钢管混凝土结构抗震性能研究.docx
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钢管混凝土结构抗震性能研究
论文题目:
钢管混凝土结构的
抗震性能研究
学院:
交通学院
专业年级:
2006级土木工程
学号:
061329095
姓 名:
陈建平
指导教师、职称:
廖飞宇
2010年05月29日
StudyonSeismicBehaviorof
Concrete-FilledSteelTube(CFST)Structures
College:
TransportationCollege
SpecialtyandGrade:
CivilEngineeringofGrade2006
Number:
061329095
Name:
ChenJian-ping
Advisor:
Lecturer.LiaoFei-yu
Submittedtime:
May,2010
目录
摘要………………………………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………………………1
1.引言……………………………………………………………………………………………2
2.钢管混凝土构件的滞回性能………………………………………………………………2
2.1钢管混凝土在反复荷载下的滞回性能……………………………………………………2
2.2影响钢管混凝土压滞回关系曲线的因素…………………………………………………3
2.2.1轴压比……………………………………………………………………………………3
2.2.2含钢率……………………………………………………………………………………3
2.2.3钢材屈服强度……………………………………………………………………………3
2.2.4混凝土强度………………………………………………………………………………4
2.2.5长细比……………………………………………………………………………………4
3.钢管混凝土梁柱节点的抗震性能……………………………………………………………4
3.1钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能…………………………………………………………4
3.1.1钢管混凝土柱-钢梁节点滞回性能………………………………………………………5
3.1.2影响滞回性能的因素……………………………………………………………………5
3.2其他形式节点抗震性能…………………………………………………………………6
3.2.1承重销式和穿心钢板式节点……………………………………………………………4
3.2.2肋板式节点………………………………………………………………………………4
3.2.3钢筋环绕式节点…………………………………………………………………………5
3.2.4钢筋混凝土环绕式节点………………………………………………………………5
4.钢管混凝土框架结构的抗震性能……………………………………………………………7
5.钢管混凝土剪力墙的抗震性能………………………………………………………………9
6.钢管混凝土结构体系的抗震性能…………………………………………………………11
7.钢管混凝土抗震设计的关键及要点………………………………………………………13
8.结语………………………………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………………………………15
致谢……………………………………………………………………………………………16
钢管混凝土结构抗震性能研究
摘要:
钢管混凝土除具有承载能力高,节约材料,施工简便等优点外,还具有抗震性能好的优点。
本文将分别对钢管混凝土结构构件、梁柱连接节点、框架、剪力墙和结构体系在地震荷载的作用下进行综合性的研究,综合评定钢管混凝土的抗震性能,并归纳钢管混凝土结构的抗震设计方法,得出有价值的结论,为工程实践提供参考。
关键词:
钢管混凝土抗震性能结构构件节点框架剪力墙结构体系
Abstract:
Inadditiontoacarryingcapacityofconcretefilledsteeltube,savingmaterial,theadvantagesofsimpleconstruction,italsohastheadvantageofgoodseismicperformance.Thispaperwillbeonthesteeltubestructurecomponent,beamconnections,frames,shearwallsandstructuralsystemunderearthquakeloadstoundertakeacomprehensivestudy,comprehensiveevaluationofseismicperformanceofconcretefilledsteeltube,andsummarizedtheSeismicDesignofConcreteStructuresmethod,obtainedvaluableresults,provideareferencefortheengineeringpractice.
Keywords:
Concretefilledsteeltube;Seismic;StructuralComponents;Joints;Frame;ShearWall;StructuralSystem
1引言
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。
其工作的实质在于钢管及其核心混凝土的相互作用和协同互补。
由于这种相互作用,使钢管混凝土具有一系列优越的力学行能,同时也导致了其力学性能的复杂性。
钢管混凝土构件在受力过程中,由于钢管对其核心混凝土的约束作用,使混凝土材料本身性质得到改善,既强度得以提高,塑性和韧性得到改善。
同时,由于混凝土的存在可以有效地提高钢管的稳定性。
在这种情况下,不仅钢管和混凝土材料本身的性质对钢管混凝土性能的影响很大,而且二者几何特征和物理特征参数如何“匹配”,也将对钢管混凝土构件力学性能起着非常重要的影响。
因此研究钢管混凝土结构抗震性能不能简单的与混凝土结构的抗震性能进行加减。
而必须通过相应的试验研究来得出相应的结论[1]。
2钢管混凝土构件的滞回性能
2.1钢管混凝土构件在反复荷载下的滞回性能
文献[2]通过试件的测试发现,试件的破坏形态基本上是一致的,均为压弯破坏,图1为试件的典型破坏形态。
当荷载超过屈服荷载后,随着水平位移的逐渐增大,在弯曲应力最大的柱脚处开始形成局部的微弯曲。
然后柱端顺弯曲方向向外局部凸起的范围逐渐增大,且渐沿环向发展。
对于往复加载的情况,在水平推拉的过程中,由于位移是两个方向往复的,所以截面在两个方向都有鼓曲现象,到试件接近破坏时,鼓曲现象急剧发展,整个截面最终形成一个外向凸起的灯笼破坏形态,说明整个截面的混凝土已基本被压碎。
图1钢管混凝土压弯构件在往复荷载下的典型破坏形态
文献[3,4]采用了有限元分析方法得到了压弯构件的荷载-变形滞回关系曲线,图2为钢管混凝土压弯构件在反复荷载作用下典型的P-Δ滞回关系曲线。
可见,滞回性能稳定,基本无刚度退化和捏缩现象;曲线图形饱满,呈纺锤形,耗能性能好。
这些都说明了钢管混
凝土构件具有良好的抗震性能,滞回曲线并无下降段,表现出很好的延性,其形状与不发
生局部失稳的钢构件的性能相近。
这是因为钢管混凝土构件中的混凝土受到了钢管的约束,在受力过程中不会发生因混凝土过早被压碎而导致构件破坏的情形。
此外,由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管过早的发生局部屈曲。
这样,由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势,可以保证钢材和混凝土材料性能的充分发挥。
图2构件典型的P-Δ滞回曲线[3]
2.2影响钢管混凝土压弯构件滞回曲线的因素
根据以往大量的研究表明:
轴压比、含钢率、钢材强度、混凝土强度及构件的长细比是影响钢管混凝土滞回关系曲线(弯矩-曲率和水平荷载-水平位移)的主要因素。
[2,5,6]
2.2.1轴压比
由试验的研究成果可知:
①当轴压比较小的时候,滞回曲线的骨架在加载后期基本上保持水平,没有明显的下降段;当轴压比较大的时候,则出现明显的下降段,说明试件的延性随轴压比的增大而显著降低。
②P-Δ滞回曲线的图像具有较好的饱满性,没有明显捏缩现象,表明构件具有良好的耗能性能和抵抗地震反应的能力了。
[5]
2.2.2含钢率
由钢管混凝土压弯构件在不同含钢率情况下的弯矩-曲率关系曲线,可知,其他条件相同的条件下,含钢率的提高,曲线弹性阶段的刚度有所提高,屈服弯矩也越来越大;由荷载-位移关系曲线,可知,随着含钢率的提高,构件弹性阶段刚度和水平承载力都有所提高,下降段下降幅度也了略有减少,但含钢率总体上主要影响曲线的数值,对荷载-位移关系曲线的形状影响很小。
[6]
2.2.3钢材屈服强度
由钢管混凝土压弯构件在不同含钢率情况下的弯矩-曲率关系曲线,可知,其他条件相
同的条件下,钢材屈服强度对曲线弹性阶段的刚度几乎没有影响,主要是由于钢材的弹性模量与其强度无关,但钢材屈服强度提高时,构件的屈服弯矩也逐渐增大;由荷载-位移关系曲线,可知,钢材屈服强度对荷载-位移骨架关系曲线的形状影响不大,随着钢材屈服强度的增大,构件的水平承载力有增大趋势[3]。
2.2.4混凝土强度
在其他条件一下的状况下,由不同混凝土强度条件下的弯矩-曲率关系曲线,可知,随着混凝土强度的逐渐提高,构件的屈服弯矩逐渐增大,而弹性阶段刚度则变化不大;由混荷载-位移骨架曲线的影响,可知,混凝土强度的改变对构件弹性阶段的刚度影响不大,随着混凝土强度的增大,构件的水平承载力由增大的趋势,而位移延性有减小的趋势[3]。
2.2.5长细比
由于曲率与构件的长度无关,所以构件的长细比对弯矩-曲率关系曲线无影响;由不同长细比情况下的荷载-位移关系曲线,可知,构件长细比不仅影响曲线的数值,还会影响曲线的形状。
随着长细比的增大,弹性阶段和强化阶段的刚度越来越小,水平承载力和逐渐减小[3]。
3钢管混凝土梁柱节点的抗震性能
"节点"是钢管混凝土结构体系的核心部位。
国内外专家学者提出了一些有代表性的节点型式,并从构造型式,力学性能,工作机理方面进行了试验研究.但真正对节点进行抗震性能方面的研究从20世纪90年代才开始.主要通过节点核心区的工作性能,节点梁端的P-Δ滞回曲线,节点区的剪力-剪切角滞回曲线来分析节点的抗震性能。
节点可分为铰接节点、半刚性节点、刚接节点,实际上,绝对的刚接节点是不存在的,而铰接节点的原理和构造都比较简单,只要设置牛腿传递梁端剪力。
因此本文主要是针对刚接节点的抗震性能研究。
抗震设计遵循着“强柱弱梁、节点更强”的设计原则,因此构件的破坏大多发生在梁端。
目前钢管混凝土刚性节点类型主要有:
外加强环式节点,承重销式和穿心钢板式节点,肋板式节点,钢筋环绕式节点,钢筋混凝土环梁式节点,当钢管截面尺寸较大时,还可采用内加强环式节点、锚定式节点、十字板式节点和钢筋贯通式节点等。
3.1钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能
钢管混凝土-钢梁节点有很多种形式,本文将对在大量实际工程中大量使用的中的加强环式节点的抗震性能做重点论述,如图3为典型钢管混凝土柱-钢梁节点。
图3典型外加强环式节点[1]
3.1.1钢管混凝土柱-钢梁节点的滞回性能
文献[7]为了能得到梁柱节点区的真实性能,设计了节点较弱的试件,包括强柱弱梁及削弱节点区两类节点,轴压比为0.4~0.68。
进行了反复循环荷载试验,达到了梁柱破坏前节点区首先剪切破话的目的。
研究结果表明[7,8],由梁节点的荷载-位移滞回曲线(图4)可知,曲线饱满,耗能能力很强,出现拐点后仍能保持承载力不变,变形逐渐加强。
削弱节点区的滞回曲线呈梭形,曲线出现拐点后,承载力仍然继续增加,在钢梁屈曲之前始终没有下降段,且轴压荷载大的试件的滞回环更饱满,说明构件具有良好的可抗震性能。
图4节点核心区的滞回曲线
3.1.2影响节点滞回性能的因素
根据大量的试验和设计计算数据可以将影响钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能的因素归结成如下几种情况:
[9]
、柱钢材的屈服强度;随着钢材的屈服强度的提高,节点抗弯承载力逐步提高,刚度有略有变化,总的来说钢材的强度主要在于影响曲线的数值,对形状影响较小。
、混凝土强度;随着混凝土强度的提高,节点的抗弯承载力和初始刚度均有所提高,主要是由于混凝土的弹性模量随着混凝土的强度不断的提高,从而影响钢管混凝土的抗弯
刚度。
总体来说,对曲线形状的影响也不大。
⑶、含钢率;随着含钢率的提高,节点的初始刚度和抗弯承载力均明显提高,曲线的强化刚度也有所提高。
含钢率对节点初始刚度的影响较为明显。
、梁柱线刚度比;梁柱刚度比可反映梁对柱的约束程度,计算时梁柱线刚度比的变化通过改变梁长来实现。
可见,随着梁柱线刚度比的增大,意味着梁对柱的约束增强,节点的初始刚度和抗弯承载力均有提高。
、轴压比n;随着轴压比的增大初始刚度变化不明显,轴压比在0.3以下时,随着n的增大极限承载力略有提高。
、梁柱刚度比;节点的初始刚度随梁柱刚度比的增大而增大,当梁柱刚度比较大的时候,有明显的强化段,但曲线形状变化不大。
、柱长细比;节点的抗弯承载力随长细比的增大变化不明显。
节点初始刚度随长细比的增大略有下降。
3.2其他形式节点抗震性能
3.2.1承重销式和穿心钢板式节点
根据几种不同的承重销式和穿心钢板式节点的试验研究,可知,尽管各试件的破坏形态不同,但都表现出良好的延性。
在钢管混凝土柱-钢筋混凝土单梁暗牛腿节点的试验中,节点的破坏均发生在梁端,出现塑性铰,且两个加载方向均表现出良好的耗能能力,滞回环饱满,成梭形,说明抗震性能良好[10,11]。
综上所述,此类节点具有传力明确,受力安全可靠,塑性性能好,但存在着用钢量大,且管内的焊接较困难等问题。
3.2.2肋板式节点
这种节点的刚度大,承载力高,钢管柱参与梁柱弯矩分配的能力强,在力学性能上比较接近刚性节点,同时可以避免牛腿穿心带来的麻烦,是一种是用于普通钢筋混凝土楼盖的,综合性能较好的节点形式。
其主要的弱点在于环梁钢筋较密,影响了节点区混凝土的浇筑[12]。
并且用钢量较大,钢管角部与肋板焊接处焊缝容易先破坏。
3.2.3钢筋环绕式节点
通过对钢筋网或环形钢筋加强钢管不直通式节点进行了试验研究,该类节点的特点是钢管混凝土柱的钢管在梁柱节点区不直接通过,节点区混凝土采用梁板的强度等级,由此产生的轴向承载力的下降通过采用环梁加大节点区截面并配置水平钢筋网或环形钢筋来加强和提高。
结果表明,试件破坏都是由钢管混凝土柱的压坏而导致,由于柱钢管不直通,梁纵筋或型钢可连续地通过节点区,节点区的链接构造形式简单。
采用这种形式钢管混凝土柱-梁节点,其施工方法与钢筋混凝土柱-梁节点类似。
由此可知,此类节点的特征是[13,14]:
钢筋混凝土梁属于连续梁,梁柱属铰接链接,梁
的支座反力依靠明(暗)牛腿传递,传力明确,但施工较为复杂。
3.2.4钢筋混凝土环绕式节点
通过几种钢筋混凝土环绕式节点的试验研究[15,16],可知,环梁的存在可以实现梁端先出现塑性铰,可避免梁端钢筋锚固时对钢管局部的撕裂破坏,并对节点核心区的钢管及混凝土起到保护作用。
通过适当的截面设计可以使框架梁在环梁范围以外屈服,即使在环梁内屈服,节点仍然有很好的延性和耗能能力,可以满足抗震设计要求。
当破坏发生在节点区外时,节点不会对钢管混凝土柱产生不利影响,并且提供约束作用,提高节点区强度。
综上所说,可知钢筋混凝土环梁式节点的传力明确,受力较好,可以满足强柱弱梁,强剪弱弯及强节点的抗震设计原理,但该类节点施工较为不方便。
综上所述,刚性节点在满足合理地构造要求和施工要求时,一般都能满足结构的承载力、刚度、塑性等要求。
4.钢管混凝土框架结构的抗震性能
钢管混凝土结构具有承载力高、延性好、施工方便、经济性好等优点而被广泛应用,目前国内对钢管混凝土框架结构体系的研究也有相当的数量。
文献[17]和[18]为了分析了钢管混凝土框架的抗震性能,根据现行结构设计规范,按照1:
10比例,设计制作了一个钢管混凝土框架结构模型,通过在地震模拟振动台试验,研究了钢管混凝土框架结构模型在不同地震波作用下的加速度、位移和应变反应。
文献[17]试验选定3种地震波输入,即El-Centro(1940,N-S)地震波、天津博(N-S)、武汉人工波。
随着输入地震波加速度的逐渐增大,结构的反应明显增大,主要表现在:
框架整体侧移增大,顶层反应比较明显;两端、柱端的应变反应也相应增大,尤其是结构一层梁端比较明显,在整个试验进行中没有发现屈服现象,说明结构扔处于弹性状态;不同地震波对结构的位移和加速度也有所不同,El-Centro波作用下较大,其次为武汉人工波;加载结束后在部分柱柱顶管壁与核心混凝土圆周上有微小裂缝产生。
表1为文献[17]结构在EL-Centro波作用下一地震烈度加载后均进行白躁声扫频,在1,5,13,18工况对应的地震波加速度峰值皆为0.05。
从地震烈度加载后的白噪声扫频结果,可以看出:
模型的前5阶频率降低幅度均在5%以内,频率下降最大为4.86%说明出模型产生了一定损伤。
表1部分工况的白噪声扫频结果
工况
第一阶/Hz
第二阶/Hz
第三阶/Hz
第四阶/Hz
第五阶/Hz
1
9.06
17.75
38.52
54.95
75.89
5
9.12
17.74
38.50
54.95
75.89
13
8.66
17.52
37.88
54.60
74.92
18
8.62
17.50
37.56
54.49
74.53
试验测得模型各层加速度,结果表明:
随着输入的地震波峰值加速度增大,结构加速度反应也随之增大,各楼层加速度反应曲线形状基本一致(图5),只是在数值上有所增加,说明结构整体仍处于弹性状态。
图5结构最大加速度反应标准包络图
试验测得的各层位移表明:
结构顶层在地震波作用下位移的反应最大(图6);在各种地震波与加速度峰值作用下,结构各层位移反应也不同,随着地震波峰值加速度的增加,结构各层位移反应增大,其中天津波的位移反应最大,其次为武汉波;图7为3种波峰值加速度为0.96g时,结构层间最大位移包络图。
可以看出,在不同地震波作用下,结构的层间最大加速度反应不同,其结构三层、六层的加速度最大。
通过计算可知,模型的总位移角值未超过规范限制。
图6结构最大位移反应包络图图7加速度0.96g时结构最大位移包络图
实测结果说明,结构变形为弯剪型,各层位移反应沿高度基本呈三角形分布。
模型的总位移角值和层间位移角值未超过规范规定的弹性位移角和弹性层间位移角的限值,说明
结构延性较好,能满足抗震要求。
文献[18]通过对2栋5层钢筋混凝土框架结构和钢管混凝土组合结构进行了地震反应弹塑性过程分析,并对多种地震波输入下的两类结构的加速度和位移反应进行了对比,分析研究钢管混凝土组合结构的抗震性能。
通过计算分析,结构在EL-Centro波、Taft波、天津波等3种地震波作用下的加速度反应。
钢筋混凝土在3种波的地震作用下,加速度最大值均没有出现在顶层,Taft波和天津波最大加速度出现在第2层,而EL-Centro波的最大加速度出现在底层。
而钢管混凝土组合框架结构的加速度随着层数的增大而增大,最大值均出现在顶层,但均小于钢筋混凝土结构。
如图8可知,在3种波的作用下,钢管混凝土结构的加速度反应平缓,随层数的增加缓慢上升,其加速度反应均比钢筋混凝土结构小;而钢筋混凝土结构对3种波的反应有所不同,但加速度反应起伏较大,其中天津波最大,其他的两种的加速度包络图均呈S形分布。
图8各地震波加速度包络图
从位移反应分析可以看出,钢管混凝土结构在层间的最大位移均小于钢筋混凝土结构,综上所述,可见钢管混凝土框架结构的延性和耗能性能都优于钢筋混凝土结构。
5钢管混凝土剪力墙的抗震性能
剪力墙是高层建筑中抵抗侧向力的重要结构单元,在结构中往往承担部分水平力。
以往的研究表明,钢管混凝土柱具有较好的抗剪承载力和后期承载能力。
以钢管混凝土作为钢筋混凝土剪力墙的边框柱形成的组合剪力墙(以下简称为钢管混凝土剪力墙)在混凝土墙板的承载力下降后,钢管混凝土柱可望承担较大的倾覆弯矩和一定的剪力。
因而,如将钢管混凝土剪力墙应用于钢-混凝土混合结构中,可期望提高结构整体抗震性能。
文献[19]进行了钢管混凝土剪力墙、型钢混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙的试验研
究。
试验的加载制度采用了转角控制,从总体上看,钢管混凝土剪力墙的破坏过程可以分为4个阶段:
初始阶段、形成主斜裂缝阶段、峰值阶段和破坏节点。
型钢混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙的墙板裂缝发展模态以及破坏过程与钢管混凝土剪力墙基本相似,区别在于:
型钢混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙的边框柱下部在(3~4)[θy]后开始出现弯曲水平裂缝,其后柱上部开始逐渐出现剪切斜裂缝,由于型钢混凝土边框柱和钢筋混凝土边框柱的抗剪能力较弱,因此在峰值荷载后柱上部的斜裂缝迅速发展将柱劈裂,并和墙板上的主斜裂缝贯通形成一个剪切破坏面,最终试件沿这个剪切破坏面产生错动而破坏。
图9为三种剪力墙的破坏形态
(a-钢管混凝土剪力墙b-型钢混凝土剪力墙c-钢筋混凝土剪力墙)
图9三种剪力墙的破坏模态比较
图10为3种剪力墙试件的P-Δ滞回曲线,图11为剪力墙的滞回曲线骨架线比较。
图10剪力墙试件荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线
图11剪力墙试件荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线骨架线
由图10可以看出,试件的滞回曲线“捏缩现象”较为明显,表现出较强的剪切与滑移滞回现象。
总的来看,钢管混凝土剪力墙的滞回环饱满程度会稍好于其他两种混凝土剪力墙。
与其他两种类型的剪力墙试件相比,钢管混凝土剪力墙的滞回曲线更为饱满一些。
从图11所示的试件骨架线可确定各试件的屈服荷载Py、屈服位移Δy、极限荷载Pmax。
取试件在达到峰值荷载后Pu=0.85Pmax为破坏荷载,相应点的位移为试件的破坏位移Δu。
采用位移延性系数和转角延性系数来考察剪力墙试件的延性特性。
表3给出了三种剪力墙试件的延性系数和总耗能值,试件的总耗能值为从开始加载到达到破坏荷载(0.85Pmax)时所有滞回环所包含的面积总和。
从表2中可以看到,钢管混凝土剪力墙的延性系数和总耗能值均较型钢混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙高,表明钢管混凝土剪力墙的抗震性能较后两者好。
表2剪力墙试件延性与耗能系数
试件类型
钢管混凝土剪力墙
型钢混凝土剪力墙
钢筋混凝土剪力墙
屈服位移Δy/mm
2.82
2.86
2.68
破坏位移Δu/mm
7.67
7.60
6.85
屈服位移角θy/rad
0.00306
0.00311
0.00291
破坏位移角θu/rad
0.00834
0.00826
0.00745
位移延性系数μ
2.720
2.657
2.556
位移角延性系数μθ
2.720
2.657
2.556
总耗能Etotal/(kN·m)
56.623
51.394
49.193
6钢管混凝土结
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