钢管混凝土框架结构抗震性能的试验研究

韩彦飞

（河北省景县隆盛建筑工程有限公司，河北 衡水 053500）

【摘 要】钢管混凝土通过在钢管中填充混凝土而增强钢管的强度，延展性和抗压性，目前钢管混凝土根据外形差异分为矩形钢管凝聚土，圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。为了测试钢管混凝土结构的具体抗震情况，本文根据现有的规范设计了一套测试其抗震性的试验方案，通过对圆钢管混凝土施加恒定竖向荷载和反复水平荷载来测试其延展性，抗压性，耗能和刚度，从而建立完整的数学模型以便对圆钢管混凝土的抗震性进行系统的了解。本文分为试验设计和试验结果分析两个部分，试验结果对于圆钢管混凝土的应用有着借鉴意义。

【关键词】圆钢管混凝土；抗震性；延展性；试验研究

前言：

钢管混凝土是劲性混凝土的升级结构，其将混凝土灌入钢管中，使混凝土良好的抗压性和钢管良好的弹塑性获得优势互补，从而使钢管混凝土优化承载性，延展性和抗震性，能够在建筑施工中发挥更大作用。目前研究界侧重对钢管混凝土局部的构件受力研究，而对钢管混凝土整体框架结构的研究较少。对此本文选择圆钢管混凝土作为研究对象，设计试验测试其强度和刚性，延展性和耗能，从而整体把握圆鋼管混凝土框架结构的抗震性能。

一、钢管混凝土框架结构试验设计

本文以圆钢管混凝土作为试验对象，根据现有的钢管混凝土建构规范搭建了一榀两跨3层钢管混凝土框架模型，该模型单层横向跨距为1.2米，单层层高为1米，这个规模的模型比例符合钢管混凝土框架结构实际搭建的节点规范，同时易操作，灵活度高，能够在试验中有效发挥钢管混凝土的本身性能。在试验框架结构上搭建了一个高度为250毫米的悬臂段，钢管选择Q235圆钢管，钢管内填充C50混凝土，以此减轻柱顶施加的恒定竖向荷载对框架结构顶层节点的阻碍。

整体框架模型同螺栓固定在底座上，其中对框架结构的恒定竖向荷载由放置在架柱顶部的千斤顶施加，反复水平荷载由固定在反力墙上的千斤顶沿框架中心线施加。为了获得完整和精确的测量数据，试验在框架结构内部安置了两类传感器。其中在底层结构上设置一个手持式应变仪测点，用来测量框架柱脚的转角。在第二层和第三层上分别设置百分表，用来测量中柱和边柱的转角。除此以外，设置位移传感器和荷载传感器用以测量框架结构各层之间和整体的位移数据。

二、试验数据和结果分析

（一）试验过程

根据试验流程发现钢管混凝土框架模型在恒定竖向荷载和反复水平荷载的施压下首先出现梁端塑性出铰，随后再出现柱端塑性出铰。几次试验结果都是先梁端出铰后柱端出铰，由此可以证明本次实验所搭建的钢管混凝土框架模型属于梁铰破坏机制。

（二）试验结果分析

1.强度和刚度变化

根据实验数据可知各加载阶段经历三次循环的强度降低系数λ（λ= P1/ P3，其中P1为某级加载的第一循环峰点荷载值，P3为该级加载的第三循环峰点荷载值）以及相对刚度P/Δ的下降值随着循环次数增加而变得缓慢。具体来说，每经历一次循环，其荷载数值就下降2.5%至28%，说明框架结构具有良好的形变能力。在实际应用中，钢管混凝土能够承载多次重复且明显的施压，虽然随着重复次数增加钢管混凝土框架的形变能力下降，但仍维持在一个良好范围内，能够通过形变保持整体框架结构的稳定性和强度。

2.滞回曲线性能

滞回曲线指钢管混凝土框架结构在反复受力中的变形曲线特征，本文试验中的框架结构滞回曲线显示出明显的“捏缩效应”，即整体框架结构有良好的塑性变形能力。一般来说，钢管混凝土框架结构的滞回性受到钢管和混凝土本身变形性，框架滑移等因素的影响，出现“弓”型滞回曲线表明钢管混凝土框架的变形和承载力要由于纯钢管框架结构，能够负载多次且反复的施压，并在受力变形后能够缓慢且稳定的恢复原来的形状，从而形成饱满的滞回曲线。

3.延展性分析

根据在各加载阶段模型框架的顶点侧移Δ值，侧移率Δ/H值和延性系数μ可以获得框架结构在极端受力情况下能够出现67毫米的最大位移，同时内部局部发生适度位移，层间最大位移为33毫米。根据统计可以得出该框架结构的延展性为正向7.6和负向7.5，完全超出官方质量标准中延展性系数大于4的要求。试验对象钢管混凝土框架结构这一延展性表明此结构可以广泛应用于功能性建筑的建设，尤其是位于地震带和东南沿海城市的一些建筑施工可以使用此类钢管混凝土结构，能够有效抵御地震，台风等在灾难，保护住户人身安全。除此以外，钢管混凝土框架结构因为自重轻，受力强，延展性能良好还能够用于临时房屋的建造，简化施工流程，提高临时房屋的抗压力和延展性，从而保障其安全性。

在本文试验中，三支框架柱脚的有效曲率延性系数（即框架柱破坏时的柱脚平均曲率φu与屈服时的柱脚平均曲率φy的比值）分别为13，8和11.5，可以发现位于框架中间的柱脚延展性系数低于两侧柱脚的延展性系数，表明框架结构在试验中受到了来自外部三个方向的受力，框架结构中心部分受力最大，其延展性系数最低。因此钢管混凝土框架结构虽然也会因为受力而引起结构超出恢复范围的形变，甚至造成整体框架坍塌，但是其仍比一般的钢管框架拥有更好的承载力和延展性。

4.钢管混凝土框架结构抗震性评价

通过本次试验能够对钢管混凝土结构的抗震性做出以下判断：首先，现有的钢管混凝土框架结构质量标准设计较为合理，使框架结构在实际应用中能够保持良好的承载力和延展性，能够应对地震，大风等强外力影响，使建筑物在可恢复范围内发生一定变形而增强其适应性；其次，与普通钢管框架结构相比，钢管混凝土框架结构在滞回曲线上表现出“弓”型，产生明显的捏缩现象，说明钢管混凝土框架结构在受到外力施压时能够维持一个稳定的回缩过程，通过适度变形来负债外力的冲击，从而使整体结构具有良好的抗震性，能够在实际生活中得到广泛应用；第三，本次试验的钢管混凝土框架结构存在明显的“强柱弱梁”问题，针对这一问题在未来的技术调整中应该重视对框架结构中梁祝的承载力进行强化，并且适度调整框架结构使内部各部分达到受力基本均匀，避免出现局部坍塌的风险。总体来说，本次试验通过对钢管混凝土框架结构延展性，强度和刚性以及滞回性的测试获得了较为完整的试验结果，各项数据和现象表明钢管混凝土框架结构比一般的钢管框架结构拥有更好的承载力，延展性，也拥有更强的抗震性，这些优势有利于改革当前的建筑施工框架材料选择，产生巨大的经济效益。

三、结论

本文设计了一套以三层圆钢管框架结构作为研究对象的试验方案，对实验对象施加恒定竖向荷载和反复水平荷载，并通过安置在框架内部和周围的传感器和百分表测试试验数据，建立数学模型，从而全面分析其抗震性。钢管混凝土框架结构具有更加优化的延展性和抗震性，能够比普通钢管框架获得更多的社会效应和经济效应。

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