鋼管混凝土結構技術探究

李博文 李 康 /華北理工大學建筑工程學院

鋼管混凝土結構技術探究

李博文 李 康 /華北理工大學建筑工程學院

鋼管混凝土作為今年來的新型結構，具有很好的力學性能，對于類似我國這種地震頻發的國家來說，具有很好的經濟效益。所以近幾年來在實際工程，鋼管混凝土組合結構尤其是在高層、超高層建筑和大跨度結構中中得到廣泛地推廣和使用。然而由于鋼管混凝土組合結構興起時間較短，對其研究尚在初期，尤其對其抗震性能的研究有很多不足之處。由于鋼管混凝土結構具備很多的特點，正被越來越多的用于我國的廠房、高層和超高層建筑及地下構造中，鋼管混凝土結構相對于傳統的鋼結構和混凝土結構而言是一種新型結構，其抗震性能的研究還有很多不足之處，并且我國對鋼管混凝土結構還未有統一的規范要求。因此，本文對鋼管混凝土結構技術進行了初步探究。

鋼管混凝土；框架結構；彈塑性；時程分析

一、鋼管混凝土研究不足

鋼管混凝土是一種新型的組合材料，目前，對其抗震性能的研究較為活躍，也取得了許多成果，但這方面的研究仍是不完善的，還存在著許多不足之處，主要有以下幾個方面:

1.到目前為止，大多是對節點處的理論計算和研究，并且是在靜載和反復荷載作用下的探究，所以今后的研究方向應著眼于對于鋼管混凝土結構體系的整體抗震性能的研究。

2.鋼管混凝土截面分為圓形和方形，但后者研究較少。圓鋼管混凝土相對方形鋼管混凝土而言約束效果明顯，但方形鋼管混凝土具有施工簡便、節點便于加工、較大的截面慣性矩及更好的穩定性能等優點，在實際工程應用前景廣闊。

3.目前鋼管混凝土抗震性能研究時，主要在層數和跨數兩個標準下對鋼管混凝土框架結構進行反復加載，其研究的層數和跨數較少，應加大數量級的研究，才具有更大的實際工程參考價值。

4.實際地震中是地震動對結構的多維影響，但實際研究中，只考慮單向地震對鋼管混凝土結構體系抗震性能的影響，這樣的研究不能準確表現出鋼管混凝土結構體系的抗震性能，因此必須考慮到多向地震的影響。

5.鋼管混凝土結構是由鋼和混凝土兩種不同材料組合而成，由于兩者阻尼特性差別較大，導致鋼管混凝土整體的阻尼變化規律很復雜。阻尼是抗震性能評判的一個重要指標，直接反應結構的損傷程度的評估，因此要加大這方面的研究。

二、鋼管混凝土結構有限元分析

對于以上等問題，可采用ANSYS軟件建立了結構的有限元模型對鋼管混凝土結構地震反應進行分析，并進行了以下幾個方面的研究:

1.進行結構模型的模態分析，進而掌握結構模型的動力特性

2.結構的抗震性能的考察，應在多遇地震下進行才更加準確。主要作了如下三方面的對比研究:

（1）從不同方向單向輸入同一地震波時，此時結構的內力位移響應的對比

（2）不同單向地震波輸入時，此時結構的內力位移響應的對比

（3）單向地震波和雙向地震波輸入時，此時結構的內力位移響應的對比

3.阻尼對鋼管混凝土結構彈性時程分析研究，應采用不同阻尼比、不同阻尼模型及不同阻尼模型下鋼管內混凝土取不同強度等級進行研究。

（1）采用瑞利阻尼、剛度比例阻尼、材料相關剛度比例阻尼三種阻尼模型時，結構在單向地震波下的內力位移響應的對比

（2）結構在單向地震波下采用同一阻尼模型不同阻尼比時的內力位移響立的對比

（3）結構在地震作用下和不同阻尼模型地震作用下鋼管內混凝土強度等級變化對的力位移差值的影響分析

三、國內外鋼管混凝土結構存在問題

結合國內外鋼管混凝土發展的歷史和經驗，不難發現一些急需解決的問題：

（1）理論研究相對滯后，沒能廣泛應用鋼管混凝土這種特殊的組合材料，尤其對受力中鋼管對混凝土的緊箍力考慮不足

（2）鋼管混凝土的有限元計算理論缺乏統一性，計算模型太少

（3）由于對核心混凝土收縮徐變的研究尚不成熟，對于管內混凝土徐變更是沒有一個普遍認可的計算模式。在對徐變影響的分析中，不應只著眼于應力變化，剛度、變形與穩定等也應進行深入的研究

（4）鋼管混凝土受力性能在溫度變化下的研究缺乏， 對于合攏溫度尚在研究之中，沒有統一的規范要求

（5）鋼管混凝土桁架節點與柔性吊桿的疲勞問題，研究尚淺

四、鋼管混凝土結構深入探究

鋼管混凝土因其優越的力學性能和良好的經濟效果，在高層超高層結構中將到越來越多的應用。抗震性能應作為一個重要指標進行研究，但研究起來較為復雜。具體需要攻克的疑難研究，作者認為可進行以下幾個方面的著手探究：

（1）如何更真實的模擬鋼管混凝土構件，比如考慮鋼管和混凝土之間的粘結，鋼管和混凝土的泊松比和彈性模量隨時間的變化等。

（2）在對鋼管混凝土組合框架結構的彈性時程分析時，應對鋼管混凝土組合框架結構在多遇地震下節點的抗震性能、罕遇地震下整體抗震性能以及核心混凝土在彈塑性階段恢復力模型等進行探究。

（3）不應只進行結構模型在兩個主軸方向的地震響應的研究，應進行地震作用下結構在其他方向的內力位移反應及最不利方向如何確定等方向的研究。

（4）不同阻尼模型得到的結構的內力位移反應具有很大差別，構造合理的阻尼模型是結構抗震分析中的一個難點。而如何采用更簡便合理的方法確定鋼管混凝土組合結構的彈性階段和彈塑性階段的整體阻尼比需進一步研究。

五、結語

鋼管混凝土結構較好的力學性能對我國建筑行業發展尤為重要。未來建筑行業工業化的發展方向一定朝著大跨度、高聳以及優秀的承載力方向發展，而鋼管混凝土結構正具有這樣的優點。鋼管混凝土結構正逐步廣泛地應用于工業廠房、高聳建筑、大跨度結構中，不僅取得了很好的經濟效益，而且建筑特色鮮明美觀，是今后建筑行業一個重要的發展方向。相信隨著鋼管混凝土理論不斷深入的研究，鋼管混凝土將大規模地用于各類建筑結構中。鋼管混凝土結構在實際中已有應用，比如用鋼管混凝土柱和鋼梁組成的框筒結構已經廣泛應用于高聳結構中，并且取得了很好的經濟效益。盡管鋼管混凝土結構發展還不夠完善，在許多方面存在著不足和弊端，但是其優點 遠遠大于缺點，是傳統結構形式所不能比擬的。隨著科技水平的不斷提高及新材料的出現，我相信鋼管混凝土結構會進一步被優化，彌補不足，優點將更大被展現出來，成為一種完美的結構形式。

[1]韓林海.鋼管混凝土結構.北京:科學出版社，2000.1-8.

[2]李玉樓.方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土結構抗震性能對比研究:〔碩士學位論文」.廣州:廣州大學，2007.

[3]趙干榮.鋼管混凝土框一筒結構動力特性研究:[碩士學位論文」.成都:西南交通大學，2007.

[4]韓林海，陶忠，閏維波.圓鋼管混凝土構件彎矩一曲率滯回特性研究.地震工程與工程振動，2000.

[5]陶忠，韓林海.方鋼管混凝土壓彎構件滯回性能的試驗研究.地震工程與工程振動，2001.