鋼管混凝土的抗震性能研究綜述

陳宇 邢麗

(浙江樹人大學，浙江杭州 310015)

1 概述

地震是一種破壞性極強的自然災害，2008年5月12日下午2點28分，四川汶川發生里氏8級大地震，造成了數以萬計的人員傷亡，巨大的經濟損失，大量的民用和公共建筑倒塌;2011年3月11日日本發生了里氏9級的地震，造成大量人員傷亡和巨大的經濟損失，引發了核電站的多次爆炸。因此建筑物和構筑物的抗震性能直接關系到生命和財產的安全性，而柱作為結構當中主要承擔豎向和水平荷載的構件，尤其容易在地震中遭到破壞，汶川地震震害調查表明:多層鋼筋混凝土建筑結構中的框架柱破壞嚴重，且破壞主要發生在柱端，幾乎沒有實現抗震設計預期的“強柱弱梁”破壞機制［1］。因此，柱的抗震性能好壞通常是決定結構整體抗震性能的關鍵。近些年，由于鋼管混凝土柱具有承載力高、塑性和韌性好、經濟效果好、施工方便等顯著優點，引起了工程界的廣泛關注，有關鋼管混凝土柱的研究和應用日益增多，但目前研究與應用以圓鋼管混凝土柱(已有相關規范［2］)、方鋼管混凝土柱為主［3］，對橢圓形鋼管混凝土柱的研究較少。隨著鋼管混凝土柱的不斷發展，橢圓形鋼管混凝土柱以其滿足建筑美學方面的需求、提供對結構有利的強軸和弱軸、對混凝土提供更有效的約束作用(相比矩形鋼管混凝土)［4］、基于橢圓形截面的光滑凸形相比圓形、矩形和多面形截面可以更有效地折減流體對橢圓形鋼管混凝土所作用的荷載等優點日益受到工程界的重視。

2 鋼管混凝土抗震性能研究綜述

2.1 橢圓形鋼管混凝土柱研究現狀

目前國內外對橢圓形鋼管混凝土柱研究較少，現有幾篇文獻也主要進行靜力性能方面研究，有關抗震性能研究還未見報道。

國外最早是在2008年，H.Yang和 D.Lam［5］對橢圓形鋼管混凝土柱進行了21個構件的靜力荷載試驗，試驗主要考慮橢圓形鋼管厚度、混凝土強度、混凝土收縮等對彈性剛度、延性及極限承載力的影響，結果表明橢圓形鋼管混凝土柱受力性能介于圓鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱之間，并且參照圓鋼管混凝土柱的計算公式，給出了橢圓形鋼管混凝土柱在軸力作用下的設計公式。2009 年，X.L.Zhao 和 J.A.Packer［6］對長短軸之比為2 的8 個橢圓形鋼管進行了靜力荷載試驗，得到了橢圓形鋼管的屈服長細比限值，對橢圓形鋼管混凝土短柱進行了9個構件的靜力試驗研究，試驗結果表明，在全截面加載方式或軸心加載方式下，橢圓形鋼管混凝土柱的受力性能類似于圓鋼管混凝土柱，把橢圓形鋼管的等效直徑代替圓鋼管的直徑，圓鋼管混凝土柱的承載力公式適用于橢圓形鋼管混凝土柱。2010年，X.Dai和D.Lam［7］利用ABAQUS建立了有限元模型，對橢圓形鋼管混凝土柱進行了靜力性能研究，并與試驗做了比較，結果與試驗比較符合。國內2010年劉習超，查曉雄［8，9］推導了橢圓形鋼管混凝土柱的軸力承載力計算公式和彎矩承載力計算公式，并且分析了橢圓形鋼管混凝土柱在流體作用下的阻力系數。

根據以上文獻的研究，橢圓形鋼管混凝土柱的受力性能介于圓鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱之間，是一種受力性能較好的鋼管混凝土組合構件，因此非常有必要對橢圓形鋼管混凝土柱進行深入研究，提出可供設計采用的計算公式。

2.2 有關約束混凝土的應力—應變模型研究現狀

正確可靠的約束混凝土應力—應變模型是進行約束混凝土構件抗震性能研究的基礎，而目前有關鋼約束混凝土和FRP約束混凝土研究較多，也建立了很多應力—應變模型［9-14］。但這些應力—應變模型不能反映橢圓形鋼管約束混凝土的特征，關于橢圓形鋼管約束混凝土應力—應變模型研究極少，僅文獻［7］應用ABAQUS程序，通過比較橢圓形鋼管混凝土柱與圓鋼管混凝土柱的受力性能基礎上，提出橢圓形鋼管約束混凝土應力—應變模型，但是關于這一應力—應變模型，有以下問題:

1)在應用ABAQUS軟件建模時，文中并沒有對有限元模型中所用混凝土三維本構模型進行描述，如果該文獻是直接應用ABAQUS現有混凝土模型，那么其分析結果可能不太可靠。根據研究結果，ABAQUS的Drucker-Prager型混凝土塑性模型用于預測約束混凝土的行為，還必須包括:a.含第三偏應力不變量的屈服準則;b.一個依賴于約束壓力的硬化/軟化準則;c.一個既依賴于約束壓力又依賴于約束壓力增量的流動法則。

2)在輸入混凝土約束本構參數時，只變化了泊松比，而且泊松比變化范圍在0.1～0.3之間，這對約束混凝土意義不是很大，對于約束混凝土只有混凝土超過彈性階段，進入后膨脹階段約束才起作用。根據以上兩點，目前文獻［7］提出的應力—應變模型還有待于進一步推敲。因此，非常有必要應用Yu等提出的改進塑性—損傷模型(模型包括都依賴于約束的損傷參數，應變硬化/軟化準則，流動法則和依賴于壓力的屈服準則)，用三維數值分析方法建立能夠預測橢圓形鋼管約束混凝土行為的應力—應變模型。

2.3 圓鋼管和矩形鋼管混凝土柱抗震性能研究

本項目主要研究橢圓形鋼管混凝土柱，但有關它的抗震性能研究目前還未見報道。而對于鋼管混凝土柱中其他成員，圓鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱已有大量研究成果，這些研究成果仍然能給本項目起到一定的啟發作用，因此下面對圓鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱的抗震性能研究現狀進行闡述。

1965年日本九州大學首先對方鋼管配筋混凝土柱進行抗震性能試驗研究，獲得了柱的滯回曲線，并進行了理論分析。隨后，鋼管混凝土動力性能的研究逐步深入和細致，通過擬靜力試驗對矩形鋼管混凝土柱的延性、耗能能力進行了大量的研究，研究結果表明，矩形鋼管混凝土柱即使在高軸壓比情況下，仍然具有良好的延性，沒有剪切破壞和粘結破壞現象發生，是一種抗震性能較好的組合構件。

由鐘善桐、韓林海、張素梅等指導學生對圓鋼管混凝土柱的抗震性能進行了深入研究，研究結果表明圓鋼管混凝土柱具有良好的延性和耗能能力，是一種抗震性能較好的豎向構件。

3 結語

根據前述內容可見，鋼管混凝土中的圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土的抗震性能研究較多，有關其受力性能和設計方法也比較清楚，但是橢圓形鋼管混凝土研究較少。

橢圓形鋼管混凝土柱由于其美學效果和較好的力學性能越來越受到了工程師的青睞，但目前有關橢圓形鋼管混凝土柱研究較少，缺乏相應的設計公式，制約了橢圓形鋼管混凝土柱在工程中的應用。

［1］馮 遠，劉蘭花，易 勇，等.多層鋼筋混凝土框架柱震害調查分析與啟示［J］.土木工程學報，2010，43(10)：63-71.

［2］CECS 28∶90，鋼管混凝土結構設計與施工規程［S］.

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

［4］J.G.Teng，L.Lam.Compressive Behavior of Carbon Fiber Reinforced Polymer-Confined Concrete in Elliptical Columns［J］.JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING，2002(128)：1535-1547.

［5］H.Yang，D.Lam，L.Gardner.Testing and analysis of concretefilled elliptical hollow sections［J］.Engineering Structures，2008(30)：3771-3781.

［6］X.L.Zhao，J.A.Packer.Tests and design of concrete-flled elliptical hollow section stub columns［J］.Thin-Walled Structures，2009(47)：617-628.

［7］X.Dai，D.Lam.Numerical modelling of the axial compressive behaviour of short concrete-filled elliptical steel columns.Journal of Constructional Steel Research，2010(66)：931-942.

［8］劉習超，查曉雄.橢圓形鋼管混凝土構件性能的研究——軸壓短柱和長柱［J］.建筑鋼結構進展，2011，13(1)：8-14.

［9］查曉雄，劉習超.橢圓形鋼管混凝土構件性能的研究——流體作用下阻力系數［J］.建筑鋼結構進展，2011，13(1)：20-24.

［10］J.B.Mander，M.J.N.Peiestley，R.Park.Theoretical stressstrain model for confined concrete.J Struct Eng，ASCE，1988，114(8)：1804-1826.

［11］Y.Shao，Z.Zhu，A.Mirmiran.Cyclic modeling of FRP-confined concrete with improved ductility［J］.Cement＆ Concrete Composites，2006(28)：959-968.

［12］Yutian Shao，Seyed Aval，Amir Mirmiran.Fiber-element for cyclic analysis of concrete-filled fiber reinforced polymer tubes［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2005，131(2)：292-303.

［13］L.Lam，J.G.Teng，C.H.Cheung，et al.FRP-confined concrete under axial cyclic compression［J］.Cement ＆ Concrete Composites，2006(28)：949-958.

［14］Teng.J.G，Jiang.T，Lam.L，et al.Refinement of a design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete［J］.Journal of Composites for Construction，2009(13)：269-279.