钢管混凝土抗震

四、组合框架一剪力墙体系

4.1钢管混凝土框架结构抗震性能分析

钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土后形成的一种受力构件，这种构件是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土以及钢结构的基础上演变和发展起来的框架的承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋混凝土框架结构进行对比，以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广泛的应用一种新型结构构件。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用和核心混凝土增强管壁的稳定作用，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，避免或延缓了钢管发生局部屈曲，从而可以保证两种材料性能的充分发挥。另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，与钢筋混凝土相比，可节省模板费用，加快施工速度。到目前为止，对钢管混凝土的研究大都局限于对构件的受力性能研究，而对钢管混框架的承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋混凝土框架结构进行对比，以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广泛的应用。

闫洋、王震霞从结构整体工作性能的角度出发，在试验的基础上对单层钢管混凝土框架模型进行了低周往复加载试验，通过对试验结果和破坏形态的分析得出钢管混凝土框架的骨架曲线，并对变形和耗能进行了理论分析，理论和试验结果基本上是吻合的。

图一

其试验的两榀框架( 图 1) 均为弯曲型破坏。试件的破坏过程为：加载一侧的框架柱脚外边缘纤维首先达到屈服，然后在柱根内外侧及梁端的上下边缘几乎同时出现屈服点，此时框架已达到整体屈服，但整个框架并未出现普通钢筋混凝土框架易产生的刚度退化现象，试件承载力随着变形的增加而继续增加。

从加载开始至试件破坏有明显的特点：钢管混凝土框架达到整体屈服后，承载能力还可以进一步提高，表明在结构屈服后截面应力及结构内力发生重新分布，结构仍有承载能力。结构的破坏以梁的破坏为标志，虽然柱脚个别点的材料屈服早于梁的屈框架结构的钢管柱。但在这些点出现之后，结构的变形仍为小变形。

通过分析计算得出当钢管混凝土框架结构与钢筋混凝土框架结构当柱的直径相等、长细比相同时，钢管混凝土框架结构的各控制位移值大于钢筋混凝土框架结构的对应位移; 钢管混凝土结构的位移延性系数和弹性抗侧刚度均比钢筋

混凝土结构的大。由此可得出，钢管混凝土框架结构的抗震能力与抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构。

( 1) 试验得出的钢管混凝土 p- s 滞回曲线均较饱满，这充分说明钢管混凝土框架结构有很好的耗能能力。在破坏阶段，虽然钢梁出现屈服甚至屈曲，但由于钢管混凝土柱有较强的抗侧刚度和良好变形。

( 2)整个结构的 p- $曲线无下降段，具有较强构的屈服荷载大于钢筋混凝土结构的屈荷载。说明钢管混凝土框架结构较钢筋混凝土框架结构的抗震性能好、抗震能力强。

( 3) 通过比较研究钢管混凝土框架结构的抗震性能和变形能力较之钢筋混凝土框架结构有明显的优点应在实际工程设计中逐步推广应用。

图二图三

4.2圆钢管混凝土边框剪力墙抗震性能试验研究

剪力墙是广泛应用于高层建筑中的抗侧力结构构件。近年来随着自然灾害的不断发生和建筑空间的需要，如何改善剪力墙的抗震性能是工程界十分关注的问题。钢管混凝土边框剪力墙是近年发展起来的一种新型剪力墙形式。文献［1，2］中对钢管混凝土边框剪力墙进行了系统的介绍，文献［3，4］对钢管混凝土边框剪力墙进行了相关研究，文献［5 ～ 8］对钢管混凝土柱框架钢管混凝土柱进行了研究，这些文献研究表明，钢管混凝土柱框架和钢管混凝土边框剪力墙具有较强的抗震性能。文中课题组对不同混凝土强度等级、不同轴压比、不同剪跨比、不同强弱抗剪连接键等设计参数的矩形钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能进行了研究［9，10］，研究表明，矩形钢管混凝土边框剪力墙具有较强的抗震性能。为进一步了解这种新型剪力墙的抗震性能，笔者在以往研究的基础上，对圆钢管混凝土边框剪力墙进行了试验研究总结。实验表明，这种设计方案明显提高了剪力墙的承载力和耗能能力，改善了剪力墙的延性。

4.2.1承载力

表2为各试件的开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载的实测值。其中： Fc 为开裂荷载; Fy 为明显屈服荷载; Fu 为极限荷载。

由表2 中数据的对比可见：

( 1) 圆钢管混凝土边框剪力墙SW－2 的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载比普通混凝土剪力墙SW-1 分别提高了29. 59% 、53.84% 、57.43%充分说明了该新型剪力墙具有较高的水平承载力。

( 2) 圆钢管混凝土边框剪力墙SW－2 在结构形式上比圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1 和普通混凝土剪力墙SW－1 之和少了2个钢筋混凝土边缘暗柱的前提下，其极限承载力仍然高于CFST－1和SW－1 之和，说明圆钢管混凝土边框剪力墙在组合以后，各个部件的优势进行了互补，其极限承载力大于组合之前各个试件单独的极限承载力之和。

4.2.2刚度及衰减过程：

（1）由表3 可见：

( （1）钢管混凝土边框剪力墙SW-2 由于含钢量的增大，其初始弹性刚度比圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1 和普通混凝土剪力墙SW-1 明显提高，开裂刚度比普通混凝土剪力墙SW-1 明显提高。

( 2) 圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 的屈服刚度比圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1 和普通混凝土剪力墙SW-1 明显提高; 圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 的刚度衰减明显慢于普通混凝土剪力墙SW-1，说明组合以后，圆钢管混凝土边框剪力墙刚度衰减速度相对较慢，从而使得其后期刚度和性能相对于普通混凝土剪力墙稳定。

4.2.3 延性

各试件位移及延性系数实测值见表4。其中： Uc为与Fc 对应的开裂位移; Uy 为与Fy 对应的屈服位移; Ud 为弹塑性最大位移，其取值为荷载下降至极限荷载

的85%时所对应的位移; μ = Ud /Uy 为试件的延性系数。θp 为试件的弹塑性位移角。

由表4 可以看出：圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1 的延性较好，因此在和普通混凝土剪力墙组合以后，普通混凝土剪力墙延性差的缺点得到了改善。SW-2 的弹塑性最大位移比SW-1 提高了38.70%，SW－2 的延性系数比SW-1 提高了20.00%。圆钢管混凝土边框剪力墙的弹塑性变形能力和延性比普通混凝土剪力墙明显提高。

4.2.4滞回特性及耗能能力

图4 为实测的各试件“荷载－位移”滞回曲线。由图4 可见：圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 滞回环饱满，中部捏拢轻。同时，通过试件的滞回环所包含面积可以反映出结构弹塑性耗能的大小，为了便于比较，文中取各试件滞回曲线的外包络线所包围的面积作为各试件耗能大小的比较值，耗能实测值见表5。由表5 可知：圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 的耗能值分别比圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1、普通混凝土剪力墙SW-1 提高了84.33% 、130.99%．123.34%，说明圆钢管混凝土边框剪力墙的耗能明显高于普通混凝土剪力墙，同时圆钢管混凝土边框剪力墙SW-2 在结构形式上比圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1 和普通混凝土剪力墙SW-1 之和少了2 个钢筋混凝土边缘暗柱的前提下，其耗能能力仍高于CFST-1 和SW-1 之和32 868.55kN·mm