钢管混凝土结构的抗震分析研究

李 博

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030006)

0 引言

钢管混凝土构件在力作用下的响应综合了混凝土和钢管的特性，并且提高了混凝土的抗压性和钢管的抗倾覆性。采用泵送方法将混凝土填充满钢管形成了钢管混凝土。

当对钢管混凝土构件进行轴向作用时，钢管和混凝土均向外变形，初始阶段混凝土的变形较小，随着荷载的增加和作用时间的累积，钢管的变形速度小于混凝土，钢管约束了混凝土的变形，两者产生相互作用，钢管混凝土的承载能力因其中混凝土强度增强而变大。

在建筑中应用钢管混凝土也有较多案例，20世纪20年代美国的一些城市将钢管混凝土应用在建筑结构的柱子中，日本的一座55层的住宅楼也采用了钢管混凝土，位于澳大利亚的一座46层的办公楼也采用了钢管混凝土。

1 承载力计算公式

钢管混凝土构件承载力计算公式：

N0=(1.212+Bξ+Cξ2)fckAsc

(1)

公式中：

其中，fck为构件的抗压强度标准值；Asc为构件截面面积；ξ为套箍系数，用式(2)表示：

(2)

2 分析方法

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，经模态分析得到结构的振型、频率和周期。依托模态分析得到的振动特性了解结构的性能，同时模态分析还是进行反应谱分析的前期重要一环。

反应谱法是了解多自由度体系抗震的一种方法，其分析思路为：利用单自由度体系的加速度反应谱计算出各自相对应的最大地震效应，再运用一定法则对各自由度的最大地震效应进行组合得到结构体系的整体地震效应。

某质点的最大地震作用：

F1=0.243X1-0.062X2+0.295X3+0.285X4+0.108X5+0.27X6+0.15X7

Fji(t)=γjXjiajGi=ajγjXjiGi(i,j=1,2,…,n)

(3)

其中，Fji(t)为j振型第i质点的水平地震作用；Xji为j振型第i质点的水平相对位移；γj为j振型的参与系数，用式(4)表示；Gi为质点i的重力荷载代表值；aj为j振型对应的地震影响系数。

(4)

3 模型分析

首先设计五个模型，模型的钢梁均采用H型钢，其规格为H500×300×12×20。模型的钢管混凝土柱截面尺寸不同，其尺寸采用表1的数据。五个模型的层数均为8层，平面布置图相同，如图1所示。

表1 钢管混凝土柱截面

3.1 模态分析

对以上五个模型进行模态分析，表2～表6所列为五个模型前3阶振型的振动特性数据。

表2 模型SC-1的振动特性

表3 模型SC-2的振动特性

表4 模型SC-3的振动特性

表5 模型SC-4的振动特性

表6 模型SC-5的振动特性

对以上模型分析，得到以下结论：

1)模型的前两阶振型均以平动为主，以扭转为主的振型出现在第三阶，符合结构振动的振型特点。

2)模型的一阶自振周期和二阶自振周期相差不大，说明在两个主轴方向结构的动力特性相近；第一自振周期中扭转与平动的比值均小于0.9，则表明扭转不显著影响结构。

3.2 反应谱法分析

沿Y方向对模型输入8度多遇地震下的规范反应谱曲线，对模型进行反应谱法分析。模型的参数设置：特征周期Tg=0.35 s，周期折减系数η=0.9，结构的阻尼比ξ=0.04，水平地震影响系数最大值αmax=0.16。

3.2.1 结构位移分析

1)SC-1～SC-5的层间位移最大值分别是4.26 mm,4.16 mm,3.91 mm,3.91 mm,3.77 mm，且出现在结构的第三层，第三层层间位移角分别是1/819,1/843,1/897,1/892,1/926，均小于1/550，结构的位移变化均在规范的允许范围内。

2)直径相同的钢管混凝土结构，其钢管壁厚越厚，结构刚度越大，则位移反应越小。对于钢管壁厚相等的结构，钢管混凝土柱直径越大，其结构刚度越大，则位移反应越小。考虑对结构抗震不利的方面，并非钢管壁厚越小或者钢管混凝土柱直径越小越不利。所以钢管混凝土柱的直径和壁厚也很重要，这样结构既能够很好的抵抗地震作用，还能合理的控制工程造价。

3.2.2 结构的内力分析

在多遇地震作用下，模型的楼层剪力曲线图见图4。

分析楼层剪力曲线图，得出下面结论：

1)模型的楼层剪力从底层到顶层呈逐渐减小的趋势，并且底层的楼层剪力最大，表明结构的地震力响应规律：在地震作用下，楼层剪力从底层到顶层逐渐减小。

2)模型的顶层楼层剪力均小于其余楼层的楼层剪力，并且底层的楼层剪力最大。对比前三个模型同楼层的楼层剪力可以发现，在地震作用下，结构各楼层的楼层剪力随结构自重的增大而增大。

4 结语

对钢管混凝土模型的模态分析，前两阶振型均为平动，第一扭转振型出现在第三阶振型，从转动与平动的周期比可以得出扭转效应对结构的影响不大，结构的整体性能良好。

对钢管混凝土结构进行了位移反应和内力反应。直径相同的钢管混凝土框架结构，钢管混凝土柱的钢管壁厚越厚，其结构刚度越大，则位移响应越小。对钢管壁厚相等的钢管混凝土框架结构，钢管混凝土柱直径越大，其结构刚度越大，则位移响应越小。在地震作用下，结构自重越大，结构刚度也越大，其楼层剪力也越大，结构的内力响应越大。

综上所述，结构抗震性能随最大水平位移和楼层剪力的变化而变化，楼层最大水平位移越大或者楼层剪力越大，对结构的抗震性能越不利。增大结构的刚度，位移响应变小，但是内力响应变大。所以钢管混凝土结构中柱的直径和壁厚的选取也很重要，合适的管径和壁厚使结构在地震作用下的位移响应和内力响应同时尽可能的小，并且能保证结构的良好抗震性能。