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：（1）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。（2）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。（3）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)已有很長的歷史。本世紀(jì)初，美國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跨度達(dá)100m的拱橋。到二戰(zhàn)以后，各國都在恢復(fù)建設(shè)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展。我國對(duì)鋼管混凝土的研究較晚，但近三十年來有了長足的發(fā)展和進(jìn)步，并在總結(jié)我國鋼管混凝土科研、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（CECS28：90）》。

　　近年來，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（CECS28：90）》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)用越來越多，但研究內(nèi)容多集中于基本構(gòu)件（如軸心受壓柱、偏心受壓柱）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)（簡稱鋼管高強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)）的工作性能的研究國內(nèi)外報(bào)道并不多見，還沒有專門的設(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)

　?。ㄒ唬┰囼?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。框架模型的尺寸比例可以較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（CECS28:90）》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ17-88）》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ10-89）》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ11-89）》等的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　?。ǘ┰囼?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，可以通過軸向千斤頂和滑動(dòng)滾軸裝置來實(shí)現(xiàn)；在模型框架的頂層節(jié)點(diǎn)處通過固定在反力墻上的拉壓千斤頂來施加水平反復(fù)荷載。

　　2．加載制度

　　根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程（JGJ101-96）》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

　　（一） 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。

　　（二） 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)生的過大的側(cè)移和不可恢復(fù)的塑性變形。