浅析钢_混凝土组合结构构件工作性能.

2008河南建材 2011年第 1期

2型钢 -钢管混凝土构件

随着建筑物高度和跨度的不断增加 , 柱子承担的轴力越来越大 , 而建筑物承重柱的设计是关系到建筑物在大震下是否倒塌的关键 , 这就要求在重载条件下 , 柱子不但要有足够的强度而且应有较好的延性。文献 [8]提出了一种新型的钢 -混凝土组合结构柱 , 即型钢 -钢管混凝土柱 , 即将型钢埋入钢管混凝土中。型钢 -钢管混凝土柱具有钢骨混凝土和钢管混凝土两种组合柱的优点 , 它具有较高的承载能力和良好的延性 , 尤其适合用作重载柱 [8]和承受反复荷载作用的构件。因此 , 型钢 -钢管混凝土柱具有广阔的工程应用前景。文献 [9]进行了 13个型钢 -方钢管混凝土轴压短试件的试验研究 , 研究了其破坏过程及破坏形态 , 文献 [9]在试验结果的基础上采用纤维模型法对其轴压荷载 -变形关系曲线进行了计算 , 计算结果与试验结果相吻合。文献 [10]采用合理的材料本构关系模型 , 采用有限元软件 ABAQUS 对型钢 -钢管混凝土构件在轴心受力

下的力学性能进行了研究 , 图 3给出了典型的型钢 -方钢管混凝土组合柱中钢管、型钢和核心混凝土单元划分的示意图。

(a 方钢管 (b 型钢 (c 核心混凝土图 3典型的型钢 -方钢管混凝土组合柱中钢管、型钢和核心混凝土单元划分的示意图 [10]

(a HS-A1(b HS-A2(c HS-B1

图 4型钢 -钢管混凝土轴压短柱计算曲线和试验曲线比较 [10]

文献 [10]采用该有限元模型对收集到的型钢 -钢管混凝土轴心受力构件荷载 -变形关系曲线的试验结果进行了验算 , 结果表明 , 计算结果与试验结果相吻合 , 图 4给出了部分典型的计算结果与试验结果的比较情况 , 试件具体参数详见文献[10]。基于理论分析结果 , 文献 [10]还提出了型钢 -钢管混凝土轴心受压构件极限承载力的简化计算公式。

目前对型钢 -钢管混凝土构件的研究还处于起步阶段 , 更多的典型的构件试验还有待于开展 , 基于理论研究成果 ,

并与大量试验结果吻合较好的型钢 -钢管混凝土压弯构件承载力实用计算方法也有待于提出 , 且这种构件的节点构造也应该被关注 , 以推动这类构件在实际工程的应用。

3钢管混凝土叠合构件

钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土和钢管

外的钢筋混凝土叠合而成 [11]。这类组合构件不仅具有钢管混

凝土构件的优点 , 而且钢管外的混凝土还可以起到抗火作用 , 已有不少钢管叠合柱应用的工程实例 , 如 23层的辽宁邮政枢纽大楼 , 22层的沈阳和泰大

厦、 33层的沈阳电力花园双塔和深圳卓越 ·皇岗世纪中心项目中的 3栋超高层建筑。钢管混凝土叠合柱适用于我国非抗震和抗震地区的建筑结

果 , 尤其适用于抗震设防地区的高层建筑结构。

文献 [12]进行了 12个钢管混凝土叠合短柱的轴压力学性能的试验研究 , 分析了这类构件的破坏模态 , 最后在实验结

果的基础上 , 建议了钢管混凝土叠合短柱轴压强度承载力的计算方法。文献[13]选择合理的材料本构关系 , 采用有限元软

件 ABAQUS 对钢管混凝土叠合短柱进行了全过程受力分析 , 图 5

给出了典型的极限承载力时钢管混凝土叠合柱中钢筋、钢管和混凝土的应力分布。通过这些分析计算 , 让我们

更加清楚的认识了钢管混凝土叠合柱在受力各阶段的工作

性能和应力状态。

(a 钢筋 (b 钢管 (c 混凝土

图 5钢管混凝土叠合柱中钢筋、钢管和混凝土的应力分布

2005年颁布的《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》 (CECS188:2005 [11]使得钢管混凝土叠合柱在实际工程中的

应用更具可操作性 , 但是有关的承载力设计公式基本上是对原有的钢管混凝土的设计公式进行修正 , 因此也十分有必要对钢管混凝土叠合柱的工作机理进行更为深入的研究。

4中空夹层钢管混凝土构件

近年来 , 一种新型的钢管混凝土结构形式——

—中空夹

层钢管混凝土 [14], 开始逐渐受到有关研究人员和工程技术人

员的重视。该类结构是将两层钢管同心放置 , 并在钢管之间填充混凝土而形成的构件 , 常见的截面形式如图 6所示。和实心钢管混凝土 [1]相比 , 中空夹层钢管混凝土构件具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻和防火性能好等特点 , 适用作海洋试验研究 45

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平台支架柱、桥墩以及高层建筑中的大直径柱 , 因此这类结构具有很好的工程应用前景。

图 6中空夹层钢管混凝土截面的几何特性

此外 , 很多高耸结构和高层建筑当承受较大风荷载和水平地震作用的时候 , 都要求其竖向构件有较大的抗弯刚度和抗震能力 , 在这种情况下也可以采用中空夹层钢管混凝土来制作。尤其是对抗火要求较高的高层建筑 , 由于夹层钢管的内层钢管被封闭在构件内部 , 类似于型钢混凝土柱中的型钢 , 具有较好的抗火性能 , 而外层钢管和核心混凝土组成的构件其在火灾作用下的工作机理基本类似于实心钢管混凝土 , 因而对于整体构件而言具有比实心钢管混凝土更好的耐火性能 , 通过合理设计内管和外管的径厚比及构件的空心率 , 可以使构件在具有较大抗弯刚度的同时 , 具有较高的承载能力及抗火性能。

针对图 6中所示的截面形式 , 文献 [14]采用数值方法 , 对中空夹层钢管混凝土压弯构件力学性能的试验研究和理论分析 , 结果表明 , 中空夹层钢管混凝土构件的力学性能与实心钢管混凝土构件类似。文献 [14]在参数分析的基础上 , 提出了中空夹层钢管混凝土压弯构件承载力的实用计算方法 , 计算结果与试验结果相吻合 , 其计算公式与文献 [1]中的实心钢管混凝土构件计算公式是衔接的 , 该公式和试验结果基本吻合 , 并稍偏于安全。文献 [15]研究了钢管初应力对中空夹层钢管混凝土轴压刚度和抗弯刚度的影响 , 并在参数分析基础上给出了抗弯刚度影响系数简化计算公式 , 简化计算公式与数值计算结果吻合较好。尽管对中空