圓鋼管高強混凝土框架模型滯回特性試驗研究

一、引言

鋼管高強混凝土結構是將高強混凝土注入封閉的薄壁鋼管內(nèi)形成的組合結構，它是在勁性混凝土結構、螺旋混凝土結構、高強混凝土結構及鋼管結構基礎上演變和發(fā)展起來的一種新型結構，它利用鋼和混凝土兩種材料在受力過程中的相互制約，使其具備了優(yōu)異的工作性能。其主要優(yōu)點有：承載力高。鋼管中注入高強混凝土形成鋼管高強混凝土構件，鋼管和混凝土相互彌補彼此的弱點，充分發(fā)揮各自的長處，使鋼管高強混凝土的承載力大大高于二者單獨受荷時承載力之和。塑性和韌性好。高強混凝土在鋼管的有效約束下，改善了高強混凝土延性差、脆性大的弱點，使鋼管高強混凝土結構具有良好的抗震性能。經(jīng)濟效果好。大量工程實例表明，在結構的受壓桿件中，采用鋼管高強混凝土結構替代鋼結構，可節(jié)約鋼材50%左右；若替代鋼筋混凝土結構，則在用鋼量大體相同的情況下可減小柱截面面積50%左右，相應節(jié)約大量混凝土。

在土木工程中采用鋼管混凝土結構已有很長的歷史。本世紀初，美國就在一些單層和多層房屋中，采用圓形鋼管混凝土柱；前蘇聯(lián)在20世紀30年代即用鋼管混凝土建造過跨度達100m的拱橋。到二戰(zhàn)以后，各國都在恢復建設，鋼管混凝土結構得到了迅速發(fā)展。我國對鋼管混凝土的研究較晚，但近三十年來有了長足的發(fā)展和進步，并在總結我國鋼管混凝土科研、設計和施工所取得的成就的基礎上，編制了《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》。

近年來，由于鋼管混凝土結構在結構性能和施工工藝上的眾多優(yōu)點以及《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》的指導，鋼管混凝土結構在土木工程建筑中俏然興起，成為建筑結構體系中的重要形式。

隨著國內(nèi)外對鋼管混凝土結構的理論研究的日益深入，工程實際的應用越來越多，但研究內(nèi)容多集中于基本構件的力學行為和抗震性能。迄今為止，有關鋼管高強混凝土柱和鋼或鋼筋混凝土等型式的梁組成的框架結構的工作性能的研究國內(nèi)外報道并不多見，還沒有專門的設計計算方法。在進行框架結構分析時主要借用鋼結構的有關參數(shù)，對結構的經(jīng)濟性設計自然是不合理的。因此，為配合工程建設的需要，本文對圓鋼管高強混凝土柱框架結構的滯回特性等抗震性能進行研究，具有重要的工程實踐和理論指導意義。

二、試驗設計

試驗模型設計

本試驗制作一榀兩跨三層圓鋼管高強混凝土框架結構試驗模型，包含框架各部位的各種形式的梁柱節(jié)點，如中、邊、角及頂層、中間層、底層等位置的梁柱節(jié)點。框架模型的尺寸如圖1所示，取實際框架的1/3，其跨為1.5米，層高為1.2米，框架柱截面為Ф150×5鋼管內(nèi)填C50高強混凝土，框架梁為工字型鋼180×100×5×8。框架模型的尺寸比例可以較好地保證鋼管混凝土材料的性能以及較好的符合實際結構構件及節(jié)點的構造要求。

試驗模型的主要參數(shù)：鋼管混凝土框架柱，軸壓比中柱0.4、邊柱0.32，鋼管選用3號鋼，實測fy=331.7MPa；混凝土強度等級C50，實測fc=57.95MPa；框架梁選用工字形鋼梁，梁柱連接以及柱腳與基礎的連接等，均按《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》、《鋼結構設計規(guī)范》、《混凝土結構設計規(guī)范》和《建筑抗震設計規(guī)范》等的規(guī)定進行設計。

試驗加載設計

1．加載方式

在模型框架三根柱的頂部施加豎向集中荷載，并且保證柱頂端可以產(chǎn)生自由水平位移，可以通過軸向千斤頂和滑動滾軸裝置來實現(xiàn)；在模型框架的頂層節(jié)點處通過固定在反力墻上的拉壓千斤頂來施加水平反復荷載。

2．加載制度

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》的規(guī)定，采用擬靜力試驗方法對鋼管混凝土框架結構施加水平低周反復荷載。在試驗時，應先按照軸壓比要求施加豎向荷載，然后再施加反復水平荷載，同時要保持豎向荷載值基本穩(wěn)定不變，可通過事先標定好的油泵壓力表控制。反復水平荷載采用控制力和控制位移的混合加載法，如圖2所示。在結構達到屈服位移之前，采用控制力的方法逐級施加水平荷載P，每級荷載反復一次，直至結構屈服。屈服位移根據(jù)模型試驗述所測得的P-△曲線出現(xiàn)較明顯的拐點來確定。然后按照結構屈服位移的倍數(shù)控制加載進行循環(huán)加載，每級加載循環(huán)三次，直至某級加載的第一循環(huán)水平荷載值低于水平極限荷載值的85%，認為結構破壞。實際試驗過程中，模型框架總共經(jīng)歷了26次反復循環(huán)加載到達破壞。

三、試驗結果及滯回特性分析

試驗結果

模型框架的水平荷載P水平荷載與頂點位移Δ之間的P-Δ滯回曲線。P-Δ滯回曲線中的荷載峰值連線得到的P-Δ骨架曲線。

由試驗所測的P-Δ骨架曲線，可以得到模型框架在頂層水平往復荷載作用下經(jīng)歷了屈服、極限和破壞三個階段，各階段的荷載及位移值。

滯回特性分析

從滯回曲線可以看出，本模型具有較好的延性。滯回環(huán)包圍的面積代表荷載正負循環(huán)一周時，結構所吸收的能量，滯回曲線表明滯回環(huán)的面積是比較飽滿的，說明框架結構吸收的能量較多，有利于結構的抗震和框架的延性。各級滯回環(huán)對角線的傾角的變化反映了構件剛度的退化過程，從本框架滯回曲線看，鋼管混凝土框架的剛度和強度退化很慢，性能要好于鋼筋混凝土框架。并且側移較小，抗力較大，耗能能力較強。鋼管混凝土結構避免了象鋼結構在塑性變形時產(chǎn)生的過大的側移和不可恢復的塑性變形。