矩形钢管混凝土与住宅钢结构技术研究及应用

2010年第2期

TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY 创新技术

及现代医学基础治疗为对照，选取全脑、脑梗死中心、梗死周围水肿带以及与临床症状密切相关的内在通路脑区的葡萄糖代谢作为切入点，结合病人临床神经功能评估情况，探讨针刺治疗缺血性中风病的中枢机制。研究揭示了针刺改善缺血性中风病患者运动功能的中枢神经网络途径，即促进病灶周围脑区重组、激活相关功能区域及提高未受损大脑半球的代偿，并证实了经穴特异性的存在。同时动态观察针刺对超早期脑梗死患者脑氧代谢的调节作用，获得了针刺可降低脑氧代谢，增加脑组织对缺血、缺氧的耐受性的临床证据，证明调节脑氧代谢是针刺神经保护的主要机制之一，并为针刺宜介入缺血性中风病超早期治疗获得了可靠证据。

3.3机理研究证明针刺治疗脑缺血性中风病是由多信号途径介导的、多途径、多靶点、多层次的整体调整作用的结果研究首次采用2-DE结合MALDI-TOF-MS技术，分析鉴定针刺后模型大鼠不同脑区差异表达蛋白，并用Wes tern Blotting、酶联免疫吸附法对部分差异表达蛋白进行验证，发现针刺后细胞生长、分化、周期调控蛋白、多种信号传导相关蛋白、氧化应激、炎性应答、能量代谢、神经再生修复相关蛋白等发生变化。首次发现针刺可调节神经细胞结构蛋白和泛素蛋白酶体通路蛋白的表达，证明针刺治疗脑缺血性中风是通过多途径、多靶点、多层次的整体调整作用的结果，是由多信号途径介导的。

首次利用激光共聚焦扫描显微镜技术、活体脑片负载技术，结合侧脑室定位注射不同的Ca2+通道阻断剂及荧光双标技术，研究针刺调节缺血神经元[Ca2+]i胞内、外信号机制。结果发现，脑缺血再灌注之后[Ca2+]i随缺血/再灌注时间的延长而升高，再灌注6h达到最高峰，再灌注24h时又有第2次钙积聚高峰。针刺早期干预可以抑制钙超载。针刺干预钙超载胞外信号机制为阻断电压依赖性钙通道，拮抗谷氨酸对NMDA受体及代谢性谷氨酸受体激活后受体依赖性Ca2+通道的开放；胞内信号机制为抑制IP3R通道和RyR通道对Ca2+的过度释放，促进质膜、ER膜上的Ca2+泵将Ca2+排出，为针刺治疗缺血性中风病的作用机理提供了新的实验依据。

4取得的效益及应用情况

本项目所建立的方法和技术被收入全国高等中医院校规划教材以及美国考试委员会指定教材，并先后被国家科技部、中医药管理局列为针灸标准化示范性研究向全国推广，已推广到全国40家单位及世界50余个国家和地区医疗机构应用，实现了成果的原始性创新，推动了中医药的继承、创新、现代化和国际化，初步形成了辐射全球的学术应用网络，创造了巨大的社会效益和经济效益。项目已获天津市科技进步一等奖。■

1研究背景及意义

矩形钢管混凝土结构塑性变形能力强、延性好、抗震性能优良，且结构设计、施工及使用方便，成为住宅钢结构发展的主要方向。但目前矩形钢管混凝土结构在我国的应用较少，相关的计算分析理论还不完备，缺乏相应的规范、规程，且现有节点存在不足，使得矩形钢管混凝土结构在全国推广有一定难度。

目前在矩形钢管混凝土结构中应用较广泛的梁柱刚接节点有外环板节点与内隔板节点。但是，外环板节点需要足够大的水平肋板以保证节点的强度，如果水平肋板太大，不仅妨碍墙板的布置，而且使得室内角部有凸角，影响美观。而内隔板节点需要较大的柱边尺寸，梁翼缘与内隔板在柱壁同一处两侧施加溶透焊缝，钢材经历两次热加工，产生较大的焊接残余应力，使得节点处的钢材容易产生分层或脆性破坏。由于外环板节点和内隔板节点存在不足，需要研究新型节点以改进外环板节点与内隔板节点的不足。

国内外对于钢管混凝土结构已有大量的研究，对于连接节点的形式和计算也做出了相应规定，并且国内也陆续完成了一些关于钢管混凝土结构的相关规程，但很多相关研究成果并没有被系统化、标准化。

2矩形钢管混凝土柱叠加理论研究

2.1矩形钢管混凝土柱的叠加计算理论及承载力公式

提出的叠加理论核心思想是将填充混凝土和钢管两部分

陈志华（天津大学建筑工程学院天津300072）

矩形钢管混凝土与

住宅钢结构技术研究及应用

【摘要】“矩形钢管混凝土与住宅钢结构技术研究及应用”课题针对国内外现有矩形钢管混凝土结构中在柱计算理论方面

的不完备情况，提出矩形钢管混凝土柱计算的叠加理论，并通过矩形钢管混凝土柱的超声波检测试验、剖切试验、钢管与混

凝土粘结状态有限元分析，证实了叠加理论的科学性。

【关键词】矩形钢管混凝土柱计算方法叠加理论外肋环板节点隔板贯通节点

收稿日期：2010-03-18

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的承载力进行叠加，作为钢管混凝土构件整体的承载力。忽略钢管对混凝土的环箍作用，且混凝土由于不配钢筋，仅考虑混凝土承担的压力，不考虑混凝土承担的拉力和弯矩。在此基础上，提出了矩形钢管混凝土轴心受力构件及弯矩作用在主平面内的压弯和拉弯构件的承载力计算公式。

2.2矩形钢管混凝土超声波检测与剖切试验

通过矩形钢管混凝土柱的超声波检测与切割破损试验的研究验证了叠加法的理论基础：在钢管混凝土中，钢管内壁与混凝土之间因混凝土收缩而形成胶结不良甚至完全脱空是钢管混凝土普遍存在的现象。因此，叠加理论结构概念清晰，计算方法简明，适用于实际工程设计。

2.3钢管与核心混凝土粘结性能研究

钢管与核心混凝土之间的界面承载能力（包括胶结力、机械咬合力、摩擦力）非常复杂。本项目首先采用有限元分析，采用位移法求解模式对矩形钢管混凝土共同工作状态进行模拟。随后又制作了界面状况与几何尺寸各不相同的9个构件模型进行推出试验，对比不同钢管壁与混凝土界面状况试件的界面承载力。研究结果表明，钢管壁与核心混凝土之间的粘结力属于弱粘结。因此，在分析矩形钢管混凝土构件时，不能笼统地认为二者可以完全地共同工作。

2.4轴压力分配系数的研究

研究了钢管与混凝土共同工作情况，提出了依照变形协调理论确定轴压力分配系数。认为有隔板节点的混凝土柱宜采用依据纵向变形协调条件推导的轴压力分配系数，无隔板节点的混凝土柱宜采用依据横向变形协调条件推导的轴压力分配系数。

2.5改进矩形钢管混凝土构件叠加理论计算公式

2.5.1依据变形协调原理改进轴压力分配系数对于采用内隔板节点的方钢管混凝土柱，由于内隔板的存在，采用纵向的变形协调条件，即方钢管和混凝土在z向的变形相等。对于采用无内隔板节点的方钢管混凝土柱，由于没有内隔板，采用横向的变形协调条件，即方钢管壁和混凝土在接触面上x和y向的变形相等。

2.5.2考虑混凝土基本无抗弯能力改进截面回转半径由于叠加理论在计算构件的稳定性时认为，混凝土只承受轴力，钢管承受弯矩和部分轴力。因此，相应的截面回转半径、截面面积和长细比等应按钢管取值，故截面回转半径应等于钢管的截面回转半径。

2.5.3考虑混凝土与钢管相互作用建议在稳定性计算中，对钢管的抗压强度设计值乘以钢管稳定性提高系数。建议在稳定性计算中，对钢管的抗压强度设计值乘以γ3，γ3≥1为钢管稳定性提高系数。

3外肋环板节点研究

3.1外肋环板节点构造及特点

提出了外肋环板节点的形式与构造。将外环板节点两侧的加强环板改为平贴于柱侧的竖向肋板，加以适当构造，形成外肋环板节点，构造形式如图1所示。外肋环板新型节点构造简单，加工安装方便，传力明确可靠，不仅克服了外环板节点墙板安装问题，而且避免了室内角部有凸角现象。

图1外肋环板节点

3.2外肋环板节点受力机理及承载力计算理论

对外肋环板节点梁翼缘受拉模型的传力机理进行了分析，传力机理如图2所示。研究认为外肋环板式节点钢梁翼缘传来的水平荷载由两部分承担，一部分直接从梁翼缘传到柱翼缘，另一部分经竖向肋板从梁翼缘传到方钢管混凝土柱，并提出了基于屈服线理论的节点承载力计算公式。

图2外肋环板节点受力机理分析

3.3外肋环板节点的有限元优化分析

优化分析的目的是为了根据分析结果观察试件主应力分布情况，并且采用最优化分析确定一个合理的圆弧连接导角的半径，使水平环板与钢梁翼缘连接处的集中应力较小。优化分析的结果为，选用连接处导角半径25mm时，即可显著地减少梁翼缘板与节点板连接处的应力集中。

3.4外肋环板节点静力试验

通过10个节点模型试件的梁翼缘静力拉伸试验，研究了方钢管混凝土柱与钢梁翼缘连接的结构性能。试验模型及试验加载方式如图3所示。

3.5外肋环板节点拟静力试验

为研究外肋环板节点的抗震性能，本项目对3个十字型足尺试件进行了低周反复荷载作用下的抗震性能试验，试验加载装置如图4所示。研究了各试件的破坏过程及特征，分析了节点域的应力传递机制。根据实测的滞回曲线，对节点的承载力、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化等抗震性能指标进行了详

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