鋼管混凝土框架結構抗震性能的試驗研究

韓彥飛

（河北省景縣隆盛建筑工程有限公司，河北 衡水 053500）

【摘 要】鋼管混凝土通過在鋼管中填充混凝土而增強鋼管的強度，延展性和抗壓性，目前鋼管混凝土根據外形差異分為矩形鋼管凝聚土，圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。為了測試鋼管混凝土結構的具體抗震情況，本文根據現有的規范設計了一套測試其抗震性的試驗方案，通過對圓鋼管混凝土施加恒定豎向荷載和反復水平荷載來測試其延展性，抗壓性，耗能和剛度，從而建立完整的數學模型以便對圓鋼管混凝土的抗震性進行系統的了解。本文分為試驗設計和試驗結果分析兩個部分，試驗結果對于圓鋼管混凝土的應用有著借鑒意義。

【關鍵詞】圓鋼管混凝土；抗震性；延展性；試驗研究

前言：

鋼管混凝土是勁性混凝土的升級結構，其將混凝土灌入鋼管中，使混凝土良好的抗壓性和鋼管良好的彈塑性獲得優勢互補，從而使鋼管混凝土優化承載性，延展性和抗震性，能夠在建筑施工中發揮更大作用。目前研究界側重對鋼管混凝土局部的構件受力研究，而對鋼管混凝土整體框架結構的研究較少。對此本文選擇圓鋼管混凝土作為研究對象，設計試驗測試其強度和剛性，延展性和耗能，從而整體把握圓鋼管混凝土框架結構的抗震性能。

一、鋼管混凝土框架結構試驗設計

本文以圓鋼管混凝土作為試驗對象，根據現有的鋼管混凝土建構規范搭建了一榀兩跨3層鋼管混凝土框架模型，該模型單層橫向跨距為1.2米，單層層高為1米，這個規模的模型比例符合鋼管混凝土框架結構實際搭建的節點規范，同時易操作，靈活度高，能夠在試驗中有效發揮鋼管混凝土的本身性能。在試驗框架結構上搭建了一個高度為250毫米的懸臂段，鋼管選擇Q235圓鋼管，鋼管內填充C50混凝土，以此減輕柱頂施加的恒定豎向荷載對框架結構頂層節點的阻礙。

整體框架模型同螺栓固定在底座上，其中對框架結構的恒定豎向荷載由放置在架柱頂部的千斤頂施加，反復水平荷載由固定在反力墻上的千斤頂沿框架中心線施加。為了獲得完整和精確的測量數據，試驗在框架結構內部安置了兩類傳感器。其中在底層結構上設置一個手持式應變儀測點，用來測量框架柱腳的轉角。在第二層和第三層上分別設置百分表，用來測量中柱和邊柱的轉角。除此以外，設置位移傳感器和荷載傳感器用以測量框架結構各層之間和整體的位移數據。

二、試驗數據和結果分析

（一）試驗過程

根據試驗流程發現鋼管混凝土框架模型在恒定豎向荷載和反復水平荷載的施壓下首先出現梁端塑性出鉸，隨后再出現柱端塑性出鉸。幾次試驗結果都是先梁端出鉸后柱端出鉸，由此可以證明本次實驗所搭建的鋼管混凝土框架模型屬于梁鉸破壞機制。

（二）試驗結果分析

1.強度和剛度變化

根據實驗數據可知各加載階段經歷三次循環的強度降低系數λ（λ= P1/ P3，其中P1為某級加載的第一循環峰點荷載值，P3為該級加載的第三循環峰點荷載值）以及相對剛度P/Δ的下降值隨著循環次數增加而變得緩慢。具體來說，每經歷一次循環，其荷載數值就下降2.5%至28%，說明框架結構具有良好的形變能力。在實際應用中，鋼管混凝土能夠承載多次重復且明顯的施壓，雖然隨著重復次數增加鋼管混凝土框架的形變能力下降，但仍維持在一個良好范圍內，能夠通過形變保持整體框架結構的穩定性和強度。

2.滯回曲線性能

滯回曲線指鋼管混凝土框架結構在反復受力中的變形曲線特征，本文試驗中的框架結構滯回曲線顯示出明顯的“捏縮效應”，即整體框架結構有良好的塑性變形能力。一般來說，鋼管混凝土框架結構的滯回性受到鋼管和混凝土本身變形性，框架滑移等因素的影響，出現“弓”型滯回曲線表明鋼管混凝土框架的變形和承載力要由于純鋼管框架結構，能夠負載多次且反復的施壓，并在受力變形后能夠緩慢且穩定的恢復原來的形狀，從而形成飽滿的滯回曲線。

3.延展性分析

根據在各加載階段模型框架的頂點側移Δ值，側移率Δ/H值和延性系數μ可以獲得框架結構在極端受力情況下能夠出現67毫米的最大位移，同時內部局部發生適度位移，層間最大位移為33毫米。根據統計可以得出該框架結構的延展性為正向7.6和負向7.5，完全超出官方質量標準中延展性系數大于4的要求。試驗對象鋼管混凝土框架結構這一延展性表明此結構可以廣泛應用于功能性建筑的建設，尤其是位于地震帶和東南沿海城市的一些建筑施工可以使用此類鋼管混凝土結構，能夠有效抵御地震，臺風等在災難，保護住戶人身安全。除此以外，鋼管混凝土框架結構因為自重輕，受力強，延展性能良好還能夠用于臨時房屋的建造，簡化施工流程，提高臨時房屋的抗壓力和延展性，從而保障其安全性。

在本文試驗中，三支框架柱腳的有效曲率延性系數（即框架柱破壞時的柱腳平均曲率φu與屈服時的柱腳平均曲率φy的比值）分別為13，8和11.5，可以發現位于框架中間的柱腳延展性系數低于兩側柱腳的延展性系數，表明框架結構在試驗中受到了來自外部三個方向的受力，框架結構中心部分受力最大，其延展性系數最低。因此鋼管混凝土框架結構雖然也會因為受力而引起結構超出恢復范圍的形變，甚至造成整體框架坍塌，但是其仍比一般的鋼管框架擁有更好的承載力和延展性。

4.鋼管混凝土框架結構抗震性評價

通過本次試驗能夠對鋼管混凝土結構的抗震性做出以下判斷：首先，現有的鋼管混凝土框架結構質量標準設計較為合理，使框架結構在實際應用中能夠保持良好的承載力和延展性，能夠應對地震，大風等強外力影響，使建筑物在可恢復范圍內發生一定變形而增強其適應性；其次，與普通鋼管框架結構相比，鋼管混凝土框架結構在滯回曲線上表現出“弓”型，產生明顯的捏縮現象，說明鋼管混凝土框架結構在受到外力施壓時能夠維持一個穩定的回縮過程，通過適度變形來負債外力的沖擊，從而使整體結構具有良好的抗震性，能夠在實際生活中得到廣泛應用；第三，本次試驗的鋼管混凝土框架結構存在明顯的“強柱弱梁”問題，針對這一問題在未來的技術調整中應該重視對框架結構中梁祝的承載力進行強化，并且適度調整框架結構使內部各部分達到受力基本均勻，避免出現局部坍塌的風險。總體來說，本次試驗通過對鋼管混凝土框架結構延展性，強度和剛性以及滯回性的測試獲得了較為完整的試驗結果，各項數據和現象表明鋼管混凝土框架結構比一般的鋼管框架結構擁有更好的承載力，延展性，也擁有更強的抗震性，這些優勢有利于改革當前的建筑施工框架材料選擇，產生巨大的經濟效益。

三、結論

本文設計了一套以三層圓鋼管框架結構作為研究對象的試驗方案，對實驗對象施加恒定豎向荷載和反復水平荷載，并通過安置在框架內部和周圍的傳感器和百分表測試試驗數據，建立數學模型，從而全面分析其抗震性。鋼管混凝土框架結構具有更加優化的延展性和抗震性，能夠比普通鋼管框架獲得更多的社會效應和經濟效應。

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