鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)探究

李博文 李 康 /華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)探究

李博文 李 康 /華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

鋼管混凝土作為今年來的新型結(jié)構(gòu)，具有很好的力學(xué)性能，對于類似我國這種地震頻發(fā)的國家來說，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。所以近幾年來在實(shí)際工程，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)尤其是在高層、超高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中中得到廣泛地推廣和使用。然而由于鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)興起時間較短，對其研究尚在初期，尤其對其抗震性能的研究有很多不足之處。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具備很多的特點(diǎn)，正被越來越多的用于我國的廠房、高層和超高層建筑及地下構(gòu)造中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)而言是一種新型結(jié)構(gòu)，其抗震性能的研究還有很多不足之處，并且我國對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還未有統(tǒng)一的規(guī)范要求。因此，本文對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了初步探究。

鋼管混凝土；框架結(jié)構(gòu)；彈塑性；時程分析

一、鋼管混凝土研究不足

鋼管混凝土是一種新型的組合材料，目前，對其抗震性能的研究較為活躍，也取得了許多成果，但這方面的研究仍是不完善的，還存在著許多不足之處，主要有以下幾個方面:

1.到目前為止，大多是對節(jié)點(diǎn)處的理論計(jì)算和研究，并且是在靜載和反復(fù)荷載作用下的探究，所以今后的研究方向應(yīng)著眼于對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能的研究。

2.鋼管混凝土截面分為圓形和方形，但后者研究較少。圓鋼管混凝土相對方形鋼管混凝土而言約束效果明顯，但方形鋼管混凝土具有施工簡便、節(jié)點(diǎn)便于加工、較大的截面慣性矩及更好的穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用前景廣闊。

3.目前鋼管混凝土抗震性能研究時，主要在層數(shù)和跨數(shù)兩個標(biāo)準(zhǔn)下對鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)加載，其研究的層數(shù)和跨數(shù)較少，應(yīng)加大數(shù)量級的研究，才具有更大的實(shí)際工程參考價值。

4.實(shí)際地震中是地震動對結(jié)構(gòu)的多維影響，但實(shí)際研究中，只考慮單向地震對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，這樣的研究不能準(zhǔn)確表現(xiàn)出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，因此必須考慮到多向地震的影響。

5.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼和混凝土兩種不同材料組合而成，由于兩者阻尼特性差別較大，導(dǎo)致鋼管混凝土整體的阻尼變化規(guī)律很復(fù)雜。阻尼是抗震性能評判的一個重要指標(biāo)，直接反應(yīng)結(jié)構(gòu)的損傷程度的評估，因此要加大這方面的研究。

二、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析

對于以上等問題，可采用ANSYS軟件建立了結(jié)構(gòu)的有限元模型對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了以下幾個方面的研究:

1.進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)分析，進(jìn)而掌握結(jié)構(gòu)模型的動力特性

2.結(jié)構(gòu)的抗震性能的考察，應(yīng)在多遇地震下進(jìn)行才更加準(zhǔn)確。主要作了如下三方面的對比研究:

（1）從不同方向單向輸入同一地震波時，此時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移響應(yīng)的對比

（2）不同單向地震波輸入時，此時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移響應(yīng)的對比

（3）單向地震波和雙向地震波輸入時，此時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移響應(yīng)的對比

3.阻尼對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)彈性時程分析研究，應(yīng)采用不同阻尼比、不同阻尼模型及不同阻尼模型下鋼管內(nèi)混凝土取不同強(qiáng)度等級進(jìn)行研究。

（1）采用瑞利阻尼、剛度比例阻尼、材料相關(guān)剛度比例阻尼三種阻尼模型時，結(jié)構(gòu)在單向地震波下的內(nèi)力位移響應(yīng)的對比

（2）結(jié)構(gòu)在單向地震波下采用同一阻尼模型不同阻尼比時的內(nèi)力位移響立的對比

（3）結(jié)構(gòu)在地震作用下和不同阻尼模型地震作用下鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級變化對的力位移差值的影響分析

三、國內(nèi)外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)存在問題

結(jié)合國內(nèi)外鋼管混凝土發(fā)展的歷史和經(jīng)驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn)一些急需解決的問題：

（1）理論研究相對滯后，沒能廣泛應(yīng)用鋼管混凝土這種特殊的組合材料，尤其對受力中鋼管對混凝土的緊箍力考慮不足

（2）鋼管混凝土的有限元計(jì)算理論缺乏統(tǒng)一性，計(jì)算模型太少

（3）由于對核心混凝土收縮徐變的研究尚不成熟，對于管內(nèi)混凝土徐變更是沒有一個普遍認(rèn)可的計(jì)算模式。在對徐變影響的分析中，不應(yīng)只著眼于應(yīng)力變化，剛度、變形與穩(wěn)定等也應(yīng)進(jìn)行深入的研究

（4）鋼管混凝土受力性能在溫度變化下的研究缺乏， 對于合攏溫度尚在研究之中，沒有統(tǒng)一的規(guī)范要求

（5）鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)與柔性吊桿的疲勞問題，研究尚淺

四、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)深入探究

鋼管混凝土因其優(yōu)越的力學(xué)性能和良好的經(jīng)濟(jì)效果，在高層超高層結(jié)構(gòu)中將到越來越多的應(yīng)用?？拐鹦阅軕?yīng)作為一個重要指標(biāo)進(jìn)行研究，但研究起來較為復(fù)雜。具體需要攻克的疑難研究，作者認(rèn)為可進(jìn)行以下幾個方面的著手探究：

（1）如何更真實(shí)的模擬鋼管混凝土構(gòu)件，比如考慮鋼管和混凝土之間的粘結(jié)，鋼管和混凝土的泊松比和彈性模量隨時間的變化等。

（2）在對鋼管混凝土組合框架結(jié)構(gòu)的彈性時程分析時，應(yīng)對鋼管混凝土組合框架結(jié)構(gòu)在多遇地震下節(jié)點(diǎn)的抗震性能、罕遇地震下整體抗震性能以及核心混凝土在彈塑性階段恢復(fù)力模型等進(jìn)行探究。

（3）不應(yīng)只進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型在兩個主軸方向的地震響應(yīng)的研究，應(yīng)進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)在其他方向的內(nèi)力位移反應(yīng)及最不利方向如何確定等方向的研究。

（4）不同阻尼模型得到的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移反應(yīng)具有很大差別，構(gòu)造合理的阻尼模型是結(jié)構(gòu)抗震分析中的一個難點(diǎn)。而如何采用更簡便合理的方法確定鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的彈性階段和彈塑性階段的整體阻尼比需進(jìn)一步研究。

五、結(jié)語

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)較好的力學(xué)性能對我國建筑行業(yè)發(fā)展尤為重要。未來建筑行業(yè)工業(yè)化的發(fā)展方向一定朝著大跨度、高聳以及優(yōu)秀的承載力方向發(fā)展，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)正具有這樣的優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)正逐步廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廠房、高聳建筑、大跨度結(jié)構(gòu)中，不僅取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，而且建筑特色鮮明美觀，是今后建筑行業(yè)一個重要的發(fā)展方向。相信隨著鋼管混凝土理論不斷深入的研究，鋼管混凝土將大規(guī)模地用于各類建筑結(jié)構(gòu)中。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際中已有應(yīng)用，比如用鋼管混凝土柱和鋼梁組成的框筒結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)中，并且取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。盡管鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展還不夠完善，在許多方面存在著不足和弊端，但是其優(yōu)點(diǎn) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式所不能比擬的。隨著科技水平的不斷提高及新材料的出現(xiàn)，我相信鋼管混凝土結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步被優(yōu)化，彌補(bǔ)不足，優(yōu)點(diǎn)將更大被展現(xiàn)出來，成為一種完美的結(jié)構(gòu)形式。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu).北京:科學(xué)出版社，2000.1-8.

[2]李玉樓.方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能對比研究:〔碩士學(xué)位論文」.廣州:廣州大學(xué)，2007.

[3]趙干榮.鋼管混凝土框一筒結(jié)構(gòu)動力特性研究:[碩士學(xué)位論文」.成都:西南交通大學(xué)，2007.

[4]韓林海，陶忠，閏維波.圓鋼管混凝土構(gòu)件彎矩一曲率滯回特性研究.地震工程與工程振動，2000.

[5]陶忠，韓林海.方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能的試驗(yàn)研究.地震工程與工程振動，2001.