圆钢管高强混凝土框架模型滞回特性试验研究

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一、引 言

钢管高强混凝土结构是将高强混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的组合结构，它是在劲性混凝土结构、螺旋混凝土结构、高强混凝土结构及钢管结构基础上演变和发展起来的一种新型结构，它利用钢和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能。其主要优点有：承载力高。钢管中注入高强混凝土形成钢管高强混凝土构件，钢管和混凝土相互弥补彼此的弱点，充分发挥各自的长处，使钢管高强混凝土的承载力大大高于二者单独受荷时承载力之和。塑性和韧性好。高强混凝土在钢管的有效约束下，改善了高强混凝土延性差、脆性大的弱点，使钢管高强混凝土结构具有良好的抗震性能。经济效果好。大量工程实例表明，在结构的受压杆件中，采用钢管高强混凝土结构替代钢结构，可节约钢材50%左右；若替代钢筋混凝土结构，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右，相应节约大量混凝土。

在土木工程中采用钢管混凝土结构已有很长的历史。本世纪初，美国就在一些单层和多层房屋中，采用圆形钢管混凝土柱；前苏联在20世纪30年代即用钢管混凝土建造过跨度达100m的拱桥。到二战以后，各国都在恢复建设，钢管混凝土结构得到了迅速发展。我国对钢管混凝土的研究较晚，但近三十年来有了长足的发展和进步，并在总结我国钢管混凝土科研、设计和施工所取得的成就的基础上，编制了《钢管混凝土结构设计与施工规程》。

近年来，由于钢管混凝土结构在结构性能和施工工艺上的众多优点以及《钢管混凝土结构设计与施工规程》的指导，钢管混凝土结构在土木工程建筑中俏然兴起，成为建筑结构体系中的重要形式。

随着国内外对钢管混凝土结构的理论研究的日益深入，工程实际的应用越来越多，但研究内容多集中于基本构件的力学行为和抗震性能。迄今为止，有关钢管高强混凝土柱和钢或钢筋混凝土等型式的梁组成的框架结构的工作性能的研究国内外报道并不多见，还没有专门的设计计算方法。在进行框架结构分析时主要借用钢结构的有关参数，对结构的经济性设计自然是不合理的。因此，为配合工程建设的需要，本文对圆钢管高强混凝土柱框架结构的滞回特性等抗震性能进行研究，具有重要的工程实践和理论指导意义。

二、试验设计

试验模型设计

本试验制作一榀两跨三层圆钢管高强混凝土框架结构试验模型，包含框架各部位的各种形式的梁柱节点，如中、边、角及顶层、中间层、底层等位置的梁柱节点。框架模型的尺寸如图1所示，取实际框架的1/3，其跨为1.5米，层高为1.2米，框架柱截面为Ф150×5钢管内填C50高强混凝土，框架梁为工字型钢180×100×5×8。框架模型的尺寸比例可以较好地保证钢管混凝土材料的性能以及较好的符合实际结构构件及节点的构造要求。

试验模型的主要参数：钢管混凝土框架柱，轴压比中柱0.4、边柱0.32，钢管选用3号钢，实测fy=331.7MPa；混凝土强度等级C50，实测fc=57.95MPa；框架梁选用工字形钢梁，梁柱连接以及柱脚与基础的连接等，均按《钢管混凝土结构设计与施工规程》、《钢结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》等的规定进行设计。

试验加载设计

1．加载方式

在模型框架三根柱的顶部施加竖向集中荷载，并且保证柱顶端可以产生自由水平位移，可以通过轴向千斤顶和滑动滚轴装置来实现；在模型框架的顶层节点处通过固定在反力墙上的拉压千斤顶来施加水平反复荷载。

2．加载制度

根据《建筑抗震试验方法规程》的规定，采用拟静力试验方法对钢管混凝土框架结构施加水平低周反复荷载。在试验时，应先按照轴压比要求施加竖向荷载，然后再施加反复水平荷载，同时要保持竖向荷载值基本稳定不变，可通过事先标定好的油泵压力表控制。反复水平荷载采用控制力和控制位移的混合加载法，如图2所示。在结构达到屈服位移之前，采用控制力的方法逐级施加水平荷载P，每级荷载反复一次，直至结构屈服。屈服位移根据模型试验述所测得的P-△曲线出现较明显的拐点来确定。然后按照结构屈服位移的倍数控制加载进行循环加载，每级加载循环三次，直至某级加载的第一循环水平荷载值低于水平极限荷载值的85%，认为结构破坏。实际试验过程中，模型框架总共经历了26次反复循环加载到达破坏。

三、试验结果及滞回特性分析

试验结果

模型框架的水平荷载P水平荷载与顶点位移Δ之间的P-Δ滞回曲线。P-Δ滞回曲线中的荷载峰值连线得到的P-Δ骨架曲线。

由试验所测的P-Δ骨架曲线，可以得到模型框架在顶层水平往复荷载作用下经历了屈服、极限和破坏三个阶段，各阶段的荷载及位移值。

滞回特性分析

从滞回曲线可以看出，本模型具有较好的延性。滞回环包围的面积代表荷载正负循环一周时，结构所吸收的能量，滞回曲线表明滞回环的面积是比较饱满的，说明框架结构吸收的能量较多，有利于结构的抗震和框架的延性。各级滞回环对角线的倾角的变化反映了构件刚度的退化过程，从本框架滞回曲线看，钢管混凝土框架的刚度和强度退化很慢，性能要好于钢筋混凝土框架。并且侧移较小，抗力较大，耗能能力较强。钢管混凝土结构避免了象钢结构在塑性变形时产生的过大的侧移和不可恢复的塑性变形。