鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗研究

韓彥飛

（河北省景縣隆盛建筑工程有限公司，河北 衡水 053500）

【摘 要】鋼管混凝土通過在鋼管中填充混凝土而增強鋼管的強度，延展性和抗壓性，目前鋼管混凝土根據(jù)外形差異分為矩形鋼管凝聚土，圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。為了測試鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的具體抗震情況，本文根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范設(shè)計了一套測試其抗震性的試驗方案，通過對圓鋼管混凝土施加恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載來測試其延展性，抗壓性，耗能和剛度，從而建立完整的數(shù)學(xué)模型以便對圓鋼管混凝土的抗震性進行系統(tǒng)的了解。本文分為試驗設(shè)計和試驗結(jié)果分析兩個部分，試驗結(jié)果對于圓鋼管混凝土的應(yīng)用有著借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】圓鋼管混凝土；抗震性；延展性；試驗研究

前言：

鋼管混凝土是勁性混凝土的升級結(jié)構(gòu)，其將混凝土灌入鋼管中，使混凝土良好的抗壓性和鋼管良好的彈塑性獲得優(yōu)勢互補，從而使鋼管混凝土優(yōu)化承載性，延展性和抗震性，能夠在建筑施工中發(fā)揮更大作用。目前研究界側(cè)重對鋼管混凝土局部的構(gòu)件受力研究，而對鋼管混凝土整體框架結(jié)構(gòu)的研究較少。對此本文選擇圓鋼管混凝土作為研究對象，設(shè)計試驗測試其強度和剛性，延展性和耗能，從而整體把握圓鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

一、鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計

本文以圓鋼管混凝土作為試驗對象，根據(jù)現(xiàn)有的鋼管混凝土建構(gòu)規(guī)范搭建了一榀兩跨3層鋼管混凝土框架模型，該模型單層橫向跨距為1.2米，單層層高為1米，這個規(guī)模的模型比例符合鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)實際搭建的節(jié)點規(guī)范，同時易操作，靈活度高，能夠在試驗中有效發(fā)揮鋼管混凝土的本身性能。在試驗框架結(jié)構(gòu)上搭建了一個高度為250毫米的懸臂段，鋼管選擇Q235圓鋼管，鋼管內(nèi)填充C50混凝土，以此減輕柱頂施加的恒定豎向荷載對框架結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點的阻礙。

整體框架模型同螺栓固定在底座上，其中對框架結(jié)構(gòu)的恒定豎向荷載由放置在架柱頂部的千斤頂施加，反復(fù)水平荷載由固定在反力墻上的千斤頂沿框架中心線施加。為了獲得完整和精確的測量數(shù)據(jù)，試驗在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部安置了兩類傳感器。其中在底層結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個手持式應(yīng)變儀測點，用來測量框架柱腳的轉(zhuǎn)角。在第二層和第三層上分別設(shè)置百分表，用來測量中柱和邊柱的轉(zhuǎn)角。除此以外，設(shè)置位移傳感器和荷載傳感器用以測量框架結(jié)構(gòu)各層之間和整體的位移數(shù)據(jù)。

二、試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

（一）試驗過程

根據(jù)試驗流程發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土框架模型在恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載的施壓下首先出現(xiàn)梁端塑性出鉸，隨后再出現(xiàn)柱端塑性出鉸。幾次試驗結(jié)果都是先梁端出鉸后柱端出鉸，由此可以證明本次實驗所搭建的鋼管混凝土框架模型屬于梁鉸破壞機制。

（二）試驗結(jié)果分析

1.強度和剛度變化

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知各加載階段經(jīng)歷三次循環(huán)的強度降低系數(shù)λ（λ= P1/ P3，其中P1為某級加載的第一循環(huán)峰點荷載值，P3為該級加載的第三循環(huán)峰點荷載值）以及相對剛度P/Δ的下降值隨著循環(huán)次數(shù)增加而變得緩慢。具體來說，每經(jīng)歷一次循環(huán)，其荷載數(shù)值就下降2.5%至28%，說明框架結(jié)構(gòu)具有良好的形變能力。在實際應(yīng)用中，鋼管混凝土能夠承載多次重復(fù)且明顯的施壓，雖然隨著重復(fù)次數(shù)增加鋼管混凝土框架的形變能力下降，但仍維持在一個良好范圍內(nèi)，能夠通過形變保持整體框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度。

2.滯回曲線性能

滯回曲線指鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力中的變形曲線特征，本文試驗中的框架結(jié)構(gòu)滯回曲線顯示出明顯的“捏縮效應(yīng)”，即整體框架結(jié)構(gòu)有良好的塑性變形能力。一般來說，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的滯回性受到鋼管和混凝土本身變形性，框架滑移等因素的影響，出現(xiàn)“弓”型滯回曲線表明鋼管混凝土框架的變形和承載力要由于純鋼管框架結(jié)構(gòu)，能夠負(fù)載多次且反復(fù)的施壓，并在受力變形后能夠緩慢且穩(wěn)定的恢復(fù)原來的形狀，從而形成飽滿的滯回曲線。

3.延展性分析

根據(jù)在各加載階段模型框架的頂點側(cè)移Δ值，側(cè)移率Δ/H值和延性系數(shù)μ可以獲得框架結(jié)構(gòu)在極端受力情況下能夠出現(xiàn)67毫米的最大位移，同時內(nèi)部局部發(fā)生適度位移，層間最大位移為33毫米。根據(jù)統(tǒng)計可以得出該框架結(jié)構(gòu)的延展性為正向7.6和負(fù)向7.5，完全超出官方質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中延展性系數(shù)大于4的要求。試驗對象鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)這一延展性表明此結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于功能性建筑的建設(shè)，尤其是位于地震帶和東南沿海城市的一些建筑施工可以使用此類鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，能夠有效抵御地震，臺風(fēng)等在災(zāi)難，保護住戶人身安全。除此以外，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)因為自重輕，受力強，延展性能良好還能夠用于臨時房屋的建造，簡化施工流程，提高臨時房屋的抗壓力和延展性，從而保障其安全性。

在本文試驗中，三支框架柱腳的有效曲率延性系數(shù)（即框架柱破壞時的柱腳平均曲率φu與屈服時的柱腳平均曲率φy的比值）分別為13，8和11.5，可以發(fā)現(xiàn)位于框架中間的柱腳延展性系數(shù)低于兩側(cè)柱腳的延展性系數(shù)，表明框架結(jié)構(gòu)在試驗中受到了來自外部三個方向的受力，框架結(jié)構(gòu)中心部分受力最大，其延展性系數(shù)最低。因此鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然也會因為受力而引起結(jié)構(gòu)超出恢復(fù)范圍的形變，甚至造成整體框架坍塌，但是其仍比一般的鋼管框架擁有更好的承載力和延展性。

4.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性評價

通過本次試驗?zāi)軌驅(qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)的抗震性做出以下判斷：首先，現(xiàn)有的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計較為合理，使框架結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中能夠保持良好的承載力和延展性，能夠應(yīng)對地震，大風(fēng)等強外力影響，使建筑物在可恢復(fù)范圍內(nèi)發(fā)生一定變形而增強其適應(yīng)性；其次，與普通鋼管框架結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在滯回曲線上表現(xiàn)出“弓”型，產(chǎn)生明顯的捏縮現(xiàn)象，說明鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在受到外力施壓時能夠維持一個穩(wěn)定的回縮過程，通過適度變形來負(fù)債外力的沖擊，從而使整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性，能夠在實際生活中得到廣泛應(yīng)用；第三，本次試驗的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)存在明顯的“強柱弱梁”問題，針對這一問題在未來的技術(shù)調(diào)整中應(yīng)該重視對框架結(jié)構(gòu)中梁祝的承載力進行強化，并且適度調(diào)整框架結(jié)構(gòu)使內(nèi)部各部分達到受力基本均勻，避免出現(xiàn)局部坍塌的風(fēng)險?？傮w來說，本次試驗通過對鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)延展性，強度和剛性以及滯回性的測試獲得了較為完整的試驗結(jié)果，各項數(shù)據(jù)和現(xiàn)象表明鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)比一般的鋼管框架結(jié)構(gòu)擁有更好的承載力，延展性，也擁有更強的抗震性，這些優(yōu)勢有利于改革當(dāng)前的建筑施工框架材料選擇，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

三、結(jié)論

本文設(shè)計了一套以三層圓鋼管框架結(jié)構(gòu)作為研究對象的試驗方案，對實驗對象施加恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載，并通過安置在框架內(nèi)部和周圍的傳感器和百分表測試試驗數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，從而全面分析其抗震性。鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)化的延展性和抗震性，能夠比普通鋼管框架獲得更多的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng)。

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