圓鋼管高強(qiáng)混凝土框架模型滯回特性試驗(yàn)研究

一、引言

鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是將高強(qiáng)混凝土注入封閉的薄壁鋼管內(nèi)形成的組合結(jié)構(gòu)，它是在勁性混凝土結(jié)構(gòu)、螺旋混凝土結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，它利用鋼和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互制約，使其具備了優(yōu)異的工作性能。其主要優(yōu)點(diǎn)有：承載力高。鋼管中注入高強(qiáng)混凝土形成鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件，鋼管和混凝土相互彌補(bǔ)彼此的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，使鋼管高強(qiáng)混凝土的承載力大大高于二者單獨(dú)受荷時(shí)承載力之和。塑性和韌性好。高強(qiáng)混凝土在鋼管的有效約束下，改善了高強(qiáng)混凝土延性差、脆性大的弱點(diǎn)，使鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。經(jīng)濟(jì)效果好。大量工程實(shí)例表明，在結(jié)構(gòu)的受壓桿件中，采用鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)替代鋼結(jié)構(gòu)，可節(jié)約鋼材50%左右；若替代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則在用鋼量大體相同的情況下可減小柱截面面積50%左右，相應(yīng)節(jié)約大量混凝土。

在土木工程中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已有很長(zhǎng)的歷史。本世紀(jì)初，美國(guó)就在一些單層和多層房屋中，采用圓形鋼管混凝土柱；前蘇聯(lián)在20世紀(jì)30年代即用鋼管混凝土建造過(guò)跨度達(dá)100m的拱橋。到二戰(zhàn)以后，各國(guó)都在恢復(fù)建設(shè)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展。我國(guó)對(duì)鋼管混凝土的研究較晚，但近三十年來(lái)有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，并在總結(jié)我國(guó)鋼管混凝土科研、設(shè)計(jì)和施工所取得的成就的基礎(chǔ)上，編制了《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》。

近年來(lái)，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)性能和施工工藝上的眾多優(yōu)點(diǎn)以及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的指導(dǎo)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程建筑中俏然興起，成為建筑結(jié)構(gòu)體系中的重要形式。

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的理論研究的日益深入，工程實(shí)際的應(yīng)用越來(lái)越多，但研究?jī)?nèi)容多集中于基本構(gòu)件的力學(xué)行為和抗震性能。迄今為止，有關(guān)鋼管高強(qiáng)混凝土柱和鋼或鋼筋混凝土等型式的梁組成的框架結(jié)構(gòu)的工作性能的研究國(guó)內(nèi)外報(bào)道并不多見(jiàn)，還沒(méi)有專門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)分析時(shí)主要借用鋼結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)自然是不合理的。因此，為配合工程建設(shè)的需要，本文對(duì)圓鋼管高強(qiáng)混凝土柱框架結(jié)構(gòu)的滯回特性等抗震性能進(jìn)行研究，具有重要的工程實(shí)踐和理論指導(dǎo)意義。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本試驗(yàn)制作一榀兩跨三層圓鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包含框架各部位的各種形式的梁柱節(jié)點(diǎn)，如中、邊、角及頂層、中間層、底層等位置的梁柱節(jié)點(diǎn)?？蚣苣Ｐ偷某叽缛鐖D1所示，取實(shí)際框架的1/3，其跨為1.5米，層高為1.2米，框架柱截面為Ф150×5鋼管內(nèi)填C50高強(qiáng)混凝土，框架梁為工字型鋼180×100×5×8?？蚣苣Ｐ偷某叽绫壤梢暂^好地保證鋼管混凝土材料的性能以及較好的符合實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)：鋼管混凝土框架柱，軸壓比中柱0.4、邊柱0.32，鋼管選用3號(hào)鋼，實(shí)測(cè)fy=331.7MPa；混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，實(shí)測(cè)fc=57.95MPa；框架梁選用工字形鋼梁，梁柱連接以及柱腳與基礎(chǔ)的連接等，均按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

1．加載方式

在模型框架三根柱的頂部施加豎向集中荷載，并且保證柱頂端可以產(chǎn)生自由水平位移，可以通過(guò)軸向千斤頂和滑動(dòng)滾軸裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；在模型框架的頂層節(jié)點(diǎn)處通過(guò)固定在反力墻上的拉壓千斤頂來(lái)施加水平反復(fù)荷載。

2．加載制度

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》的規(guī)定，采用擬靜力試驗(yàn)方法對(duì)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)施加水平低周反復(fù)荷載。在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先按照軸壓比要求施加豎向荷載，然后再施加反復(fù)水平荷載，同時(shí)要保持豎向荷載值基本穩(wěn)定不變，可通過(guò)事先標(biāo)定好的油泵壓力表控制。反復(fù)水平荷載采用控制力和控制位移的混合加載法，如圖2所示。在結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服位移之前，采用控制力的方法逐級(jí)施加水平荷載P，每級(jí)荷載反復(fù)一次，直至結(jié)構(gòu)屈服。屈服位移根據(jù)模型試驗(yàn)述所測(cè)得的P-△曲線出現(xiàn)較明顯的拐點(diǎn)來(lái)確定。然后按照結(jié)構(gòu)屈服位移的倍數(shù)控制加載進(jìn)行循環(huán)加載，每級(jí)加載循環(huán)三次，直至某級(jí)加載的第一循環(huán)水平荷載值低于水平極限荷載值的85%，認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，模型框架總共經(jīng)歷了26次反復(fù)循環(huán)加載到達(dá)破壞。

三、試驗(yàn)結(jié)果及滯回特性分析

試驗(yàn)結(jié)果

模型框架的水平荷載P水平荷載與頂點(diǎn)位移Δ之間的P-Δ滯回曲線。P-Δ滯回曲線中的荷載峰值連線得到的P-Δ骨架曲線。

由試驗(yàn)所測(cè)的P-Δ骨架曲線，可以得到模型框架在頂層水平往復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了屈服、極限和破壞三個(gè)階段，各階段的荷載及位移值。

滯回特性分析

從滯回曲線可以看出，本模型具有較好的延性。滯回環(huán)包圍的面積代表荷載正負(fù)循環(huán)一周時(shí)，結(jié)構(gòu)所吸收的能量，滯回曲線表明滯回環(huán)的面積是比較飽滿的，說(shuō)明框架結(jié)構(gòu)吸收的能量較多，有利于結(jié)構(gòu)的抗震和框架的延性。各級(jí)滯回環(huán)對(duì)角線的傾角的變化反映了構(gòu)件剛度的退化過(guò)程，從本框架滯回曲線看，鋼管混凝土框架的剛度和強(qiáng)度退化很慢，性能要好于鋼筋混凝土框架。并且側(cè)移較小，抗力較大，耗能能力較強(qiáng)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)避免了象鋼結(jié)構(gòu)在塑性變形時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大的側(cè)移和不可恢復(fù)的塑性變形。