变电站空腹式钢构架钢骨混凝土柱抗震性能分析

张涛

摘 要：以变电站为研究对象，分析变电站空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱的抗震性能。具体分析空腹式钢构架的基本原理，通过相应的试验参数，设计了3个试件，并对试件进行加工、力学性能和测量具体内容分析;然后对3个试件的破坏形态进行分析;最后进行性能测试。结果表明：钢构架抗拉性能和承载力强，具有较好的抗震性能。

关键词：变电站;空腹式;钢构架;钢管混凝土柱;抗震性能

中图分类号：TP392       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0150-05

近年来，随着越来越多的超高层、大跨度和异形结构建筑的增加，建筑结构的荷载也随之增加。传统的建筑结构已不能满足当前建筑领域的抗震要求。因此，新型的钢构架-混凝土组合柱随之诞生。这种组合柱可以很大程度上提升混凝土柱的抗压强度和变形能力，钢骨-钢管混凝土组合柱的结构形式在建筑领域逐渐得到了广泛应用，并取得了较好的应用效果。据报道，有学者对基于变梁异型节点子结构的钢管混凝土柱-钢梁框架结构抗震性能进行了深入分析，结果发现：不同的钢管对建筑结构的抗震性能具有较大影响[1];提出配钢管高强混凝土芯柱的异强组合柱抗震性能研究，为建筑结构的抗震设计提供了较为专业的技术条件[2];提出内埋空腹式钢构架-方钢管混凝土组合短柱偏心受压承载力计算公式，实验验证了该公式具备可行性和有效性[3]。但是，当前建筑领域的钢骨-钢管混凝土组合柱中埋入的钢骨多为实腹式型钢，对于内埋空腹式型钢的钢管混凝土组合柱研究较少。本研究针对变电站的建筑结构，对变电站空腹式钢构架和钢管进行实验分析。该组合柱具有较好的抗震性能，通过空腹式钢构架的作用可以很好的对混凝土进行约束，从而有效避免混凝土出现变形和承载力不足的现象，为同领域研究提供了数据参考和研究方向。

1 试验方案

1.1 空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱原理

该混凝土柱的结构特点如图1所示。钢管和空腹式钢构架对混凝土形成了双重约束，从而提升了柱子的受力性能[4]。

1.2 试件设计

本实验选择在四川某大学的建筑结构工程实验室进行。混凝土型号为细骨粒C30，无缝方钢管的外径（D）为150 mm、壁厚（t）为4 mm，径厚比D/t=150/4=37.5[5]。轴压比计算公式：

n=NA× fc

根据实际情况，本研究设计的轴压比为0.476[6]。各试件的具体参数如表1所示。

1.3 试件加工

试件的浇筑、加工如图2所示。

试件加工主要包括3个步骤：

（1）对试件进行加工，根据图纸对钢构件进行切割、打磨和焊接处理[7];

（2）对试件进行打磨除锈，并采取相应措施对试件进行养护;

（3）对钢筋笼进行绑扎，将模板固定成功后，最后进行混凝土浇筑。

澆筑方法采用卧位浇筑方法，为保证模板尺寸正确无误，可适当在模板上涂抹机油;当进行混凝土浇筑时，需采用振捣棒进行搅拌，保证钢管内外浇筑密实，浇筑表面平整[8]。

1.4 指标测试

1.4.1 基本力学性能测试

试件材料力学性能主要从混凝土和钢材两个方面入手考虑。其中，制作6个150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块，养护前采用YES-2000液压式压力试验机进行测试[9]。根据相应的设计规范和养护标准，本研究通过下述公式对混凝土轴心抗压承载力fc进行求解：

fc=ac1fcu

混凝土的轴心抗拉强度承载力ft的求解公式：

ft=0.395×fcu

1.4.2 恢复力测试指标

滞回曲线，即恢复力曲线，主要指结构进行荷载和位移时绘制的曲线。通过该曲线能够很好地判断结构的抗震性能，可直观地看出结构的变形、承载力和能量消耗等状况[10]。 滞回曲线分为梭型、弓形、倒 S 型和Z 型4种形式。梭型曲线十分圆滑，说明钢结构损耗力强;弓形和倒 S 型曲线出现“捏缩”，表明构件剪力强，存在滑移情况，能耗较差;Z 型耗能均比上述3种曲线形式差，滑移现象严重[11]。

1.4.3 承载力退化指标

滞回曲线在不断地循环作用下，荷载力增强导致滞回环的荷载降低，即为承载力退化[12]。通过承载力退化，可验证、判断在地震状况下钢构架是否能够承受荷载以及结构承载能力降低的程度。承载力降低系数λi的表达式：

λni=PniP1i

式中：Pni表示第i倍屈服位移加载级下，第n个循环的荷载峰值;P1i表示第i倍屈服位移加载级下，第1个循环的荷载峰值。

2 结果与分析

2.1 试件材料力学性能测试

根据以上测试实验，得到3个试件材料性能测试结果，具体如表2所示。

由表2可以看出，3个试件中，试件C的轴心抗压强度和抗拉强度均更强，分别高达29.03、2.83 MPa，极限荷载为650.33 kN，说明试件C的力学性能更好。

2.2 滞回曲线

根据上述恢复力测试指标，得到3个试件的荷载-位移滞回曲线，结果如图3所示。

由图3（a）可知，荷载量的加大，使得试件A的滞回曲线从饱满状态逐渐趋于捏缩，最终形成Z形;说明该构件的含钢率较少，抗震性能差。由图3（b）、图3（c）可知，试件B和试件C的滞回曲线都较为饱满，受力后期存在较小的捏缩情况，且存在倒S形转换的趋势;主要原因是内埋钢管混凝土和管外空腹式钢构架混凝土均具有优越的协调性，抗震性能较佳。对比试件A和试件B的滞回曲线可以看出，试件A的承载力更低，捏缩现象更明显，表明Z型含钢率对于抗震性能的影响较大。

对比试件B和试件C，两者间的峰值荷载差距较小;但试件B的变形性能显著降低，捏缩也较为严重。这表明轴压比是影响空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱的抗震性能的关键因素，试件承载力和耗能性能都随着轴压比的增大而逐渐降低。

2.3 承载力退化

为测试钢构件的承载力退化能力，本实验获取的3个试件的承载力衰减数据结果，具体如表3所示。

为更好的判断同等环境下各试件承载力退化的快慢程度，将λ2i作为研究对象，对比同等i各种参数设置，研究设计的钢构件承载力退化能力，其表现形式如图4所示。

由图4可知，不同参数下3个试件的承载力衰减均缓慢，各试件P2/P1≥0.28，表明空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱抗震性能较好。 轴压比也是影响空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱承载力退化重要因素;从图4（b）还可以看出，轴压比小的试件C承载力退化速度相较于轴压比大的试件B更慢。当试件荷载为最大值时，试件C的承载力退化能力比试件B更低。

4 结语

综上所述，本研究对变电站空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱抗震性能进行试验后可知，含钢率对钢构架的承载力影响较大，含钢率较高说明该构件的抗震性能就越好。轴压比对试件的延性和耗能性能具有较大的影响，其可很好的反映结构的抗震性能。综合分析可知，空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱具有良好的抗震性能，可以在变电站工程中进行大力推广和应用。然而，由于经验和实验条件不足，本次研究内容存在一定的局限性，如缺乏对空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱的有限元分析，实验参数较少等，导致最终结果可能存在一定的误差，这还有待进一步完善。后续将重点从这两方面入手，增加实验参数，提高变电站空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱的抗震性能，为之后的变电站空腹式钢构架-钢管混凝土组合柱抗震性能研究提供参考。

【参考文献】

[1] 许成祥，胡鸿运.基于变梁异型节点子结构的钢管混凝土柱-钢梁框架结构抗震性能分析[J].武汉科技大学学报，2021，44（2）：154-160.

[2] 计静，杨毛毛，姜良芹，等.配钢管高强混凝土芯柱的异强组合柱抗震性能研究[J].工程抗震与加固改造，2020，42（6）：114-122.

[3] 沈文婷，唐兴荣.内埋空腹式钢构架-方钢管混凝土组合短柱偏心受压承载力计算[J].常州工学院学报，2020，33（6）：26-31.

[4] 王培成，杨锋，陈靖远，等.贯隔式钢管混凝土柱H形梁节点抗震性能的试验与有限元研究[J].建筑钢结构进展，2021，23（1）：40-47.

[5] 陈珊珊，王磊，刘继明，等.楼板作用的装配式型钢混凝土柱-钢梁节点抗震性能分析[J].科学技术与工程，2021，21（2）：671-679.

[6] 邓宇，孙仁中，张鹏，等.拉-弯-剪复合作用下型钢混凝土柱抗震性能研究及损伤量化分析[J].振动与冲击，2021，40（4）：195-204.

[7] 张孝斌，殷尧日，冯力强，等.装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的性能分析及比选[J].建筑结构，2021，51（5）：75-79.

[8] 苗吉军，韩震，刘延春，等.箍筋锈蚀钢筋混凝土柱受火后抗震性能试验研究及有限元分析[J].建筑结构学报，2021，42（6）：118-127.

[9] 崔旺.全户内变电站型钢混凝土柱的抗震性能研究[J].电力勘测设计，2020（12）：53-59.

[10] 李向民，肖顺，许清风，等.套筒灌浆缺陷整治预制混凝土柱抗震性能的试验研究[J].土木工程学报，2021，54（5）：15-26.

[11] 刘灿.碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2021，52（3）：515-520.

[12] 刘晓强，许成祥，李蕾，等.應用Open Sees模拟钢管混凝土不等跨框架抗震性能[J].世界地震工程，2021，37（3）：111-118.