钢管混凝土结构抗震性能的比较研究

第35卷　第1期2009年2月四川建筑科学研究Sichuan Building Science
收稿日期:2007209220
作者简介:胡　潇(1977-),女,四川成都人,讲师,在读博士,主要从事既有结构加固研究。

E -ma il:leafun@
钢管混凝土结构抗震性能的比较研究
胡　潇
1,2
,钱永久1,段敬民
1
(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都　610031;2.成都理工大学基础力学教研室,四川成都　610059)
摘　要:分别对钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的高层框架—剪力墙结构进行了抗震性能对比计算,从理论上分析比较了两种结构的动力特性、小震作用下各自的地震反应,综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能,为该结构的设计提供了参考数据。

关键词:钢管混凝土;框架剪力墙结构;动力特性
中图分类号:T U352111 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2009)01-179-05
Co mparati ve study on the earthquake behavi or of concrete filled steel tubul ar structures
HU Xiao
1,2
,Q I A N Yongjiu 1,DUAN J ing m in
1
(1.College of Civil Engeneering,S outh west J iaot ong University,Chengdu 610031,China;2.Sraff Room of Basic Mechanics,Chengdu University of Technol ogy,Chengdu 610059,China )
Abstract:I n this paper,seis m ic behavi or of the fra me 2shear wall structure,which are res pectively composed of the concrete filled steel tubular (CFST )and of reinf orced concrete colu mn,have been studied .ANSYS p r ogra m is used for calculating the seis m ic res ponses of the structures .Dyna m ic behavi ors and earthquake res ponses of the CFST and reinf orced concrete structures are analyzed .Comparing the calculati on results,the earthquake resistant behavi or of the CFST structure has been app raised synthetically,which may be referenced for structure design .
Key words:concrete filled steeled tube;fra me 2shear wall structure;dyna m ic p r operty
0　引　言
与普通混凝土相比较,钢管混凝土具有优越的抗震性能。

因为,钢管既是纵向钢筋,又是横向箍筋,配筋率至少都在416%以上,远超过抗震设计规范对钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值;至于轴压比问题,由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳,即使在高轴压条件下,仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”,不存在受压先破坏的问题。

基于以上两个原因,钢管混凝土的抗震性能比钢筋混凝土柱强。

本文通过有限元软件ANSYS,对钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构进行了比较研究,综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能,为该结构的设计提供了参考数据。

1　结构有限元模型
1.1　工程实例
设防烈度为8度,Ⅱ类场地,14层框架—剪力墙结构,总高为6718m ,平、立面如图1,2所示。

本工程主体结构采用现浇混凝土,1～5层柱与剪力墙
的混凝土强度等级为C35,其余均为C30(包括所有的梁)。

混凝土C35的弹性模量为31500MPa;混凝土C30的弹性模量为30000MPa;混凝土的泊松比系数是012。

钢材采用Ⅰ,Ⅱ级钢筋。

图1　结构平面
F i g .1　I chnography of the structure
1.2　几何模型的建立及参数选取
钢筋混凝土框架—剪力墙结构模型主要参数见表1。

9
71
图2　结构立面F i g.
2　Soli d draw i n g of the structure
表1　模型主要参数一览
Table1　The m ost param eters of the m odel
构件名称截面尺寸/mm混凝土等级框架柱(1～2层)700×700C35
框架柱(3～5层)650×650C35
框架柱(6～14层)600×600C30
进深梁250×700C30
外框架梁250×600C30
内框架梁250×650C30
走廊梁250×450C30
剪力墙240C35
屋面楼板100C30
为了使钢管混凝土结构具有可比性,将全部钢筋混凝土柱换为钢管混凝土柱,交换的原则是框架柱的面积保持不变,且其余的结构及参数亦保持不变。

本文采用的是空间杆系模型,引入三维梁单元和三维壳单元,形成了梁单元和壳单元混合的三维杆系模型。

梁、柱选用BE AM188梁单元,每个单元有两个结点,每个结点有3个平移自由度和3个转动自由度,考虑剪切变形的影响。

剪力墙、楼板选用SHELL63壳单元,它是四结点三维壳单元。

每结点有3个平移自由度和3个转动自由度,考虑剪切变形的影响。

所建模型如图3所示。

2　动力特性比较
用ANSYS
程序对钢管混凝土与钢筋混凝土结
图3　结构计算模型
F i g.3　Ca lcul a ti n g m odel of the structure
构模型进行动力分析,得出各自的自振频率,其值见表2。

表2　结构自振频率
Table2　Free frequency of the structure
结构频率/Hz
钢管混凝
土结构
0.821920.837840.95580 3.3319 3.3675 3.9283钢筋混凝
土结构
0.765980.772730.88190 3.0907 3.1289 3.6361
由表2
可知,钢管混凝土结构的自振频率要比钢筋混凝土结构的自振频率略大,且振型稍稀疏,但各频率之间的规律性比较一致;且从图4,5可知,两种结构的各阶模态的振型曲线、振型特性也符合相似的变化规律。

其中,虽然钢管混凝土结构的柱面积与钢筋混凝土结构的柱面积相同,但是钢管混凝土的刚度比钢筋混凝土的刚度大,而单位重量相差不是太大,所以导致了钢管混凝土框架—剪力墙结构的自振频率可能要大一些。

两种结构的振型如图4,5所示。

图4　钢管混凝土结构前6阶振型
F i g.4　S i x order v i bra ti on graphs of the CFST structure
081 四川建筑科学研究第35卷　
图5　钢筋混凝土结构前6阶振型
F i g.5　S i x order v i bra ti on graphs of the RC structure
从图4可看出,结构第1阶振型表现为沿x向的整体平动,对应频率为0182192s-1;第2阶振型表现为沿z向的整体平动,对应频率为0183784 s-1;第3阶振型表现为整体扭转,对应频率为0195580s-1。

由于建筑物x方向的长度比z方向长,x方向的刚度比z方向的刚度大,所以,第一振型在建筑物的长轴方向。

并且,框架—剪力墙结构的振型贡献率随着阶数的增加而逐步减小,即前面几个低阶振型的运动将在总运动中占主导地位。

结构质量、刚度对称,水平方向的各阶振型都是相邻成对出现。

扭转振型在第3阶出现,符合高层建筑设计规范中1,2阶振型不能为以扭转振型为主的规定。

计算结果表明,此钢管混凝土框架—剪力墙结构体系具有良好的整体性能。

3　抗震性能比较
该工程地处8度设防区(设计基本地震加速度为0130g,α
max
=0116),Ⅱ类场地(第2组,T g=0145 s)。

钢管混凝土的阻尼比ζ=0102,钢筋混凝土的阻尼比ζ=0105,在考虑水平地震作用时,研究小震范围内的地震反应规律。

应用振型分解反应谱法计算结构地震反应时,为了保证计算精度,参与计算的振型包括模态分析时得到的全部前20阶振型。

将相应的地震加速度反应谱分别沿z向和x+z向水平施加给结构模型,计为工况1与工况2,从结构位移与结构受力两方面探讨钢管混凝土结构体系在地震作用下的弹性反应情况,如图6～8所示,分析钢管混凝土结构在小震作用下的地震特性以及它的抗震优越性。

图6　工况1的层间位移
F i g.6　The i n terbedded d ispl ace m en t i n the No.1st a
te
图7　工况2的各楼层x方向相对位移
F i g.7　The co m para ti ve d ispl ace m en t of x d i recti on i n
the No.2st a
te
图8　工况2的各楼层z方向相对位移
F i g.8　The co m para ti ve d ispl ace m en t of z d i recti on i n
the No.2st a te
3.1　结构位移分析
两种工况的最大顶点位移和最大层间位移见表3。

表3　两种工况的最大顶点位移和最大层间位移
Table3　The ulti m a te top d ispl ace m en t and the
i n terbedded d ispl ace m en t i n the two st a tes/m
位移
工况1(z轴)工况2(x+z轴)
钢管混凝土钢筋混凝土钢管混凝土钢筋混凝土顶点位移Δ0.34197E-10.40265E-10.2733E-10.2936E-1Δ/H1/19831/16841/24811/2309
层间位移δ0.3077E-20.3625E-20.2059E-20.23618E-2δ/h1/15601/13241/23311/2032注:Δ/H—顶点位移角;δ/h—层间位移角。

181
　2009No11胡　潇,等:钢管混凝土结构抗震性能的比较研究
由以上图6～8及表3可知,钢管混凝土结构柱的面积与钢筋混凝土结构柱的面积相等时,输入相
同的地震反应谱,在两种工况下(即地震分别从z 轴与x +z 轴输入),弹性范围内,钢管混凝土结构的各楼层相对位移和层间位移均比钢筋混凝土结构的位移小。

在两种工况下,虽然钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的顶点位移角与层间位移角都在限值以内(钢管混凝土框架—剪力墙结构的顶点位移角限值1/850,层间位移角限值1/300;钢筋混凝土框架—剪力墙结构的顶点位移角限值1/850,层间位移角限值1/800),均满足建筑抗震设计规范的要求,但是,钢管混凝土结构的顶点位移角与层间位移角均比钢筋混凝土结构小得多,可见,在小震作用下,就变形这一点而言,钢管混凝土结构的抗震性能较钢筋混凝土结构有明显的优越性。

通过图6工况1的层间位移可看出,第14层的钢管混凝土结构的层间位移比6～12层偏大,其中,第9层的层间位移最大,虽然此处的层间位移角没超过限值,但此处的抗侧刚度较小、变形最大,是薄弱层,应加以注意。

3.2　
结构受力分析当地震谱按照两种工况分别施加给结构模型,由表4可知,钢管混凝土结构的底层柱最大剪力与底层剪力墙最大剪力均比钢筋混凝土结构体系小。

工况1,2中,对于底层柱最大剪力,钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱分别低212%与118%;而底层剪力墙,钢管混凝土结构要比钢筋混凝土结构均低12%。

表4　两种工况下的底部最大剪力
Table 4　The ulti m a te shear of the botto m i n the two st a tes
方案
工况1(z 轴)工况2(x +z 轴)钢管混凝土钢筋混凝土
钢管混凝土钢筋混凝土
底层柱最大剪力/N
16595169811179612008底层剪力墙最大剪力/N
133500
151760
96834
110280
由于框架—剪力墙结构,其剪力墙的侧向刚度比框架的侧向刚度大得多,因此,剪力墙是承受水平荷载的主要部分;框架有一定的侧向刚度,也承受一定的水平荷载。

它们各承受多少水平荷载,主要取决于剪力墙和框架侧向刚度的一个复杂的比值。

从表5可知,将框架—剪力墙结构中的钢筋混凝土柱全换为钢管混凝土柱后,增加了结构的抗侧刚度,同时,由于结构的自重较轻,所以,反而减小了地震力。

从剪力在框架柱和剪力墙之间的分配比例看,其变化不大,剪力墙仍是抗剪的主要构件。

但是,钢管混凝土柱承担剪力的比例比钢筋混凝土柱略有提高,这是因为钢管混凝土柱的剪切刚度C F
大,由此结构的刚度特征值偏大。

一般来说,框架—剪力墙体系的剪力分配是与结构刚度特征值λ有
很大关系。

λ越大,框架柱承担的剪力越大,因此,钢管混凝土柱承担剪力的比率略大。

表5　工况1的底部剪力
Table 5　The shear of the botto m i n the No .1st a te
方案
工况1(z 轴)
钢管混凝土钢筋混凝土
底部剪力/N
3067000
3367824框架柱剪力/N 517000517824剪力墙剪力/N
25500002850000剪力墙承担剪力比率/%83.1484.62框架柱承担剪力比率/%
16.86
15.38
从表6同时也可看出,钢管混凝土结构的底层无论是框架柱还是剪力墙,所受的地震力引起的倾覆弯矩都较钢筋混凝土结构略小,这对于抗震同样有利。

表6　工况1的底部弯矩
Table 6　The m o m en t of the botto m i n the No .1st a te
方案
工况1(z 轴)
钢管混凝土钢筋混凝土
底部倾覆弯矩/(N ・m )
15553971563548框架柱承担倾覆弯矩/(N ・m )15251101525116剪力墙承担倾覆弯矩/(N ・m )
30287.36
38432.32
图9～12是工况1时,钢管混凝土结构体系与钢筋混凝土结构体系关于框架柱各自受力特性的对比。

图9　工况1时某框架柱z 方向承担的剪力
F i g .9　The shear of the colu mn of z d i recti on i n the
No .1st a te
图9～12是某钢管混凝土框架柱与钢筋混凝土柱的内力图,从图上可知,除了钢管混凝土柱的各层轴力与钢筋混凝土柱差别不大,且沿高度方向按线性均匀减小以外,钢管混凝土柱的各层剪力与弯矩较钢筋混凝土柱小。

当工况1时,地震谱从z 方向输入,那么框架柱z 方向剪力最大(图9),钢管混凝土柱的剪力最大值在结构某柱的中部,且由于钢管混凝土结构的刚度特征值较大,所以,钢管混凝土框架柱剪力最大值较钢筋混凝土柱略有下移,集中在
281 四川建筑科学研究第35卷　
图10　工况1时某框架柱x 方向承担的剪力
F i g .10　The shear of the colu mn of x d i recti on i n the
No .1st a
te
图11　工况1时某框架柱承担的弯矩
F i g .11　The m o m en t of the colu mn of z d i recti on i n the
No .1st a
te
图12　工况1的各层柱轴力
F i g .12　The ax is force of a ll floors i n the No .1st a te
5～9层这一段。

4　结　论
(1)钢管混凝土框架—剪力墙结构与钢筋混凝
土框架—剪力墙结构在同等外力条件下,且两者框架柱面积相同时,由于前者的刚度大、单位重量略轻,所以,钢管混凝土柱构成的框架—剪力墙结构的自振频率略大,振型较稀疏,但各频率之间的规律性比较一致。

(2)钢管混凝土柱构成的框架—剪力墙结构其质量、刚度对称,水平方向的各阶振型都是相邻成对出现。

扭转振型在第3阶出现,符合高层建筑设计
规范中1,2阶振型不能以扭转振型为主的规定。

计算结果表明,此钢管混凝土框架—剪力墙结构体系
具有良好的整体性能。

(3)当输入相同的地震反应谱,在一维及二维地震输入下(即地震分别从z 轴与x +z 轴输入),弹性范围内,钢管混凝土结构的各楼层相对位移和层间位移比钢筋混凝土结构位移小。

顶点位移角与层间位移角均比钢筋混凝土结构小得多,可见,在小震作用下,就变形这一点而言,钢管混凝土结构的抗震性能较钢筋混凝土结构有明显的优越性。

(4)框架—剪力墙体系的剪力分配是与结构刚度特征值λ有很大关系。

λ越大,框架柱承担的剪力越大。

由于钢管混凝土柱的剪切刚度C F 大,由此结构的刚度特征值偏大,因此,钢管混凝土柱承担剪力的比率比钢筋混凝土柱略大。

(5)当地震谱按照两种工况输入时,钢管混凝土结构的底层柱最大剪力与底层剪力墙最大剪力均比钢筋混凝土结构体系小;钢管混凝土结构的底层无论是框架柱还是剪力墙所受的地震力引起的倾覆弯矩都较钢筋混凝土结构略小,这些对于抗震都是有利的。

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81　2009No 11胡　潇,等:钢管混凝土结构抗震性能的比较研究 。