钢管混凝土结构抗震性能

南昌大学研究生2015～2016学年第二学期期末 读书报告

课程名称： 混凝结构理论与应用 专业： 建筑与土木工程 学生姓名： 李海 学号： 4160146150 学 院： 建筑工程学院 得分： 任课教师： 熊进刚 时间： 2016年6月

参考选题范围 1. 钢筋混凝土非线性有限元研究新进展 2．钢筋混凝土构件非线性有限元分析 3．钢筋混凝土框架非线性有限元分析 4．钢筋混凝土剪力墙结构有限元分析 5．混凝土抗震结构非线性有限元分析 6．钢筋混凝土组合构件非线性有限元分析 7．常用软件在钢筋混凝土非线性有限元分析中的应用（特点、优势、不足）

考核要求 1．可在上述7个选题范围中任选一个，也可另选其它。注意，上述为选题范围，并非具体的读书报告题目，读书报告题目由自己确定，忌大、忌空，内容要比较具体，避免一般性、概述性。 2．必须独立完成。 3．读书报告中要有自己的观点和评述，不能仅是对文献的简单罗列或编辑。 4．报告格式按《南昌大学学报》（工科版），要有中英文题目、中英文摘要及参考文献，且参考文献不少于10篇。 5．报告篇幅5000~8000字。 钢管混凝土结构抗震性能研究 摘 要: 介绍了钢管混凝土组合结构的特点，综述了国内外钢管混凝土结构的抗震性能的研究现状; 分析了其存在的问题和实用价值，展望了钢管混凝土结构发展趋势和应用前景; 指出了进一步研究的方向。 关键词: 组合结构; 钢管混凝土结构; 抗震性能; 工程应用 Abstract:This paper presents the characteristics of steel concrete composite structures, review the status of research on seismic behavior of domestic and foreign steel concrete structure; analyzes the problems and practical value, the prospect of the development trend of steel and concrete structures prospects; points out further research direction. Keywords:composite structure; steel concrete structure; seismic performance; engineering applications 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土和钢管结构的基础上演变和发展起来的，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥。钢管混凝土组合结构的优势主要表现在: 承载力高、塑性和韧性好、经济效果好、施工方便、耐火性能较好。 钢管混凝土结构早在 19 世纪 80 年代就出现了，到目前为止，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已经有百年历史。由于钢管混凝土具有优越的力学性能和良好的经济效益，一开始便受到世界各国土木工程界的重视，并争先恐后开发利用。1879年，英国最早将钢管混凝土杆件用于 Severn 铁路桥的桥墩，在钢管内填混凝土以承受轴向压力，并防止钢管内部锈蚀。1897 年，美国人 JOHN LALLY 提出在钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，并获得专利【1】。我国从 1959 年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用，1963 年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。改革开放后，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构技术在我国的高层建筑、地铁车站和大跨度桥梁等工程中得到了广泛应用，有力地推动了上述领域营造技术的发展，取得了令人瞩目的成就【2】。2008 年汶川地震中，钢管混凝土建筑显示了优越的抗震性能，钢管混凝土的研究成为热门课题之一。

1 钢管混凝土的特点

混凝土的抗压强度高，但抗弯能力差，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中( 如厂房和高层) 。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面: 1) 承载 力 高、延 性 好，抗 震 性 能 优 越。钢 管 混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度; 钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。2) 施工方便，工期大大缩短。钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响; 由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实; 钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。 3) 耐腐蚀性能优于钢 结构。钢 管中 浇 注 混 凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。就目前实际应用而言，由于受力性能的优越性，圆钢管比方钢管混凝土应用更为广泛。

2 钢管混凝土构件抗震性能

国外对圆钢管混凝土构件抗震性能研究较早，在日本，1923 年关东大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏并不明显，在以后的建筑中尤其是高( 多) 层建筑中，钢管混凝土得到大量应用。 1991 年 Ichinohe 等 对 圆 钢 管 高 强 混 凝 土 柱 进行了拟静力试验，试验结果表明: 局部屈曲后柱的承载力并不降低，有足够的变形能力，抗震性能很好。1991 年 Yamakawa【3】等通过拟静力试验研究圆钢管配筋混凝土短柱的承载能力、延性和耗能能力，但由于纵筋较多，钢管与混凝土之间约束效应变小，导致滞回曲线有一定的捏缩，另外配筋还造成了钢材浪费，并增加了施工的难度。1998 年 Park，s. M【4】等对钢管内表面有栓钉的圆钢管配筋混凝土柱进行了拟静力试验，由于栓钉和箍筋的存在，柱发生局部屈曲后承载力并未下降，延性和耗能能力明显提高阻。在国内，钟善桐、韩林海、张素梅等【5】对圆钢管混凝土柱的压、弯、剪受力性能进行了试验研究，较全面地分析了圆钢管混凝土柱的延性、耗能和破坏性能。1998 年闫维波【6】等对钢管混凝土压弯构件滞回性能进行了研究，提出往复应力状态下高强混凝土和应力应变关系模型，利用数值方法计算出钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的弯矩一曲率关系曲线及 P － △曲线。在此基础上，分析了影响弯矩，曲率滞回关系曲线和 P － △恢复力模型，以及模型中各参数、位移延性系数、耗能比和耗能等参数的简化计算公式。2008 年沈阳工业大学魏华等【7】通过对 6 组圆形钢管混凝土双肢框架柱在水平反复荷载作用下的试验，深入研究了圆钢管混凝土双肢框架柱的滞回性能、吸能性能和延性等抗震性能。分析了混凝土强度等主要实验参数对双肢框架柱抗震性能的影响。结果表明，钢管混凝土双肢框架柱具有良好的抗震性能，配置二重筋后会迸一步增强试验体的吸能性能、承载力及延性。2010 年东北石油大学张文福等【8】为获得钢管混凝土支撑的抗震性能，对 14 根圆钢管混凝土支撑试件开展滞回性能数值仿真，主要参数包括混凝土强度、钢材屈服强度、长细比和含钢率等; 通过获得的试件轴力一位移滞回曲线，得到试件的骨架曲线，分析混凝土抗主要参数对荷载一位移骨架曲线的影响，基于滞回曲线，对试件的位移延性、耗能能力和单位体积耗能进行探讨。结果表明: 随混凝土强度、钢材屈服强度和长细比的增加，位移延性、耗能能力和单位体积耗能能力逐渐减小; 随着含钢率的增加，构件的位移延性、耗能能力减小，单位体积耗能能力逐渐增加。 2. 2 方钢管混凝土构件抗震性能 方钢管混凝土四角处混凝土沿对角线受压，随着轴压比的增大，边中混凝土方钢管混凝土所受约束越来越小，甚至出现与钢管壁剥离。方钢管混凝土的约束作用不如圆钢管混凝土明显从而导致同样条件下其构件强度比圆钢管混凝土稍差。天津大学王铁成教授对一榀三层两跨方钢管混凝土组合框架进行了抗震性能试验，结果证明该框架模型的荷载一位移滞回曲线非常饱满从而说明方钢管混凝土结构具有优越的抗震性能。多层住宅采用方钢管混凝土结构，与砖混结构和轻钢结构相比，施工比砖混结构快，造价比轻钢结构低，具有明显的经济效益。方钢管混凝土结构用在多层住宅是一个发展方向，它有很多优点，会产生较大的经济和社会效益。1981 年，Sakino【9】等进行了方钢管混凝土柱的拟静力试验，分析了试验参数对构件抗震性能的影响 Tomii【10】等通过拟静力试验研究方钢管配筋混凝土短柱的延性和耗能能力。Matsui C【11】等对钢管内壁有凸肋的方钢管混凝土柱进行了拟静力试验，试验结果表明: 内凸肋提高了钢管与混凝土之间的约束效应，延性和耗能能力明显好于没有内凸肋的方钢管混凝土柱。Okamoto【12】对离心法预制的高强混凝土矩形钢管混凝土柱进行了拟静力试验，柱的滞回曲线呈纺锤形，延性很好。Nakanishi【13】通过拟静力试验研究在静载或地震荷载作用下己破坏方钢管混凝土柱的极限强度、剐度和延性，试验获得的水平力与水平位移滞回曲线仍很饱满，极限强度和延性好于相同截面的钢管。Sun［14］【14】对高轴压比的方钢管套箍钢筋混凝土柱进行了拟静力试验，试验中钢管不直接承受纵向荷载，只对核心混凝土起约束作用，试验结果表明; 即使在高轴压比情况下，这种柱仍然具有良好的的延性，没有剪切破坏和粘结破坏现象发生。吕西林、陆伟东【15】对 12 根承受常轴力和反复水平荷载作用的方钢管混凝土柱试件进行了试验，研究了不同试验参数，如宽厚比、轴压比和内填混凝土强度对试件抗震性能的影响。试验结果表明，方钢管混凝土具有良好的荷载—位移滞回性能和抗局部屈曲的能力以及比普通钢筋混凝土柱更好的耗能能力和更小的强度退化。通过编写的计算程序，对方钢管混凝土柱的荷载一变形全过程进行了分析，计算得到的弯矩一轴力一曲率关系和荷载，位移关系与试验结果吻合较好。在空钢管中填充混凝土可以避免或延缓钢管过早地发生局部屈曲、可以有效地提高构件的延性，从而增强构件的抗震性能。华侨大学罗漪、徐玉野等【16】采用三维有限元法，分析了方钢管混凝土柱在竖向及水平荷载联合作用下的抗侧力 － 位移关系，轴压比、钢板宽厚比以及内填混凝土抗压强度对方钢管混凝土柱抗震性能的影响，通过试验证了有限元分析的结果。同济大学李黎明等【17】通过低周反复加载试验研究方钢管混凝土柱的抗震性能，分析了其在水平地震作用下的承载能力、变形能力、刚度退化、耗能能力以及结构的破坏机制，为进一步的理论分析提供参考。同时研究了含钢率、长细比和轴压比对方钢管混凝土柱延性的影响。结果表明，对其影响最大的为长细比，其次是轴压比，再次是含钢率。韩林海等研究了火灾后钢管混凝土结构的抗震性能，对于合理进行该类结构火灾后的修复具有重要意义。通过对 6 个 IS0 － 834 标准火灾作用后方钢管混凝土构件进行往复荷载作用下的荷载一变形滞回性能试验，探讨火灾作用后方钢管混凝土荷载一变形滞回曲线的特点以及刚度退化规律，并对火灾作用后方钢管混凝土压弯构件极限承载力和抗弯刚度计算方法进行了讨论。该试验结果可为钢管混凝土结构火灾后的抗震修复加固研究提供参考。