鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震分析研究

李 博

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006)

0 引言

鋼管混凝土構(gòu)件在力作用下的響應(yīng)綜合了混凝土和鋼管的特性，并且提高了混凝土的抗壓性和鋼管的抗傾覆性。采用泵送方法將混凝土填充滿鋼管形成了鋼管混凝土。

當(dāng)對鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行軸向作用時，鋼管和混凝土均向外變形，初始階段混凝土的變形較小，隨著荷載的增加和作用時間的累積，鋼管的變形速度小于混凝土，鋼管約束了混凝土的變形，兩者產(chǎn)生相互作用，鋼管混凝土的承載能力因其中混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)而變大。

在建筑中應(yīng)用鋼管混凝土也有較多案例，20世紀(jì)20年代美國的一些城市將鋼管混凝土應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)的柱子中，日本的一座55層的住宅樓也采用了鋼管混凝土，位于澳大利亞的一座46層的辦公樓也采用了鋼管混凝土。

1 承載力計(jì)算公式

鋼管混凝土構(gòu)件承載力計(jì)算公式：

N0=(1.212+Bξ+Cξ2)fckAsc

(1)

公式中：

其中，fck為構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Asc為構(gòu)件截面面積；ξ為套箍系數(shù)，用式(2)表示：

(2)

2 分析方法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，經(jīng)模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的振型、頻率和周期。依托模態(tài)分析得到的振動特性了解結(jié)構(gòu)的性能，同時模態(tài)分析還是進(jìn)行反應(yīng)譜分析的前期重要一環(huán)。

反應(yīng)譜法是了解多自由度體系抗震的一種方法，其分析思路為：利用單自由度體系的加速度反應(yīng)譜計(jì)算出各自相對應(yīng)的最大地震效應(yīng)，再運(yùn)用一定法則對各自由度的最大地震效應(yīng)進(jìn)行組合得到結(jié)構(gòu)體系的整體地震效應(yīng)。

某質(zhì)點(diǎn)的最大地震作用：

F1=0.243X1-0.062X2+0.295X3+0.285X4+0.108X5+0.27X6+0.15X7

Fji(t)=γjXjiajGi=ajγjXjiGi(i,j=1,2,…,n)

(3)

其中，F(xiàn)ji(t)為j振型第i質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用；Xji為j振型第i質(zhì)點(diǎn)的水平相對位移；γj為j振型的參與系數(shù)，用式(4)表示；Gi為質(zhì)點(diǎn)i的重力荷載代表值；aj為j振型對應(yīng)的地震影響系數(shù)。

(4)

3 模型分析

首先設(shè)計(jì)五個模型，模型的鋼梁均采用H型鋼，其規(guī)格為H500×300×12×20。模型的鋼管混凝土柱截面尺寸不同，其尺寸采用表1的數(shù)據(jù)。五個模型的層數(shù)均為8層，平面布置圖相同，如圖1所示。

表1 鋼管混凝土柱截面

3.1 模態(tài)分析

對以上五個模型進(jìn)行模態(tài)分析，表2～表6所列為五個模型前3階振型的振動特性數(shù)據(jù)。

表2 模型SC-1的振動特性

表3 模型SC-2的振動特性

表4 模型SC-3的振動特性

表5 模型SC-4的振動特性

表6 模型SC-5的振動特性

對以上模型分析，得到以下結(jié)論：

1)模型的前兩階振型均以平動為主，以扭轉(zhuǎn)為主的振型出現(xiàn)在第三階，符合結(jié)構(gòu)振動的振型特點(diǎn)。

2)模型的一階自振周期和二階自振周期相差不大，說明在兩個主軸方向結(jié)構(gòu)的動力特性相近；第一自振周期中扭轉(zhuǎn)與平動的比值均小于0.9，則表明扭轉(zhuǎn)不顯著影響結(jié)構(gòu)。

3.2 反應(yīng)譜法分析

沿Y方向?qū)δＰ洼斎?度多遇地震下的規(guī)范反應(yīng)譜曲線，對模型進(jìn)行反應(yīng)譜法分析。模型的參數(shù)設(shè)置：特征周期Tg=0.35 s，周期折減系數(shù)η=0.9，結(jié)構(gòu)的阻尼比ξ=0.04，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16。

3.2.1 結(jié)構(gòu)位移分析

1)SC-1～SC-5的層間位移最大值分別是4.26 mm,4.16 mm,3.91 mm,3.91 mm,3.77 mm，且出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的第三層，第三層層間位移角分別是1/819,1/843,1/897,1/892,1/926，均小于1/550，結(jié)構(gòu)的位移變化均在規(guī)范的允許范圍內(nèi)。

2)直徑相同的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其鋼管壁厚越厚，結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移反應(yīng)越小。對于鋼管壁厚相等的結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱直徑越大，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移反應(yīng)越小?？紤]對結(jié)構(gòu)抗震不利的方面，并非鋼管壁厚越小或者鋼管混凝土柱直徑越小越不利。所以鋼管混凝土柱的直徑和壁厚也很重要，這樣結(jié)構(gòu)既能夠很好的抵抗地震作用，還能合理的控制工程造價。

3.2.2 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

在多遇地震作用下，模型的樓層剪力曲線圖見圖4。

分析樓層剪力曲線圖，得出下面結(jié)論：

1)模型的樓層剪力從底層到頂層呈逐漸減小的趨勢，并且底層的樓層剪力最大，表明結(jié)構(gòu)的地震力響應(yīng)規(guī)律：在地震作用下，樓層剪力從底層到頂層逐漸減小。

2)模型的頂層樓層剪力均小于其余樓層的樓層剪力，并且底層的樓層剪力最大。對比前三個模型同樓層的樓層剪力可以發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)各樓層的樓層剪力隨結(jié)構(gòu)自重的增大而增大。

4 結(jié)語

對鋼管混凝土模型的模態(tài)分析，前兩階振型均為平動，第一扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第三階振型，從轉(zhuǎn)動與平動的周期比可以得出扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響不大，結(jié)構(gòu)的整體性能良好。

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了位移反應(yīng)和內(nèi)力反應(yīng)。直徑相同的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱的鋼管壁厚越厚，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移響應(yīng)越小。對鋼管壁厚相等的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱直徑越大，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移響應(yīng)越小。在地震作用下，結(jié)構(gòu)自重越大，結(jié)構(gòu)剛度也越大，其樓層剪力也越大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)越大。

綜上所述，結(jié)構(gòu)抗震性能隨最大水平位移和樓層剪力的變化而變化，樓層最大水平位移越大或者樓層剪力越大，對結(jié)構(gòu)的抗震性能越不利。增大結(jié)構(gòu)的剛度，位移響應(yīng)變小，但是內(nèi)力響應(yīng)變大。所以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中柱的直徑和壁厚的選取也很重要，合適的管徑和壁厚使結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)同時盡可能的小，并且能保證結(jié)構(gòu)的良好抗震性能。