韓彥飛

（河北省景縣隆盛建筑工程有限公司，河北 衡水 053500）

【摘 要】鋼管混凝土通過(guò)在鋼管中填充混凝土而增強(qiáng)鋼管的強(qiáng)度，延展性和抗壓性，目前鋼管混凝土根據(jù)外形差異分為矩形鋼管凝聚土，圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。為了測(cè)試鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的具體抗震情況，本文根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范設(shè)計(jì)了一套測(cè)試其抗震性的試驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)圓鋼管混凝土施加恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載來(lái)測(cè)試其延展性，抗壓性，耗能和剛度，從而建立完整的數(shù)學(xué)模型以便對(duì)圓鋼管混凝土的抗震性進(jìn)行系統(tǒng)的了解。本文分為試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果分析兩個(gè)部分，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于圓鋼管混凝土的應(yīng)用有著借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】圓鋼管混凝土；抗震性；延展性；試驗(yàn)研究

前言：

鋼管混凝土是勁性混凝土的升級(jí)結(jié)構(gòu)，其將混凝土灌入鋼管中，使混凝土良好的抗壓性和鋼管良好的彈塑性獲得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而使鋼管混凝土優(yōu)化承載性，延展性和抗震性，能夠在建筑施工中發(fā)揮更大作用。目前研究界側(cè)重對(duì)鋼管混凝土局部的構(gòu)件受力研究，而對(duì)鋼管混凝土整體框架結(jié)構(gòu)的研究較少。對(duì)此本文選擇圓鋼管混凝土作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)試其強(qiáng)度和剛性，延展性和耗能，從而整體把握?qǐng)A鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

一、鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以圓鋼管混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)有的鋼管混凝土建構(gòu)規(guī)范搭建了一榀兩跨3層鋼管混凝土框架模型，該模型單層橫向跨距為1.2米，單層層高為1米，這個(gè)規(guī)模的模型比例符合鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)實(shí)際搭建的節(jié)點(diǎn)規(guī)范，同時(shí)易操作，靈活度高，能夠在試驗(yàn)中有效發(fā)揮鋼管混凝土的本身性能。在試驗(yàn)框架結(jié)構(gòu)上搭建了一個(gè)高度為250毫米的懸臂段，鋼管選擇Q235圓鋼管，鋼管內(nèi)填充C50混凝土，以此減輕柱頂施加的恒定豎向荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)的阻礙。

整體框架模型同螺栓固定在底座上，其中對(duì)框架結(jié)構(gòu)的恒定豎向荷載由放置在架柱頂部的千斤頂施加，反復(fù)水平荷載由固定在反力墻上的千斤頂沿框架中心線(xiàn)施加。為了獲得完整和精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部安置了兩類(lèi)傳感器。其中在底層結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)手持式應(yīng)變儀測(cè)點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量框架柱腳的轉(zhuǎn)角。在第二層和第三層上分別設(shè)置百分表，用來(lái)測(cè)量中柱和邊柱的轉(zhuǎn)角。除此以外，設(shè)置位移傳感器和荷載傳感器用以測(cè)量框架結(jié)構(gòu)各層之間和整體的位移數(shù)據(jù)。

二、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

（一）試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)流程發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土框架模型在恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載的施壓下首先出現(xiàn)梁端塑性出鉸，隨后再出現(xiàn)柱端塑性出鉸。幾次試驗(yàn)結(jié)果都是先梁端出鉸后柱端出鉸，由此可以證明本次實(shí)驗(yàn)所搭建的鋼管混凝土框架模型屬于梁鉸破壞機(jī)制。

（二）試驗(yàn)結(jié)果分析

1.強(qiáng)度和剛度變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知各加載階段經(jīng)歷三次循環(huán)的強(qiáng)度降低系數(shù)λ（λ= P1/ P3，其中P1為某級(jí)加載的第一循環(huán)峰點(diǎn)荷載值，P3為該級(jí)加載的第三循環(huán)峰點(diǎn)荷載值）以及相對(duì)剛度P/Δ的下降值隨著循環(huán)次數(shù)增加而變得緩慢。具體來(lái)說(shuō)，每經(jīng)歷一次循環(huán)，其荷載數(shù)值就下降2.5%至28%，說(shuō)明框架結(jié)構(gòu)具有良好的形變能力。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼管混凝土能夠承載多次重復(fù)且明顯的施壓，雖然隨著重復(fù)次數(shù)增加鋼管混凝土框架的形變能力下降，但仍維持在一個(gè)良好范圍內(nèi)，能夠通過(guò)形變保持整體框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

2.滯回曲線(xiàn)性能

滯回曲線(xiàn)指鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力中的變形曲線(xiàn)特征，本文試驗(yàn)中的框架結(jié)構(gòu)滯回曲線(xiàn)顯示出明顯的“捏縮效應(yīng)”，即整體框架結(jié)構(gòu)有良好的塑性變形能力。一般來(lái)說(shuō)，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的滯回性受到鋼管和混凝土本身變形性，框架滑移等因素的影響，出現(xiàn)“弓”型滯回曲線(xiàn)表明鋼管混凝土框架的變形和承載力要由于純鋼管框架結(jié)構(gòu)，能夠負(fù)載多次且反復(fù)的施壓，并在受力變形后能夠緩慢且穩(wěn)定的恢復(fù)原來(lái)的形狀，從而形成飽滿(mǎn)的滯回曲線(xiàn)。

3.延展性分析

根據(jù)在各加載階段模型框架的頂點(diǎn)側(cè)移Δ值，側(cè)移率Δ/H值和延性系數(shù)μ可以獲得框架結(jié)構(gòu)在極端受力情況下能夠出現(xiàn)67毫米的最大位移，同時(shí)內(nèi)部局部發(fā)生適度位移，層間最大位移為33毫米。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可以得出該框架結(jié)構(gòu)的延展性為正向7.6和負(fù)向7.5，完全超出官方質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中延展性系數(shù)大于4的要求。試驗(yàn)對(duì)象鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)這一延展性表明此結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于功能性建筑的建設(shè)，尤其是位于地震帶和東南沿海城市的一些建筑施工可以使用此類(lèi)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，能夠有效抵御地震，臺(tái)風(fēng)等在災(zāi)難，保護(hù)住戶(hù)人身安全。除此以外，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)因?yàn)樽灾剌p，受力強(qiáng)，延展性能良好還能夠用于臨時(shí)房屋的建造，簡(jiǎn)化施工流程，提高臨時(shí)房屋的抗壓力和延展性，從而保障其安全性。

在本文試驗(yàn)中，三支框架柱腳的有效曲率延性系數(shù)（即框架柱破壞時(shí)的柱腳平均曲率φu與屈服時(shí)的柱腳平均曲率φy的比值）分別為13，8和11.5，可以發(fā)現(xiàn)位于框架中間的柱腳延展性系數(shù)低于兩側(cè)柱腳的延展性系數(shù)，表明框架結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中受到了來(lái)自外部三個(gè)方向的受力，框架結(jié)構(gòu)中心部分受力最大，其延展性系數(shù)最低。因此鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然也會(huì)因?yàn)槭芰Χ鸾Y(jié)構(gòu)超出恢復(fù)范圍的形變，甚至造成整體框架坍塌，但是其仍比一般的鋼管框架擁有更好的承載力和延展性。

4.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性評(píng)價(jià)

通過(guò)本次試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)的抗震性做出以下判斷：首先，現(xiàn)有的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)較為合理，使框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中能夠保持良好的承載力和延展性，能夠應(yīng)對(duì)地震，大風(fēng)等強(qiáng)外力影響，使建筑物在可恢復(fù)范圍內(nèi)發(fā)生一定變形而增強(qiáng)其適應(yīng)性；其次，與普通鋼管框架結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在滯回曲線(xiàn)上表現(xiàn)出“弓”型，產(chǎn)生明顯的捏縮現(xiàn)象，說(shuō)明鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在受到外力施壓時(shí)能夠維持一個(gè)穩(wěn)定的回縮過(guò)程，通過(guò)適度變形來(lái)負(fù)債外力的沖擊，從而使整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性，能夠在實(shí)際生活中得到廣泛應(yīng)用；第三，本次試驗(yàn)的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)存在明顯的“強(qiáng)柱弱梁”問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題在未來(lái)的技術(shù)調(diào)整中應(yīng)該重視對(duì)框架結(jié)構(gòu)中梁祝的承載力進(jìn)行強(qiáng)化，并且適度調(diào)整框架結(jié)構(gòu)使內(nèi)部各部分達(dá)到受力基本均勻，避免出現(xiàn)局部坍塌的風(fēng)險(xiǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，本次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)延展性，強(qiáng)度和剛性以及滯回性的測(cè)試獲得了較為完整的試驗(yàn)結(jié)果，各項(xiàng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象表明鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)比一般的鋼管框架結(jié)構(gòu)擁有更好的承載力，延展性，也擁有更強(qiáng)的抗震性，這些優(yōu)勢(shì)有利于改革當(dāng)前的建筑施工框架材料選擇，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

三、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套以三層圓鋼管框架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象的試驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加恒定豎向荷載和反復(fù)水平荷載，并通過(guò)安置在框架內(nèi)部和周?chē)膫鞲衅骱桶俜直頊y(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，從而全面分析其抗震性。鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)化的延展性和抗震性，能夠比普通鋼管框架獲得更多的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

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