鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李棟梁 張江彬

0 引言

近20年來,鋼管混凝土的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了迅速發(fā)展,并被廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨橋梁、工業(yè)建筑以及地下結(jié)構(gòu)等眾多土木工程結(jié)構(gòu)中,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,我國(guó)城市交通的橋梁建設(shè)亦進(jìn)入迅速發(fā)展時(shí)期。為改善城市交通,加強(qiáng)與周圍地區(qū)間的聯(lián)系,人們?nèi)找嬉罂缭浇印⒑澈蜕焦?建造安全、經(jīng)濟(jì)和輕盈美觀的大跨橋梁。鋼管混凝土已被公認(rèn)為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的結(jié)構(gòu)材料。

由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)適應(yīng)了現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載發(fā)展的趨勢(shì),并且符合現(xiàn)代化施工技術(shù)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(yīng)用,它已經(jīng)成為國(guó)家建筑科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志之一。

1 鋼管混凝土框架的抗震性能分析

1.1 模型簡(jiǎn)介

為了解鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,在此用兩個(gè)結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸及用鋼量完全相同的簡(jiǎn)單鋼管混凝土框架和鋼筋混凝土框架進(jìn)行分析。該模型為一幢10層框架結(jié)構(gòu),層高3 m,總高度為30m。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)的控制作用為地震作用,故在此分析地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用,其他如恒載、活載、風(fēng)載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不予考慮。

1.2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用有限元分析軟件SAP2000對(duì)上述兩框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性時(shí)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(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線顯示:框架1的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為374.5mm,框架2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為208.8mm。顯然框架2在地震作用下的位移響應(yīng)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(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度時(shí)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(jié)構(gòu)在多遇地震(70gal)下的加速度反應(yīng)要明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),這表明鋼管混凝土的耗能能力要優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。

在70gal,Taft波作用下,框架1和框架2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線和頂點(diǎn)加速度時(shí)程曲線顯示:框架1的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為464.5mm,框架 2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為237.3mm;鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)要大大小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。可見,框架2的位移響應(yīng)要明顯小于框架1;Taft波作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與El-Centro波作用下的結(jié)果相差不大。

1.3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

模型簡(jiǎn)介中對(duì)結(jié)構(gòu)在70gal的多遇地震作用下的表現(xiàn)進(jìn)行了討論,但實(shí)際工程中工程技術(shù)人員更主要的是要考慮罕遇地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。罕遇地震往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀滅性的破壞,故需對(duì)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行分析。

在此,采用400gal的El-Centro波來考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的反應(yīng)。在400gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖顯示:框架1的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為1858mm,框架2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移為930.2mm,明顯小于框架1。可見,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的表現(xiàn)是優(yōu)秀的,其塑性變形能力要強(qiáng)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。框架1的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移達(dá)到1858mm之大,如若考慮P—Δ效應(yīng),結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)也同樣可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。

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

為進(jìn)一步研究鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,在此,假設(shè)框架3結(jié)構(gòu)用鋼量與框架2大致相當(dāng),結(jié)構(gòu)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(jí)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(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析,分析結(jié)果表明:框架3的頂點(diǎn)最大位移為 2285mm,比框架 2的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移要大許多,亦大于框架1的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移。框架3的加速度響應(yīng)也比框架2大得多。可見,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土梁中的混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)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(gè)有機(jī)整體,共同發(fā)揮作用,使結(jié)構(gòu)整體的抗震性能得到提高。

2 結(jié)語

根據(jù)對(duì)三個(gè)框架結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的位移和加速度等響應(yīng)的分析,本文得到如下結(jié)論:

1)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)中外包鋼管對(duì)核心混凝土起到了約束作用,使其塑性提高,變形能力增強(qiáng),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(jié)構(gòu)中核心混凝土對(duì)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(nèi)壁凹陷而使其失穩(wěn)。但是混凝土的存在使得鋼管不會(huì)向內(nèi)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(gè)有機(jī)整體,使各自的性能都得到了提高,實(shí)現(xiàn)了1+1＞2的效果。

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

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

5)普通的混凝土構(gòu)件在地震作用下,混凝土?xí)杆匍_裂、剝落,幾乎談不上塑性變形,也不可能產(chǎn)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(jìn)入塑性,混凝土已大量破壞,使得鋼筋強(qiáng)度得不到充分利用。

6)一般的鋼構(gòu)件,由于沒有混凝土的約束,經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生屈曲失穩(wěn),使鋼材不能產(chǎn)生較大的塑性變形,強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮,耗能能力也自然大打折扣。

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