钢管混凝土结构抗震性能

南昌大学研究生2015～2016学年第二学期期末

读书报告

课程名称：混凝结构理论与应用专业：建筑与土木工程

学生姓名：李海学号：4160146150

学院：建筑工程学院得分：

任课教师：熊进刚时间：2016年6月

钢管混凝土结构抗震性能研究

摘要: 介绍了钢管混凝土组合结构的特点，综述了国内外钢管混凝土结构的抗震性能的研究现状; 分析了其存在的问题和实用价值，展望了钢管混凝土结构发展趋势和应用前景; 指出了进一步研究的方向。

关键词: 组合结构; 钢管混凝土结构; 抗震性能; 工程应用

Abstract:This paper presents the characteristics of steel concrete composite structures, review the status of research on seismic behavior of domestic and foreign steel concrete structure; analyzes the problems and practical value, the prospect of the development trend of steel and concrete structures prospects; points out further research direction.

Keywords:composite structure; steel concrete structure; seismic performance; engineering applications

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土和钢管结构的基础上演变和发展起来的，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥。钢管混凝土组合结构的优势主要表现在: 承载力高、塑性和韧性好、经济效果好、施工方便、耐火性能较好。

钢管混凝土结构早在19 世纪80 年代就出现了，到目前为止，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已经有百年历史。由于钢管混凝土具有优越的力学性能和良好的经济效益，一开始便受到世界各国土木工程界的重视，并争先恐后开发利用。1879年，英国最早将钢管混凝土杆件用于Severn 铁路桥的桥墩，在钢管内填混凝土以承受轴向压力，并防止钢管内部锈蚀。1897 年，美国人JOHN LALLY 提出在钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，并获得专利【1】。我国从1959 年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用，1963 年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。改革开放后，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构技术在我国的高层建筑、地铁车站和大跨度桥梁等工程中得到了广泛应用，有力地推动了上述领域营造技术的发展，取得了令人瞩目的成就【2】。2008 年汶川地震中，钢管混凝土建筑显示了优越的抗震性能，钢管混凝土的研究成为热门课题之一。

1 钢管混凝土的特点

混凝土的抗压强度高，但抗弯能力差，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中( 如厂房和高层) 。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面:

1)承载力高、延性好，抗震性能优越。钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度; 钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。

2) 施工方便，工期大大缩短。钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响; 由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实; 钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。

3)耐腐蚀性能优于钢结构。钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。就目前实际应用而言，由于受力性能的优越性，圆钢管比方钢管混凝土应用更为广泛。

2 钢管混凝土构件抗震性能

国外对圆钢管混凝土构件抗震性能研究较早，在日本，1923 年关东大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏并不明显，在以后的建筑中尤其是高( 多) 层建筑中，钢管混凝土得到大量应用。

1991 年Ichinohe 等对圆钢管高强混凝土柱进行了拟静力试验，试验结果表明: 局部屈曲后柱的承载力并不降低，有足够的变形能力，抗震性能很好。1991 年Yamakawa【3】等通过拟静力试验研究圆钢管配筋混凝土短柱的承载能力、延性和耗能能力，但由于纵筋较多，钢管与混凝土之间约束效应变小，导致滞回曲线有一定的捏缩，另外配筋还造成了钢材浪费，并增加了施工的难度。1998 年Park，s. M【4】等对钢管内表面有栓钉的圆钢管配筋混凝土柱进行了拟静力试验，由于栓钉和箍筋的存在，柱发生局部屈曲后承载力并未下降，延性和耗能能力明显提高阻。在国内，钟善桐、韩林海、张素梅等【5】对圆钢管混凝土柱的压、弯、剪受力性能进行了试验研究，较全面地分析了圆钢管混凝土柱的延性、耗能和破坏性能。1998 年闫维波【6】等对钢管混凝土压弯构件滞回性能进行了研究，提出往复应力状态下高强混凝土和应力应变关系模型，利用数值方法计算出钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的弯矩一曲率关系曲线及P －△曲线。在此基础上，分析了影响弯矩，曲率滞回关系曲线和P －△恢复力模型，以及模型中各参数、位移延性系数、耗能比和耗能等参数的简化计算公式。2008 年沈阳工业大学魏华等【7】通过对 6 组圆形钢管混凝土双肢框架柱在水平反复荷载作用下的试验，深入研究了圆钢管混凝土双肢框架柱的滞回性能、吸能性能和延性等抗震性能。分析了混凝土强度等主要实验参数对双肢框架柱抗震性能的影响。结果表明，钢管混凝土双肢框架柱具有良好的抗震性能，配置二重筋后会迸一步增强试验体的吸能性能、承载力及延性。2010 年东北石油大学张文福等【8】为获得钢管混凝土支撑的抗震性能，对14 根圆钢管混凝土支撑试件开展滞回性能数值仿真，主要参数包括混凝土强度、钢材屈服强度、长细比和含钢率等; 通过获得的试件轴力一位移滞回曲线，得到试件的骨架曲线，分析混凝土抗主要参数对荷载一位移骨架曲线的影响，基于滞回曲线，对试件的位移延性、耗能能力和单位体积耗能进行探讨。结果表明: 随混凝土强度、钢材屈服强度和长细比的增加，位移延性、耗能能力和单位体积耗能能力逐渐减小; 随着含钢率的增加，构件的位移延性、耗能能力减小，单位体积耗能能力逐渐增加。

2. 2 方钢管混凝土构件抗震性能

方钢管混凝土四角处混凝土沿对角线受压，随着轴压比的增大，边中混凝土方钢管混凝土所受约束越来越小，甚至出现与钢管壁剥离。方钢管混凝土的约束作用不如圆钢管混凝土明显从而导致同样条件下其构件强度比圆钢管混凝土稍差。天津大学王铁成教授对一榀三层两