钢管混凝土框架结构抗震性能分析

李栋梁 张江彬

0 引言

近20年来,钢管混凝土的设计和制造技术得到了迅速发展,并被广泛应用于高层建筑、大跨桥梁、工业建筑以及地下结构等众多土木工程结构中,取得了良好的经济和社会效益。

随着经济建设的迅速发展,我国城市交通的桥梁建设亦进入迅速发展时期。为改善城市交通,加强与周围地区间的联系,人们日益要求跨越江河、海湾和山谷,建造安全、经济和轻盈美观的大跨桥梁。钢管混凝土已被公认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的结构材料。

由于钢管混凝土结构适应了现代土木工程结构向大跨、高耸、重载发展的趋势,并且符合现代化施工技术和工业化制造要求,在世界各地得到了迅速的发展和广泛的应用,它已经成为国家建筑科学技术水平的标志之一。

1 钢管混凝土框架的抗震性能分析

1.1 模型简介

为了解钢管混凝土框架结构的抗震性能,在此用两个结构布置、构件尺寸及用钢量完全相同的简单钢管混凝土框架和钢筋混凝土框架进行分析。该模型为一幢10层框架结构,层高3 m,总高度为30m。结构平面和立面布置图如图1,图2所示。

框架1为钢筋混凝土结构,柱截面尺寸均为800mm×800mm,梁截面尺寸均为250mm×700mm,纵向受力钢筋采用HRB335,箍筋采用HPB235,楼盖厚为120mm。

框架2为钢管混凝土结构,柱截面尺寸为800mm×800mm,钢管壁厚为20mm,梁截面尺寸为250mm×700mm,楼盖采用钢筋混凝土楼盖,厚度为120mm,钢管采用Q345钢。

由于结构的控制作用为地震作用,故在此分析地震对结构的作用,其他如恒载、活载、风载对结构的影响不予考虑。

1.2 多遇地震作用下结构抗震性能分析

采用有限元分析软件SAP2000对上述两框架结构进行线性时程分析,选用的地震波为El-Centro波和Taft波。

在70gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的结构顶点位移时程曲线显示:框架1的结构顶点最大位移为374.5mm,框架2的结构顶点最大位移为208.8mm。显然框架2在地震作用下的位移响应要明显小于框架1,框架2的最大位移仅为框架1的55.8%,可见减震效果是明显的。

在70gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的结构顶点加速度时程曲线显示:框架1的最大加速度为61.53cm/s2,框架2的最大加速度为39.82cm/s2,框架2的最大加速度值为框架1的64.7%。可见,钢管混凝土框架结构在多遇地震(70gal)下的加速度反应要明显优于钢筋混凝土框架结构,这表明钢管混凝土的耗能能力要优于混凝土结构。

在70gal,Taft波作用下,框架1和框架2的结构顶点位移时程曲线和顶点加速度时程曲线显示:框架1的结构顶点最大位移为464.5mm,框架 2的结构顶点最大位移为237.3mm;钢管混凝土结构的加速度响应要大大小于钢筋混凝土结构。可见,框架2的位移响应要明显小于框架1;Taft波作用下的结构响应与El-Centro波作用下的结果相差不大。

1.3 罕遇地震作用下结构抗震性能分析

模型简介中对结构在70gal的多遇地震作用下的表现进行了讨论,但实际工程中工程技术人员更主要的是要考虑罕遇地震作用对结构的影响。罕遇地震往往会对结构产生毁灭性的破坏,故需对钢管混凝土框架结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行分析。

在此,采用400gal的El-Centro波来考察结构在罕遇地震作用下的反应。在400gal,El-Centro波作用下,框架1和框架2的结构顶点位移时程曲线图显示:框架1的结构顶点最大位移为1858mm,框架2的结构顶点最大位移为930.2mm,明显小于框架1。可见,钢管混凝土结构在罕遇地震下的表现是优秀的,其塑性变形能力要强于钢筋混凝土结构。框架1的结构顶点位移达到1858mm之大,如若考虑P—Δ效应,结构实际上已濒临倒塌,与之相比框架2要好得多。图3为框架1和框架2在400gal,El-Centro波作用下的各层最大位移。显然,框架2的各层位移都要小于框架1,结构在地震作用下的加速度响应也同样可以验证这一点。

通过上述分析,可以明显看出框架2的地震响应小于框架1,即其在地震下的表现要好于框架1,因此可以判断钢管混凝土框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构。

为进一步研究钢管混凝土框架结构的抗震性能,在此,假设框架3结构用钢量与框架2大致相当,结构布置与框架2相同。柱仍采用钢管混凝土柱,其截面与框架2的相同,梁截面采用Q345级H型钢,截面高度为400mm,上下翼缘宽度均为250mm,上下翼板及腹板厚度均为16mm,楼盖亦与框架2相同。

同样采用400gal,El-Centro波对该结构进行时程分析,分析结果表明:框架3的顶点最大位移为 2285mm,比框架 2的结构顶点最大位移要大许多,亦大于框架1的结构顶点最大位移。框架3的加速度响应也比框架2大得多。可见,钢管混凝土结构中的钢管混凝土梁中的混凝土对结构的抗震性能提高是有帮助的,钢材与混凝土两者之间形成了一个有机整体,共同发挥作用,使结构整体的抗震性能得到提高。

2 结语

根据对三个框架结构在不同地震作用下的位移和加速度等响应的分析,本文得到如下结论:

1)钢管混凝土框架结构中外包钢管对核心混凝土起到了约束作用,使其塑性提高,变形能力增强,从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)钢管混凝土框架结构中核心混凝土对外包钢管的变形起到了约束作用。钢管壁很薄,在外力作用下极易向钢管内壁凹陷而使其失稳。但是混凝土的存在使得钢管不会向内凹陷,从而大大提高了钢管的稳定性,避免了钢管的失稳。钢管与混凝土形成了一个有机整体,使各自的性能都得到了提高,实现了1+1＞2的效果。

3)钢管混凝土框架结构的整体抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构和钢管混凝土柱—钢梁组合框架结构。

4)钢管与混凝土的相互作用使得钢管混凝土构件的塑性变形能力大大提高,使其在地震作用下具有很强的变形和耗能能力。

5)普通的混凝土构件在地震作用下,混凝土会迅速开裂、剥落,几乎谈不上塑性变形,也不可能产生像钢管混凝土一样的材料摩擦。钢筋的塑性变形有限,往往钢筋刚进入塑性,混凝土已大量破坏,使得钢筋强度得不到充分利用。

6)一般的钢构件,由于没有混凝土的约束,经常会产生屈曲失稳,使钢材不能产生较大的塑性变形,强度得不到充分发挥,耗能能力也自然大打折扣。

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