方钢管混凝土柱性能设计实例及损伤评估

[收稿日期]20170630 [基金项目]住房和城乡建设部科技计划项目(2014-K2-021)。 [作者简介]韩彰(1981)男,硕士,讲师,现主要从事工程结构抗震方面的研究工作。 [通信作者]龚玉云(1990),女,硕士,现主要从事工程与项目管理方面的研究工作,1090894559@。[引著格式]韩彰,龚玉云.方钢管再生混凝土柱的抗震性能试验及设计参数影响分析[J].长江大学学报(自科版),2017,14(21):54~60.

方钢管再生混凝土柱的抗震性能试验及设计参数

影响分析

韩彰 合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009安徽交通职业技术学院土木工程系,安徽合肥230051()

龚玉云 (长江大学审计处,湖北荆州434023)

[摘要]为了定量分析不同因素对方钢管再生混凝土柱在低周反复荷载下抗震性能指标的影响,选择再生

骨料取代率、含钢率和轴压比为设计变化参数,开展了4根框架柱的拟静力试验。详细观测了框架柱破坏过程中及破坏后的形态,分析了实测滞回曲线,探究了设计变化参数对框架柱承载力、刚度、位移延性系数及耗能能力等抗震性能指标的影响规律。研究表明,方钢管再生混凝土柱的破坏形态同普通钢管混凝土柱相类似,都是柱底部钢管鼓曲、漆皮脱落及核心混凝土被压碎;随着再生骨料取代率的增大,柱的不同阶段的承载力、刚度、延性性能及耗能能力均有所降低;含钢率的增大对试件的位移延性系数、承载力、刚度、耗能能力起到有益作用;随着轴压比的提高,试件的延性性能及耗能能力有所降低,但其极限承载力、刚度却有所增加。[关键词]方钢管再生混凝土柱;再生骨料取代率;含钢率;轴压比;抗震性能[中图分类号]TU398.9[文献标志码]A [文章编号]16731409(2017)2100540

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自改革开放以来,我国经济发展速度日益加快。房地产业出现空前繁荣,城市化进程也逐步加大,

造就了我国每年需要拆除大量现有建筑,造成了大量建筑垃圾需要被处理。通常的处理方法是直接填埋

工程科技　・２５９・　方钢管混凝土柱性能设计实例及损伤评估　黎洪文　（佛山市顺德建筑设计院有限公司，广东佛山５２８３００）　摘要：钢管混凝土结构是现代高层建筑、超高层建筑工程施工中的一项重要施工材料，且随着建筑业的现代化发展，钢管混凝土的　应用范围更加广阔，应用需求量越来越大。这是因为钢管混凝土具有诸多的优点，如强度大，自重轻、抗疲劳、延性大、应用灵活、易于施工　等等。本文主要针对方形钢管混凝土柱的性能进行分析研究。文章首先分析了方钢管混凝土柱的结构特性，继而讨论了方钢管混凝土柱　的性能设计实例，并就其损伤评估做出了探讨，以期能为广大同行提供一些参考交流的依据。　关键词：方钢管混凝土柱；性能设计；损伤评估　钢管混凝土柱在实际的工程应用中具有很强的抗震性能，这也　是钢管混凝土柱优于其他混凝土结构的重要特点，这是因为钢管混　凝土柱能够最大程度的利用混凝土的抗压特性和钢管的良好延性　特点，从而达到优越的抗震性能。基于我国近年来频繁发生的地震　灾害极大的危害了社会的稳定生产以及人们的生命安全，对于建筑　抗震性能的研究越来越受到重视。本文中，笔者就针对方钢管混凝　土柱的抗震性能进行研究，并对其损伤评估做出了简要探讨。　１方钢管混凝土柱的性能特点　所谓方钢管混凝土，是指用四块钢板拼焊而成的方空钢管（实　际工程中，为减少焊缝数量也可用钢板冷弯后再拼焊而成），其内充　填混凝土而形成的一类组合构件。它一方面通过钢管内混凝土的支　撑作用防止钢管壁发生向内屈曲，从而提高了钢管的屈曲承载力：　另一方面通过四壁钢板对内填混凝土提供侧向约束，能提高内填混　凝土的竖向抗压强度。因此，两者的组合承载力大于两者独立承载　力之和。此外，钢管壁的约束改善了内填混凝土的脆性，从而使方钢　管混凝土柱具有较好的延性。具体而言，方钢管混凝土柱具有下列　优点：　Ｉ．Ｉ方钢管混凝土柱具有较大的截面强度。与钢筋混凝土柱不　同，工程应用时不受配筋率限制，承载力高，柱截面小，能减轻自重，　克服钢筋混凝土柱对建筑面积过多侵占的缺点。　１．２方钢管具有较大的抗弯刚度和抗剪强度，在水平地震作用　时承担了双向的剪切作用，使内部核心混凝土少受剪力的影响，从　而减小了内填｝昆凝土的剪切变形，能避免类似于钢筋混凝土短柱的　脆性剪切破坏。相比钢筋混凝土柱，方钢管混凝土柱有更好的延性　性能。　１．３施工方便，钢管可兼作柱的外模和代替部分施工临时支撑，　节省了材料和人工，柱内混凝土可一次施工好几层，能加快施工进　度；如能配合逆作法施工，则将更大地发挥其效益。　１．４外形规则，有利于配合建筑设计，有利于梁柱连接；防火措　施简单，仅需简单地挂上防火板即可。　１．５可将柱内外混凝土完全分开，柱内用高等级混凝土，梁板用　低等级混凝土，克服了工程中常将楼面混凝土不必要的提高之缺　点，降低了土建费用。　２方钢管混凝土柱性能设计实例　为了能够更好的研究方钢管的性能设计特点，以利于其在未来　的大规模建筑工程施工中更好的发挥其功能作用，我们决定对方钢　管混凝土柱进行性能设计实例分析。　首先，我们选择了一根方钢管混凝土柱用于抗震性能设计试验　分析，该混凝土柱的设防烈度是８度，施工场地处于规范中的二类　场地，其特征周期是０．４ｓ，截面大小为０．３ｍ×０．３ｒｎ，质量大小是　１００ｔ，柱高为１．８ｍ，所填充的混凝土强度等级是２７．５Ｎ／ｍｍ　，钢材等　级为Ｑ２３５级，强度为２１５Ｎ／ｍｍｚ，屈服应变为０．０２，轴力大小为　１８Ｏ０ｋＮ。　然后，我们通过相关的计算方法，在位移抗震设计理论的基础　上对此柱做出了详细设计和计算。通过设计与计算，得出该柱的屈　服位移大小为０．０１５３ｍ，在常遇地震下的目标延性系数为１．０，等效　阻尼比为０．０５，在偶遇地震下的目标延性系数为１．１７６，等效阻尼比　为０．０８，而在罕遇地震作用下的目标延性系数则为２．９４１，等效阻尼　比为０．２。　在建立了非线性位移反应谱后，我们通过分析计算后，与现行　的建筑抗震设计规范设计进行了比较和研究，比对结果显示，我们　所采用的设计方法完全符合规范设计的要求，相对精准的完成了三　水平的设防目标。将按照现行规范设计的该单自由度结构与之相　比，设计你基底剪力提高了约２．２倍，而套箍率提高了约１．６倍。而　在常遇地震作用下，按照设计规范的结构是按本文设计的结构顶点　位移的７６％，在罕遇地震作用下，按照设计规范的结构是按本文设　计的结构顶点位移的８０％。由此可以看出按照本文提出的方法可以　方便的实现多级设防目标，而按照目前抗震设计方法设计的结构尽　管也能够满足规范要求，但是基底剪力增大了近２倍多，套箍率则　增大了１．６倍多，但结构位移相应只减少了２５％。　３方钢管混凝土柱的损伤评估　文章上述主要是对单一的方钢管混凝土柱的性能进行了设计　试验与分析研究，但在实际的工程运用中，并不是采用单个的方钢　管混凝土柱进行设计施工，而是利用多个方钢管混凝土柱的组合结　构完成工程施工需求。因此在对方钢管混凝土柱进行损伤评估时，　就需要在上述试验所得出的所有数据资料的基础上，拟合出一个损　伤指数公式，再分析其与方钢管混凝土柱的性能设计之间的关系。　我们选择使用基于位移的方法来对方钢管混凝土柱的损伤状　态方法，在损伤评估中，详细的记录了方钢管混凝土柱试件的变化　程度以及相关数据。如局部损伤状态需要记录下混凝土开裂程度、　钢管壁的受拉屈服程度、受压屈服程度等。但在实际的分析中，由于　混凝土的开裂对于方钢管混凝土柱结构的性能影响并不是很大，因　此一般很少考虑混凝土开裂这种损伤状态。　通过相关公式分析以及软件计算结果显示，方钢管混凝土柱的　损伤指数会随着轴压比的增大而减小。且方钢管混凝土柱的轴压比　在达到最大值时，钢管混凝土柱还是表现出良好的延性，这就说明，　方钢管混凝土的损伤状态是在荷载达到最大值或最大值的作业时　发生的，不过这种损伤还不会对方钢管混凝土柱造成毁灭性的影　响，因为结构在达到最大荷载后，还是会具备很强的耗能性与延性　的。　因此，对于构件丧失承载力这种损伤状态来说，从统计的数据　可以看出，施加的轴压比较大，方钢管混凝土柱更加容易发生局部　屈服这种损害，此时，局部屈服状态发生时对应损伤指数比较小。　４结论　综上所述，方钢管混凝土柱在建筑工程的施工中，尤其是在超　高层建筑工程的施工中，具有非常优越的应用价值，是一种具备良　好性能，尤其是抗震性能非常优秀的建筑材料。总结文章的主要内　容大概包括以下两点：　４．１首先在基于位移的方钢管混凝土柱的抗震性能设计，通过　改进方法验证了本文设计方法的可行性及相比现行规范的优越性，　结果表明本文提出的设计方法能够通过一次设计，较精准的完成了　多水平的设防目标，且相对现行规范更加经济、合理。　４．２整理了方钢管混凝土柱的试验数据，并子啊这些数据的基　础上拟合了方钢管混凝土柱的损伤指数公式，然后指出了拟合公式　和基于性能的抗震设计的关系，并提出了钢管混凝土柱基于性能的　抗震评估方法。

方钢管混凝土柱—钢梁隔板贯通节点性能

方钢管混凝土柱-钢梁隔板贯通节点已被《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)列为推荐形式,但由于国内该种节点的研究资料较少,对节点承载能力及抗震性能缺乏认识,计算理论与设计方法也不成熟,因此,对隔板贯通节点的力学性能进行研究具有重要的理论意义与工程应用价值。总结分析了方钢管混凝土柱-钢梁节点的形式及其受力特点,并在研究隔板贯通节点构造存在问题的基础上,提出了改善钢梁翼缘与隔板连接处受力性能的两种新型节点形式—圆弧倒角型节点和倒角放坡型节点。为研究方钢管混凝土柱与钢梁受拉翼缘连接性能,对16个隔板贯通节点试件进行了静力拉伸试验,分析了节点的应力传递机制,并对节点拉伸承载力试验值及理论计算值进行了比较。研究结果表明,圆弧倒角型节点与倒角放坡型节点具有较高的承载力和良好的延性,影响节点承载力的主要因素是隔板厚度、浇注孔直径和钢管的宽厚比;日本规程提出的节点拉伸承载力计算公式对于填充混凝土的试件偏于保守,但高估了空钢管试件的承载力。建立了同时考虑几何非线性、钢材与混凝土接触非线性和各种材料非线性的有限元模型,对隔板贯通节点进行了静力拉伸有限元分析,研究了节点的屈服机制,并在参数分析的基础上,提出了隔板与钢管协同受力的节点拉伸承载力计算公式,比较分析表明,节点承载力理论计算值与试验值吻合较好。进行7个隔板贯通节点十字型足尺试件的低周反复加载试验,分析了各试件的破坏过程及特征,并对节点承载力、延性、耗能能力、刚度退化等抗震性能指标进行了比较分析。研究结果表明,隔板贯通节点滞回曲线饱满,具有较强的耗能能力;钢梁翼缘与隔板的连接构造对节点的延性、耗能能力、刚度退化影响较大,圆弧倒角型节点和倒角放坡型节点比侧板加强型节点具有更好的抗震性能。隔板的厚度、浇注孔径和钢管的宽厚比对梁端破坏节点的受力性能影响较小,但在试件中浇筑混凝土可以显著减小核心区的剪切变形,改善节点的抗震性能。对隔板贯通节点进行了低周反复荷载作用下非线性有限元分析,较为精确模拟了节点域的应力分布规律和受力破坏机理,有限元计算结果与试验结果吻合较好。最后在对节点滞回性能参数分析的基础上,提出了节点设计和改进建议。

混凝土柱的受力性能及其设计方法

一、概述

混凝土柱是建筑结构中常用的承重构件，其主要承受垂直荷载和弯矩荷载。混凝土柱的受力性能直接影响到整个建筑结构的稳定性和安全性。本文将从混凝土柱的受力性能入手，探讨混凝土柱的设计方法。

二、混凝土柱的受力性能

1.受力形式

混凝土柱主要承受垂直荷载和弯矩荷载，同时还受到轴向力、剪力和弯曲剪力的作用。在受力状态下，混凝土柱可以分为纯压力柱、受剪柱、弯矩柱和受弯剪柱。

2.受力特点

混凝土柱的受力特点主要包括以下几点：

（1）混凝土的强度不均匀，柱截面的强度也不均匀。

（2）混凝土柱的受力状态复杂，荷载作用点和柱的几何形状对柱的受力性能有很大影响。

（3）混凝土柱的受力过程中会产生很多剪应力，这些剪应力对柱的强度和稳定性都有很大影响。

（4）混凝土柱的强度和稳定性都受到材料的质量和施工质量的影响。

三、混凝土柱的设计方法

1.设计原则

混凝土柱的设计应遵循以下原则：

（1）设计应符合国家现行的规范和标准，保证设计的安全性和可靠性。

（2）设计应充分考虑柱的几何形状、材料强度和荷载特点，合理选用柱的截面形式和尺寸。

（3）设计应充分考虑混凝土柱的受力状态，合理选用混凝土的强度等级和配筋形式。

（4）设计应充分考虑混凝土柱的施工质量，合理选用施工工艺和施工材料。

2.设计步骤

混凝土柱的设计步骤主要包括以下几个方面：

（1）确定柱的几何形状和荷载特点。

（2）计算柱的截面面积和配筋量。

（3）计算柱的强度和稳定性。

（4）根据实际情况选取合适的施工工艺和施工材料。

3.设计方法

混凝土柱的设计方法主要包括以下几种：

（1）弹性设计法：根据柱的荷载和截面尺寸计算出柱的受力状态，然后根据混凝土的弹性模量计算出柱的变形，最后根据变形和配筋的要求计算出配筋量。

（2）极限状态设计法：根据柱的荷载和截面尺寸计算出柱的受力状态，然后根据混凝土的强度和稳定性要求计算出柱的强度和稳定系数，最后根据配筋的要求计算出配筋量。