李棟梁 張江彬

0 引言

近20年來,鋼管混凝土的設計和制造技術得到了迅速發(fā)展,并被廣泛應用于高層建筑、大跨橋梁、工業(yè)建筑以及地下結構等眾多土木工程結構中,取得了良好的經濟和社會效益。

隨著經濟建設的迅速發(fā)展,我國城市交通的橋梁建設亦進入迅速發(fā)展時期。為改善城市交通,加強與周圍地區(qū)間的聯系,人們日益要求跨越江河、海灣和山谷,建造安全、經濟和輕盈美觀的大跨橋梁。鋼管混凝土已被公認為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的結構材料。

由于鋼管混凝土結構適應了現代土木工程結構向大跨、高聳、重載發(fā)展的趨勢,并且符合現代化施工技術和工業(yè)化制造要求,在世界各地得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用,它已經成為國家建筑科學技術水平的標志之一。

1 鋼管混凝土框架的抗震性能分析

1.1 模型簡介

為了解鋼管混凝土框架結構的抗震性能,在此用兩個結構布置、構件尺寸及用鋼量完全相同的簡單鋼管混凝土框架和鋼筋混凝土框架進行分析。該模型為一幢10層框架結構,層高3 m,總高度為30m。結構平面和立面布置圖如圖1,圖2所示。

框架1為鋼筋混凝土結構,柱截面尺寸均為800mm×800mm,梁截面尺寸均為250mm×700mm,縱向受力鋼筋采用HRB335,箍筋采用HPB235,樓蓋厚為120mm。

框架2為鋼管混凝土結構,柱截面尺寸為800mm×800mm,鋼管壁厚為20mm,梁截面尺寸為250mm×700mm,樓蓋采用鋼筋混凝土樓蓋,厚度為120mm,鋼管采用Q345鋼。

由于結構的控制作用為地震作用,故在此分析地震對結構的作用,其他如恒載、活載、風載對結構的影響不予考慮。

1.2 多遇地震作用下結構抗震性能分析

采用有限元分析軟件SAP2000對上述兩框架結構進行線性時程分析,選用的地震波為El-Centro波和Taft波。

在70gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的結構頂點位移時程曲線顯示:框架1的結構頂點最大位移為374.5mm,框架2的結構頂點最大位移為208.8mm。顯然框架2在地震作用下的位移響應要明顯小于框架1,框架2的最大位移僅為框架1的55.8%,可見減震效果是明顯的。

在70gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的結構頂點加速度時程曲線顯示:框架1的最大加速度為61.53cm/s2,框架2的最大加速度為39.82cm/s2,框架2的最大加速度值為框架1的64.7%。可見,鋼管混凝土框架結構在多遇地震(70gal)下的加速度反應要明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構,這表明鋼管混凝土的耗能能力要優(yōu)于混凝土結構。

在70gal,Taft波作用下,框架1和框架2的結構頂點位移時程曲線和頂點加速度時程曲線顯示:框架1的結構頂點最大位移為464.5mm,框架 2的結構頂點最大位移為237.3mm;鋼管混凝土結構的加速度響應要大大小于鋼筋混凝土結構?？梢?框架2的位移響應要明顯小于框架1;Taft波作用下的結構響應與El-Centro波作用下的結果相差不大。

1.3 罕遇地震作用下結構抗震性能分析

模型簡介中對結構在70gal的多遇地震作用下的表現進行了討論,但實際工程中工程技術人員更主要的是要考慮罕遇地震作用對結構的影響。罕遇地震往往會對結構產生毀滅性的破壞,故需對鋼管混凝土框架結構在罕遇地震作用下的抗震性能進行分析。

在此,采用400gal的El-Centro波來考察結構在罕遇地震作用下的反應。在400gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的結構頂點位移時程曲線圖顯示:框架1的結構頂點最大位移為1858mm,框架2的結構頂點最大位移為930.2mm,明顯小于框架1?？梢?鋼管混凝土結構在罕遇地震下的表現是優(yōu)秀的,其塑性變形能力要強于鋼筋混凝土結構。框架1的結構頂點位移達到1858mm之大,如若考慮P—Δ效應,結構實際上已瀕臨倒塌,與之相比框架2要好得多。圖3為框架1和框架2在400gal,El-Centro波作用下的各層最大位移。顯然,框架2的各層位移都要小于框架1,結構在地震作用下的加速度響應也同樣可以驗證這一點。

通過上述分析,可以明顯看出框架2的地震響應小于框架1,即其在地震下的表現要好于框架1,因此可以判斷鋼管混凝土框架結構的抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構。

為進一步研究鋼管混凝土框架結構的抗震性能,在此,假設框架3結構用鋼量與框架2大致相當,結構布置與框架2相同。柱仍采用鋼管混凝土柱,其截面與框架2的相同,梁截面采用Q345級H型鋼,截面高度為400mm,上下翼緣寬度均為250mm,上下翼板及腹板厚度均為16mm,樓蓋亦與框架2相同。

同樣采用400gal,El-Centro波對該結構進行時程分析,分析結果表明:框架3的頂點最大位移為 2285mm,比框架 2的結構頂點最大位移要大許多,亦大于框架1的結構頂點最大位移?？蚣?的加速度響應也比框架2大得多?？梢?鋼管混凝土結構中的鋼管混凝土梁中的混凝土對結構的抗震性能提高是有幫助的,鋼材與混凝土兩者之間形成了一個有機整體,共同發(fā)揮作用,使結構整體的抗震性能得到提高。

2 結語

根據對三個框架結構在不同地震作用下的位移和加速度等響應的分析,本文得到如下結論:

1)鋼管混凝土框架結構中外包鋼管對核心混凝土起到了約束作用,使其塑性提高,變形能力增強,從而提高了它在地震作用下的耗能能力,提高了它的抗震性能。

2)鋼管混凝土框架結構中核心混凝土對外包鋼管的變形起到了約束作用。鋼管壁很薄,在外力作用下極易向鋼管內壁凹陷而使其失穩(wěn)。但是混凝土的存在使得鋼管不會向內凹陷,從而大大提高了鋼管的穩(wěn)定性,避免了鋼管的失穩(wěn)。鋼管與混凝土形成了一個有機整體,使各自的性能都得到了提高,實現了1+1＞2的效果。

3)鋼管混凝土框架結構的整體抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構和鋼管混凝土柱—鋼梁組合框架結構。

4)鋼管與混凝土的相互作用使得鋼管混凝土構件的塑性變形能力大大提高,使其在地震作用下具有很強的變形和耗能能力。

5)普通的混凝土構件在地震作用下,混凝土會迅速開裂、剝落,幾乎談不上塑性變形,也不可能產生像鋼管混凝土一樣的材料摩擦。鋼筋的塑性變形有限,往往鋼筋剛進入塑性,混凝土已大量破壞,使得鋼筋強度得不到充分利用。

6)一般的鋼構件,由于沒有混凝土的約束,經常會產生屈曲失穩(wěn),使鋼材不能產生較大的塑性變形,強度得不到充分發(fā)揮,耗能能力也自然大打折扣。

[1]湯關柞,招炳泉,竺會仙,等.鋼管混凝土基本力學性能研究[J].建筑結構學報,1982(3):20-22.

[2]蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1994.

[4]鐘善桐.鋼管混凝土在高層建筑中的發(fā)展[J].建筑鋼結構進展,2000,2(4):3-15.

[5]韓林海.鋼管混凝土力學性能研究進展與工程實踐[J].建筑鋼結構進展,2000(4):17-24.

[6]黃 釗.淺談鋼筋混凝土框架結構的抗震性能[J].山西建筑,2009,35(1):104-105.