變電站空腹式鋼構(gòu)架鋼骨混凝土柱抗震性能分析

張濤

摘 要：以變電站為研究對象，分析變電站空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱的抗震性能。具體分析空腹式鋼構(gòu)架的基本原理，通過相應(yīng)的試驗參數(shù)，設(shè)計了3個試件，并對試件進行加工、力學性能和測量具體內(nèi)容分析;然后對3個試件的破壞形態(tài)進行分析;最后進行性能測試。結(jié)果表明：鋼構(gòu)架抗拉性能和承載力強，具有較好的抗震性能。

關(guān)鍵詞：變電站;空腹式;鋼構(gòu)架;鋼管混凝土柱;抗震性能

中圖分類號：TP392 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0150-05

近年來，隨著越來越多的超高層、大跨度和異形結(jié)構(gòu)建筑的增加，建筑結(jié)構(gòu)的荷載也隨之增加。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)已不能滿足當前建筑領(lǐng)域的抗震要求。因此，新型的鋼構(gòu)架-混凝土組合柱隨之誕生。這種組合柱可以很大程度上提升混凝土柱的抗壓強度和變形能力，鋼骨-鋼管混凝土組合柱的結(jié)構(gòu)形式在建筑領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果。據(jù)報道，有學者對基于變梁異型節(jié)點子結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)抗震性能進行了深入分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同的鋼管對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能具有較大影響[1];提出配鋼管高強混凝土芯柱的異強組合柱抗震性能研究，為建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供了較為專業(yè)的技術(shù)條件[2];提出內(nèi)埋空腹式鋼構(gòu)架-方鋼管混凝土組合短柱偏心受壓承載力計算公式，實驗驗證了該公式具備可行性和有效性[3]。但是，當前建筑領(lǐng)域的鋼骨-鋼管混凝土組合柱中埋入的鋼骨多為實腹式型鋼，對于內(nèi)埋空腹式型鋼的鋼管混凝土組合柱研究較少。本研究針對變電站的建筑結(jié)構(gòu)，對變電站空腹式鋼構(gòu)架和鋼管進行實驗分析。該組合柱具有較好的抗震性能，通過空腹式鋼構(gòu)架的作用可以很好的對混凝土進行約束，從而有效避免混凝土出現(xiàn)變形和承載力不足的現(xiàn)象，為同領(lǐng)域研究提供了數(shù)據(jù)參考和研究方向。

1 試驗方案

1.1 空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱原理

該混凝土柱的結(jié)構(gòu)特點如圖1所示。鋼管和空腹式鋼構(gòu)架對混凝土形成了雙重約束，從而提升了柱子的受力性能[4]。

1.2 試件設(shè)計

本實驗選擇在四川某大學的建筑結(jié)構(gòu)工程實驗室進行?；炷列吞枮榧毠橇30，無縫方鋼管的外徑（D）為150 mm、壁厚（t）為4 mm，徑厚比D/t=150/4=37.5[5]。軸壓比計算公式：

n=NA× fc

根據(jù)實際情況，本研究設(shè)計的軸壓比為0.476[6]。各試件的具體參數(shù)如表1所示。

1.3 試件加工

試件的澆筑、加工如圖2所示。

試件加工主要包括3個步驟：

（1）對試件進行加工，根據(jù)圖紙對鋼構(gòu)件進行切割、打磨和焊接處理[7];

（2）對試件進行打磨除銹，并采取相應(yīng)措施對試件進行養(yǎng)護;

（3）對鋼筋籠進行綁扎，將模板固定成功后，最后進行混凝土澆筑。

澆筑方法采用臥位澆筑方法，為保證模板尺寸正確無誤，可適當在模板上涂抹機油;當進行混凝土澆筑時，需采用振搗棒進行攪拌，保證鋼管內(nèi)外澆筑密實，澆筑表面平整[8]。

1.4 指標測試

1.4.1 基本力學性能測試

試件材料力學性能主要從混凝土和鋼材兩個方面入手考慮。其中，制作6個150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊，養(yǎng)護前采用YES-2000液壓式壓力試驗機進行測試[9]。根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和養(yǎng)護標準，本研究通過下述公式對混凝土軸心抗壓承載力fc進行求解：

fc=ac1fcu

混凝土的軸心抗拉強度承載力ft的求解公式：

ft=0.395×fcu

1.4.2 恢復(fù)力測試指標

滯回曲線，即恢復(fù)力曲線，主要指結(jié)構(gòu)進行荷載和位移時繪制的曲線。通過該曲線能夠很好地判斷結(jié)構(gòu)的抗震性能，可直觀地看出結(jié)構(gòu)的變形、承載力和能量消耗等狀況[10]。 滯回曲線分為梭型、弓形、倒 S 型和Z 型4種形式。梭型曲線十分圓滑，說明鋼結(jié)構(gòu)損耗力強;弓形和倒 S 型曲線出現(xiàn)“捏縮”，表明構(gòu)件剪力強，存在滑移情況，能耗較差;Z 型耗能均比上述3種曲線形式差，滑移現(xiàn)象嚴重[11]。

1.4.3 承載力退化指標

滯回曲線在不斷地循環(huán)作用下，荷載力增強導致滯回環(huán)的荷載降低，即為承載力退化[12]。通過承載力退化，可驗證、判斷在地震狀況下鋼構(gòu)架是否能夠承受荷載以及結(jié)構(gòu)承載能力降低的程度。承載力降低系數(shù)λi的表達式：

λni=PniP1i

式中：Pni表示第i倍屈服位移加載級下，第n個循環(huán)的荷載峰值;P1i表示第i倍屈服位移加載級下，第1個循環(huán)的荷載峰值。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件材料力學性能測試

根據(jù)以上測試實驗，得到3個試件材料性能測試結(jié)果，具體如表2所示。

由表2可以看出，3個試件中，試件C的軸心抗壓強度和抗拉強度均更強，分別高達29.03、2.83 MPa，極限荷載為650.33 kN，說明試件C的力學性能更好。

2.2 滯回曲線

根據(jù)上述恢復(fù)力測試指標，得到3個試件的荷載-位移滯回曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，荷載量的加大，使得試件A的滯回曲線從飽滿狀態(tài)逐漸趨于捏縮，最終形成Z形;說明該構(gòu)件的含鋼率較少，抗震性能差。由圖3（b）、圖3（c）可知，試件B和試件C的滯回曲線都較為飽滿，受力后期存在較小的捏縮情況，且存在倒S形轉(zhuǎn)換的趨勢;主要原因是內(nèi)埋鋼管混凝土和管外空腹式鋼構(gòu)架混凝土均具有優(yōu)越的協(xié)調(diào)性，抗震性能較佳。對比試件A和試件B的滯回曲線可以看出，試件A的承載力更低，捏縮現(xiàn)象更明顯，表明Z型含鋼率對于抗震性能的影響較大。

對比試件B和試件C，兩者間的峰值荷載差距較小;但試件B的變形性能顯著降低，捏縮也較為嚴重。這表明軸壓比是影響空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱的抗震性能的關(guān)鍵因素，試件承載力和耗能性能都隨著軸壓比的增大而逐漸降低。

2.3 承載力退化

為測試鋼構(gòu)件的承載力退化能力，本實驗獲取的3個試件的承載力衰減數(shù)據(jù)結(jié)果，具體如表3所示。

為更好的判斷同等環(huán)境下各試件承載力退化的快慢程度，將λ2i作為研究對象，對比同等i各種參數(shù)設(shè)置，研究設(shè)計的鋼構(gòu)件承載力退化能力，其表現(xiàn)形式如圖4所示。

由圖4可知，不同參數(shù)下3個試件的承載力衰減均緩慢，各試件P2/P1≥0.28，表明空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱抗震性能較好。 軸壓比也是影響空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱承載力退化重要因素;從圖4（b）還可以看出，軸壓比小的試件C承載力退化速度相較于軸壓比大的試件B更慢。當試件荷載為最大值時，試件C的承載力退化能力比試件B更低。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究對變電站空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱抗震性能進行試驗后可知，含鋼率對鋼構(gòu)架的承載力影響較大，含鋼率較高說明該構(gòu)件的抗震性能就越好。軸壓比對試件的延性和耗能性能具有較大的影響，其可很好的反映結(jié)構(gòu)的抗震性能。綜合分析可知，空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱具有良好的抗震性能，可以在變電站工程中進行大力推廣和應(yīng)用。然而，由于經(jīng)驗和實驗條件不足，本次研究內(nèi)容存在一定的局限性，如缺乏對空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱的有限元分析，實驗參數(shù)較少等，導致最終結(jié)果可能存在一定的誤差，這還有待進一步完善。后續(xù)將重點從這兩方面入手，增加實驗參數(shù)，提高變電站空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱的抗震性能，為之后的變電站空腹式鋼構(gòu)架-鋼管混凝土組合柱抗震性能研究提供參考。

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