异形截面钢管混凝土结构研究现状与分析

许成祥 (长江大学城市建设学院,湖北荆州434023)

祁香文 (中国石油天然气管道局第一工程分公司,河北廊坊065200)

钢筋混凝土柱、普通钢管混凝土柱是高层和小高层建筑的主要承重体系,柱截面通常为圆形、方形或矩形,受建筑荷载影响,其截面较大,梁柱通常凸出室内,既占用了房屋使用面积又不利于室内装修和家具布置。异形柱框架结构具有良好的经济效益、环境效益和社会效益,在工程中应用比较广泛。同异形钢筋混凝土柱相比,异形钢管混凝土柱利于应用高强混凝土,施工方便,具备承载力高、塑性性能好、经济效益好、抗震性能好、抗火性能好等优点。在结构承载力和刚度相同的前提下,异形钢管混凝土柱可以做到截面更小,因此,异形钢管混凝土柱结构应用越来越广泛。虽然T形、L形截面钢管混凝土柱已应用于广州新中国大厦、广州市名汇商城、江门中旅大厦等大型建筑工程中,但对异形截面钢管混凝土柱的研究尚不充分。下面,笔者将着重介绍异形截面钢管混凝土柱和节点的构成形式、静力性能、抗震性能和承载力计算方法的研究现状,分析了研究中存在的问题,提出今后研究的方向。

1 异形截面钢管混凝土柱研究现状

1.1 异形截面钢管混凝土柱断面构成研究

异形截面钢管混凝土柱断面的构成形式直接决定了其力学性能,文献 [1～14]开展了异形截面钢管混凝土柱的研究工作,异形截面钢管混凝土柱主要有以下几种形式:

1)普通 T形、L形钢管混凝土柱 其断面如图1所示,这种形式异形柱的最大缺点是钢管管壁对核心混凝土的约束作用很小,不利于核心混凝土三向应力的发挥,不能体现出钢管混凝土柱承载力高的优势。

图1 普通T形、L形钢管混凝土柱

图2 带约束拉杆T形、L形 钢管混凝土柱

2)带约束拉杆的异形钢管混凝土柱 其断面如图2所示。这种钢管混凝土柱是由高强混凝土填入异形薄壁钢管内,并在钢管各边按一定间距设置约束拉杆组成的构件,内填混凝土和约束拉杆使钢管的局部屈曲模式发生变化、变形减小,从而增强钢管壁的稳定性和延性;同时,钢管和约束拉杆对核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土处于三向受压状态,提高了柱的抗压强度和变形能力。但这种柱施工复杂,钻孔对柱壁造成的损伤较大,抗震性能值得深入研究。

图3 带缀板的T形、十字形、L形钢管组合柱

3)带缀板的异形截面钢管混凝土柱 其断面如图3所示。天津大学开展了带缀板的T形、L形和十字形方钢管混凝土组合柱轴心抗压性能研究,该结构体系应用于住宅中亦具有柱角不凸出墙面的效果,但制作过程较复杂,梁柱节点不易实现,整体抗弯、抗剪和抗震性能有待进一步研究。

4)由方 (矩)形钢管型材组合焊接形成的异形截面钢管混凝土柱 其断面如图4所示,武汉大学开展了钢管混凝土组合焊接T形柱压、弯、剪力学性能研究,这种柱的轴压力学性能与方 (矩)形截面钢管混凝土柱的基本相同,但焊接2根钢管时比较困难,难以保证焊接质量。

图4 钢管混凝土组合焊接T形柱

1.2 异形截面钢管混凝土柱静力性能研究

对异形截面钢管混凝土柱静力性能进行研究主要包括强度承载力研究、稳定承载力研究和压弯剪复合受力研究等方面内容。文献 [2]对T形钢管混凝土短柱轴心受压承载力和L形钢管混凝土柱正截面承载力进行了试验研究和计算分析,讨论了宽厚比、有无加劲肋、肢厚等参数对试件的影响。研究结果表明,短肢L形钢管混凝土柱属于压皱破坏,破坏时在柱高中部形成多个峰波;而长肢L形钢管混凝土柱破坏多发生在端部,变形发展不充分;文献 [3]对L形及T形带约束拉杆钢管混凝土柱进行了轴心受压试验研究,并采用非线性有限元方法进一步分析构件的受力全过程,了解带约束拉杆异形钢管混凝土柱的受力机理,最后提出带约束拉杆异形钢管混凝土柱轴心受压和偏心受压的计算方法,研究表明约束拉杆对钢板明显有约束作用,延缓了钢板的局部屈曲,使钢管内核心混凝土三向受力,有助于提高承载力,延性也明显得到改善,而且约束拉杆的水平间距越小,作用越明显;文献 [2,4,5]进行了带缀板的T形、L形、十字形方钢管组合混凝土柱受压试验研究和有限元分析,提出了新的方钢管混凝土柱计算理论,并推导了计算公式;文献 [6]对组合T形钢管混凝土柱轴心受压性能进行研究,界定了长柱和短柱的长细比范围,得到短柱和长柱的破坏形态,探讨了钢管壁厚、混凝土和钢材的强度对柱的极限承载力影响,提出了钢管混凝土T形柱强度承载力和稳定承载力计算公式。

文献 [7]按幂规律强化的应力-应变关系建立T形钢管混凝土短柱的小偏压的计算模型,推导了T形和矩形钢管混凝土短柱极限强度承载力的计算公式,并分析了翼缘厚度对承载力的影响,最后用数值算例验证了推导公式的正确性和有效性。文献 [8,15]对钢管混凝土组合T形柱的偏心受压性能进行研究,得到T形钢管混凝土柱主要破坏形态为弯曲型塑性失稳破坏的结论;在变形协调和平截面假定等概念假定基础上,探讨试件的极限承载力与钢材强度、混凝土强度、管壁厚度、偏心距、肢长腹比和长细比等参数的关系,提出钢管混凝土T形柱偏心受压承载力计算公式。

文献 [9]对钢管混凝土组合T形柱的抗弯和抗剪性能进行了研究,研究表明,试件的抗弯极限承载力随钢材强度提高和管壁厚度增大而增大,随混凝土强度提高和剪跨比增大的变化不明显,以经典力学和结构塑性极限理论为基础,建立钢管混凝土组合T形试件纯弯极限承载力的计算公式。试件的极限抗剪承载力随钢材强度、管壁厚度和轴压力的提高而增大,随混凝土强度增大的变化不明显,随剪跨比增大而减小;建立了组合T形钢管混凝土试件抗剪承载力的计算公式。

对异形截面钢管混凝土柱在单一荷载作用下的静力性能研究较多,对异形截面钢管混凝土柱在压弯剪扭等复合受力状态下的力学性能研究尚属空白。

1.3 异形截面钢管混凝土柱动力性能研究

文献 [10,16]通过试验方法,研究了L形钢管混凝土柱在常轴力和反复水平荷载作用下的基本性能,并采用有限元软件ANSYS和ABAQUS对各试件进行了模拟计算。试验研究得到如下结论:①在水平反复荷载作用下,各试件滞回曲线表现出良好的稳定性,曲线形状饱满,呈纺锤形,基本没有刚度退化和捏拢现象,耗能性能良好;②极限荷载不随轴压比增加单调增加,当轴压比达到一定值,极限荷载增加幅度下降或不增加;而且构件延性随轴心受压比的增加而下降;③极限荷载和延性随钢管壁厚的增加而提高;④核心混凝土强度的提高对极限荷载的提高很显著,而延性随核心混凝土强度变化不显著。

对异形截面钢管混凝土柱动力荷载作用下的性能研究较少,是今后研究的重要方向。

1.4 异形截面钢管混凝土柱承载力计算方法研究

模型试验和数值模拟是进行钢管混凝土柱力学性能研究的最基本手段,是对异形柱进行设计计算的必由之路。国内外学者在对新型钢管混凝土柱等构件的研究中,通常改变含钢率、混凝土强度等参数,设计制作大比例试件模型,利用静力试验方法得到试件的荷载-位移曲线、极限承载力等试验数据,通过观察试验过程,分析试验结果,探讨试件破坏机理,进而评价试件的力学性能。对于数值模拟分析方法,早期的研究者由于计算能力的限制,只能采用许多简化处理。随着计算能力的增强和一些大型通用有限元软件的推出,为真实全面描述结构力学性能提供了可能。国内外的研究者在实际应用中,采用的软件有ADINA、ANSYS、ABAQUS等,其中以利用ABAQUS进行研究的居多。试验得到的结果是相对准确的,但也受实验室的试验条件、加载装置的刚度、测量仪器的精度、加载方式、操作人员的手法等诸多因素影响。此外,研究者采用有限元方法建立了模型后,往往与自己的试验进行比较,有限元软件提供了比较完美的后处理功能,分析结果比较直观,可直接用于异形柱的评价与改进。模型试验和数值模拟为异形柱设计计算研究提供了有利保障。

在理论分析、试验研究和数值模拟的基础上,国内外学者对圆形、方 (矩)形截面的钢管混凝土柱压、弯、剪、扭承载力计算方法进行总结,提出利用拟钢理论、拟混凝土理论、统一理论和叠加理论等计算方法计算钢管混凝土柱承载力。同时,各国制定了相关规范。如国外有关钢管混凝土的设计规程主要有欧洲EC4(1996)[19],德国DIN18806(1997),美国ACI(1999)[18],美国SSLC(1979)和美国AISC-LRFD(1999)及日本AIJ(1997)[18]等。自20世纪五、六十年代以来,我国的研究者在钢管混凝土力学性能和设计方法方面的研究取得了令人瞩目的成就,己先后由国家建材总局、中国工程建设标准化委员会、国家经济贸易委员会和中国人民解放军总后勤部颁布发行了有关设计规程,分别有JC01-89、《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)、DL/T5085-1999和 《战时军港抢修早强型组合结构技术规程》(GJB4142-2000)。

2 异形截面钢管混凝土柱节点研究现状

2.1 异形截面钢管混凝土柱节点形式研究

采用异形截面钢管混凝土结构,首先需要解决的是框架的节点方案问题。框架节点是框架结构得以形成的关键部位,节点既要可靠,使之在竖向荷载、地震作用及风荷载的组合作用下能有效地传递弯矩和剪力,又要方便现场施工。因而,研究合理的梁柱节点形式及其力学性能,成为推广钢管混凝土结构中亟待解决的问题。钢管混凝土柱框架节点有多种节点形式和分类方案。按梁的形式来分,可分为钢管混凝土柱-钢梁节点、钢管混凝土柱-预制混凝土梁节点和钢管混凝土柱-现浇钢筋混凝土梁节点。按弯矩传递效果来分,可分为刚接节点、铰接节点和半刚性节点,划分的依据是梁柱间的夹角是否出现转动。常用的刚接节点主要有加强环式、锚定式、钢筋贯通式、劲性环梁式、十字板式等;半刚接节点主要有抗剪环梁式节点。无论是普通截面钢管混凝土框架还是异形截面钢管混凝土框架都可以采用这些节点形式。但目前尚未有异形截面钢管混凝土柱节点的研究报道。

2.2 异形截面钢管混凝土柱节点力学性能研究

模型试验和数值模拟是进行钢管混凝土柱节点研究的最基本手段,20世纪80年代以来,国外学者Fujimoto T[20],Ricles JM[21],Mastui[22],Yokoyama[23],Morino[24],Kim YJ[25]等,国内研究机构同济大学、哈尔滨工业大学、西安建筑科技大学、福州大学的学者顾伯禄、张素梅和张大旭、吴发红、吕西林、丁发兴等对圆 (方)形截面钢管混凝土柱及柱节点的抗震性能进行了大量研究,取得很多有价值的成果。国内外学者在对新型节点研究中,通常考虑梁柱线刚度、柱轴压比以及节点力学性能影响等因素,设计制作大比例节点模型,利用静力和拟静力试验方法得到节点的荷载-位移曲线、极限承载力等试验数据,通过分析比较节点在不同轴压比下的滞回性能、强度与刚度退化、延性、耗能性能、破坏机理及破坏特征,评价节点的力学性能。

对异形截面钢管混凝土柱节点的研究尚处于起始阶段,笔者已就此申报国家自然科学基金 “异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点力学性能与设计方法研究”,并从以下几个方面开展研究:①异形截面钢管混凝土柱节点的选型研究。在研究圆形、方 (矩)形截面钢管混凝土柱节点的基础上,结合异形截面钢管混凝土柱的工程实践,探讨适用于异形柱 (T形、L形和十字形)截面柱的节点型式。②异形截面钢管混凝土柱平面节点和空间节点的力学性能研究。制作大比例平面节点模型 (包括十字形截面的中柱、T形截面的边柱和L形截面的角柱节点模型),通过静力、拟静力试验和数值模拟计算,分析节点域的受力机理、破坏模式和损伤发展过程,建立节点的滞回模型和骨架曲线,并将中柱节点、边柱节点和角柱节点的力学性能进行对比。在平面节点研究的基础上,通过大比例空间节点模型拟静力试验和数值模拟计算,分析空间节点的破坏机制,了解节点在双向受力状态下的抗震性能,并与相应的平面节点力学性能进行对比,分析两种结果之间差异的影响因素,探讨平面节点和空间节点抗震性能的评价方法及地震破坏准则。③异形截面钢管混凝土柱节点设计方法研究。以试验数据和数值模拟结果为依据,建立节点承载力计算模型,研究异形截面钢管混凝土柱节点抗弯承载力、抗剪承载力、抗压承载力以及节点域抗剪承载力计算方法,探讨节点抗震计算方法和构造措施。

2.3 异形截面钢管混凝土柱节点设计方法研究

由于钢管混凝土的节点构造复杂且种类繁多,国内外至今尚没有一套适用面广的节点构造形式和相应的计算方法。虽然 《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28:92)对钢管混凝土的承载力提出了较为完整的计算公式,并对施工工艺、节点构造等方面作了一些规定,但钢管混凝土结构节点的研究还不够深入,尚有许多问题有待解决,如:

1)节点计算模型不明确 节点的计算模型直接影响整个结构计算结果的准确度,虽然实际上不存在绝对的刚接节点,工程上也可以利用梁柱间的弯矩调幅对结果进行调整,但计算模型不明确终将造成计算时的混乱,有时会造成开裂过大而影响结构的适用性。

2)没有一套较完整的计算理论和设计方法 目前,大多数钢管混凝土柱节点还没有一套较完整和成熟的计算理论和明确的设计方法,往往只能依靠经验进行截面和配筋设计,这不利于整个结构的可靠度控制,可能造成材料的浪费或安全上的隐患。对普通截面和异形截面钢管混凝土柱节点设计方法研究是今后重要的研究方向。

3 异形截面钢管混凝土结构研究中的问题与分析

3.1 异形截面钢管混凝土柱研究中的问题与分析

1)承载力高是钢管混凝土柱突出的优点之一,但现有的柱截面形式均不能充分发挥钢管混凝土柱承载力高的优势。钢管管壁对核心混凝土的约束作用很小,核心混凝土三向应力基本不能发挥。

2)异形柱需要在工厂加工制作,施工现场基本无法制作。加工不便,难以保证工程质量和工期。

3)同圆形、方形和矩形截面的钢管混凝土构件研究相比,对异形截面钢管混凝土构件研究较少,且主要集中在短柱和长柱的轴心受压,以及长柱的偏心受压,研究的局限性很大。

4)由于试验难度较大,对仪器设备要求较高,圆形、方形和矩形截面的钢管混凝土构件在复合受力状态下的试验研究较少,对异形截面钢管混凝土构件压弯剪扭复合受力状态的研究尚属空白。

3.2 异形截面钢管混凝土节点研究中的问题与分析

1)节点力学性能和施工的简易性、经济性不能两全。在实际应用中,有些节点类型力学性能较好,节点的整体刚度也高,但材料用量大,施工复杂,如加强环类节点;有些节点类型构造简单,施工方便,也节省材料,但其力学性能并不理想,如锚定板式节点;有些节点施工和经济上的优点极为突出,但其节点的刚度有限,如抗剪环梁节点。

2)影响建筑外观和使用。现浇楼盖梁板节点的构造经常与建筑外观和使用功能有冲突,并造成楼盖梁板的布置不灵活,如环梁类节点应用于边柱时,将造成环梁突出建筑立面;又如双梁节点,一方面使梁系的布置复杂化,另一方面又造成楼盖的不雅观。

3)节点的应用不灵活。目前工程中所应用的节点均只适用于常规情况,对较为特殊的楼盖布置,如异形截面柱、非正交梁系、各梁的标高与高度不同等情况,其应用就受到一定的限制。

4)空间节点比平面节点受力复杂得多,平面节点的力学性能不能代表空间节点的力学性能,但目前对空间节点的研究还很少。

4 结 语

异形截面钢管混凝土结构在满足结构承载力和刚度要求的前提下,可以做到内墙不出棱,较好地满足建筑使用功能,已成为工程应用的重要结构体系,其应用越来越广泛。但对异形截面钢管混凝土结构的研究才刚刚开始,研究方法、试验手段还不成熟,还没有取得具有代表性、规范性的成果,以现有的普通截面钢管混凝土结构设计规范为基础,对异形截面钢管混凝土柱、节点、结构体系的静力和动力性能研究是今后的重要发展方向。

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