、方 (矩)形截面的鋼管混凝土柱壓、彎、剪、扭承載力計算方法進行總結(jié),提出利用擬鋼理論、擬混凝土理論、統(tǒng)一理論和疊加理論等計算方法計算鋼管混凝土柱承載力。同時,各國制定了相關(guān)規(guī)范。如國外有關(guān)鋼管混凝土的設(shè)計規(guī)程主要有歐洲EC4(1996)[19],德國DIN18806(1997),美國ACI(1999)[18],美國SSLC(1979)和美國AISC-LRFD(1999)及日本AIJ(1997)[18]等。自20世紀(jì)五、六十年代以來,我國的研究者在鋼管混凝土力學(xué)性能和設(shè)計方法方面的研究取得了令人矚目的成就,己先后由國家建材總局、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會和中國人民解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)設(shè)計規(guī)程,分別有JC01-89、《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS159:2004)、DL/T5085-1999和 《戰(zhàn)時軍港搶修早強型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GJB4142-2000)。

2 異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點研究現(xiàn)狀

2.1 異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點形式研究

采用異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu),首先需要解決的是框架的節(jié)點方案問題?？蚣芄?jié)點是框架結(jié)構(gòu)得以形成的關(guān)鍵部位,節(jié)點既要可靠,使之在豎向荷載、地震作用及風(fēng)荷載的組合作用下能有效地傳遞彎矩和剪力,又要方便現(xiàn)場施工。因而,研究合理的梁柱節(jié)點形式及其力學(xué)性能,成為推廣鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中亟待解決的問題。鋼管混凝土柱框架節(jié)點有多種節(jié)點形式和分類方案。按梁的形式來分,可分為鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點、鋼管混凝土柱-預(yù)制混凝土梁節(jié)點和鋼管混凝土柱-現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁節(jié)點。按彎矩傳遞效果來分,可分為剛接節(jié)點、鉸接節(jié)點和半剛性節(jié)點,劃分的依據(jù)是梁柱間的夾角是否出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。常用的剛接節(jié)點主要有加強環(huán)式、錨定式、鋼筋貫通式、勁性環(huán)梁式、十字板式等;半剛接節(jié)點主要有抗剪環(huán)梁式節(jié)點。無論是普通截面鋼管混凝土框架還是異形截面鋼管混凝土框架都可以采用這些節(jié)點形式。但目前尚未有異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點的研究報道。

2.2 異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點力學(xué)性能研究

模型試驗和數(shù)值模擬是進行鋼管混凝土柱節(jié)點研究的最基本手段,20世紀(jì)80年代以來,國外學(xué)者Fujimoto T[20],Ricles JM[21],Mastui[22],Yokoyama[23],Morino[24],Kim YJ[25]等,國內(nèi)研究機構(gòu)同濟大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、福州大學(xué)的學(xué)者顧伯祿、張素梅和張大旭、吳發(fā)紅、呂西林、丁發(fā)興等對圓 (方)形截面鋼管混凝土柱及柱節(jié)點的抗震性能進行了大量研究,取得很多有價值的成果。國內(nèi)外學(xué)者在對新型節(jié)點研究中,通?？紤]梁柱線剛度、柱軸壓比以及節(jié)點力學(xué)性能影響等因素,設(shè)計制作大比例節(jié)點模型,利用靜力和擬靜力試驗方法得到節(jié)點的荷載-位移曲線、極限承載力等試驗數(shù)據(jù),通過分析比較節(jié)點在不同軸壓比下的滯回性能、強度與剛度退化、延性、耗能性能、破壞機理及破壞特征,評價節(jié)點的力學(xué)性能。

對異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點的研究尚處于起始階段,筆者已就此申報國家自然科學(xué)基金 “異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點力學(xué)性能與設(shè)計方法研究”,并從以下幾個方面開展研究:①異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點的選型研究。在研究圓形、方 (矩)形截面鋼管混凝土柱節(jié)點的基礎(chǔ)上,結(jié)合異形截面鋼管混凝土柱的工程實踐,探討適用于異形柱 (T形、L形和十字形)截面柱的節(jié)點型式。②異形截面鋼管混凝土柱平面節(jié)點和空間節(jié)點的力學(xué)性能研究。制作大比例平面節(jié)點模型 (包括十字形截面的中柱、T形截面的邊柱和L形截面的角柱節(jié)點模型),通過靜力、擬靜力試驗和數(shù)值模擬計算,分析節(jié)點域的受力機理、破壞模式和損傷發(fā)展過程,建立節(jié)點的滯回模型和骨架曲線,并將中柱節(jié)點、邊柱節(jié)點和角柱節(jié)點的力學(xué)性能進行對比。在平面節(jié)點研究的基礎(chǔ)上,通過大比例空間節(jié)點模型擬靜力試驗和數(shù)值模擬計算,分析空間節(jié)點的破壞機制,了解節(jié)點在雙向受力狀態(tài)下的抗震性能,并與相應(yīng)的平面節(jié)點力學(xué)性能進行對比,分析兩種結(jié)果之間差異的影響因素,探討平面節(jié)點和空間節(jié)點抗震性能的評價方法及地震破壞準(zhǔn)則。③異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計方法研究。以試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù),建立節(jié)點承載力計算模型,研究異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點抗彎承載力、抗剪承載力、抗壓承載力以及節(jié)點域抗剪承載力計算方法,探討節(jié)點抗震計算方法和構(gòu)造措施。

2.3 異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計方法研究

由于鋼管混凝土的節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜且種類繁多,國內(nèi)外至今尚沒有一套適用面廣的節(jié)點構(gòu)造形式和相應(yīng)的計算方法。雖然 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(CECS 28:92)對鋼管混凝土的承載力提出了較為完整的計算公式,并對施工工藝、節(jié)點構(gòu)造等方面作了一些規(guī)定,但鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究還不夠深入,尚有許多問題有待解決,如:

1)節(jié)點計算模型不明確 節(jié)點的計算模型直接影響整個結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的準(zhǔn)確度,雖然實際上不存在絕對的剛接節(jié)點,工程上也可以利用梁柱間的彎矩調(diào)幅對結(jié)果進行調(diào)整,但計算模型不明確終將造成計算時的混亂,有時會造成開裂過大而影響結(jié)構(gòu)的適用性。

2)沒有一套較完整的計算理論和設(shè)計方法 目前,大多數(shù)鋼管混凝土柱節(jié)點還沒有一套較完整和成熟的計算理論和明確的設(shè)計方法,往往只能依靠經(jīng)驗進行截面和配筋設(shè)計,這不利于整個結(jié)構(gòu)的可靠度控制,可能造成材料的浪費或安全上的隱患。對普通截面和異形截面鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計方法研究是今后重要的研究方向。

3 異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究中的問題與分析

3.1 異形截面鋼管混凝土柱研究中的問題與分析

1)承載力高是鋼管混凝土柱突出的優(yōu)點之一,但現(xiàn)有的柱截面形式均不能充分發(fā)揮鋼管混凝土柱承載力高的優(yōu)勢。鋼管管壁對核心混凝土的約束作用很小,核心混凝土三向應(yīng)力基本不能發(fā)揮。

2)異形柱需要在工廠加工制作,施工現(xiàn)場基本無法制作。加工不便,難以保證工程質(zhì)量和工期。

3)同圓形、方形和矩形截面的鋼管混凝土構(gòu)件研究相比,對異形截面鋼管混凝土構(gòu)件研究較少,且主要集中在短柱和長柱的軸心受壓,以及長柱的偏心受壓,研究的局限性很大。

4)由于試驗難度較大,對儀器設(shè)備要求較高,圓形、方形和矩形截面的鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)合受力狀態(tài)下的試驗研究較少,對異形截面鋼管混凝土構(gòu)件壓彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài)的研究尚屬空白。

3.2 異形截面鋼管混凝土節(jié)點研究中的問題與分析

1)節(jié)點力學(xué)性能和施工的簡易性、經(jīng)濟性不能兩全。在實際應(yīng)用中,有些節(jié)點類型力學(xué)性能較好,節(jié)點的整體剛度也高,但材料用量大,施工復(fù)雜,如加強環(huán)類節(jié)點;有些節(jié)點類型構(gòu)造簡單,施工方便,也節(jié)省材料,但其力學(xué)性能并不理想,如錨定板式節(jié)點;有些節(jié)點施工和經(jīng)濟上的優(yōu)點極為突出,但其節(jié)點的剛度有限,如抗剪環(huán)梁節(jié)點。

2)影響建筑外觀和使用?，F(xiàn)澆樓蓋梁板節(jié)點的構(gòu)造經(jīng)常與建筑外觀和使用功能有沖突,并造成樓蓋梁板的布置不靈活,如環(huán)梁類節(jié)點應(yīng)用于邊柱時,將造成環(huán)梁突出建筑立面;又如雙梁節(jié)點,一方面使梁系的布置復(fù)雜化,另一方面又造成樓蓋的不雅觀。

3)節(jié)點的應(yīng)用不靈活。目前工程中所應(yīng)用的節(jié)點均只適用于常規(guī)情況,對較為特殊的樓蓋布置,如異形截面柱、非正交梁系、各梁的標(biāo)高與高度不同等情況,其應(yīng)用就受到一定的限制。

4)空間節(jié)點比平面節(jié)點受力復(fù)雜得多,平面節(jié)點的力學(xué)性能不能代表空間節(jié)點的力學(xué)性能,但目前對空間節(jié)點的研究還很少。

4 結(jié) 語

異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)承載力和剛度要求的前提下,可以做到內(nèi)墻不出棱,較好地滿足建筑使用功能,已成為工程應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)體系,其應(yīng)用越來越廣泛。但對異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究才剛剛開始,研究方法、試驗手段還不成熟,還沒有取得具有代表性、規(guī)范性的成果,以現(xiàn)有的普通截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ),對異形截面鋼管混凝土柱、節(jié)點、結(jié)構(gòu)體系的靜力和動力性能研究是今后的重要發(fā)展方向。

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