鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震分析研究

李 博

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030006)

0 引言

鋼管混凝土構(gòu)件在力作用下的響應綜合了混凝土和鋼管的特性，并且提高了混凝土的抗壓性和鋼管的抗傾覆性。采用泵送方法將混凝土填充滿鋼管形成了鋼管混凝土。

當對鋼管混凝土構(gòu)件進行軸向作用時，鋼管和混凝土均向外變形，初始階段混凝土的變形較小，隨著荷載的增加和作用時間的累積，鋼管的變形速度小于混凝土，鋼管約束了混凝土的變形，兩者產(chǎn)生相互作用，鋼管混凝土的承載能力因其中混凝土強度增強而變大。

在建筑中應用鋼管混凝土也有較多案例，20世紀20年代美國的一些城市將鋼管混凝土應用在建筑結(jié)構(gòu)的柱子中，日本的一座55層的住宅樓也采用了鋼管混凝土，位于澳大利亞的一座46層的辦公樓也采用了鋼管混凝土。

1 承載力計算公式

鋼管混凝土構(gòu)件承載力計算公式：

N0=(1.212+Bξ+Cξ2)fckAsc

(1)

公式中：

其中，fck為構(gòu)件的抗壓強度標準值；Asc為構(gòu)件截面面積；ξ為套箍系數(shù)，用式(2)表示：

(2)

2 分析方法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，經(jīng)模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的振型、頻率和周期。依托模態(tài)分析得到的振動特性了解結(jié)構(gòu)的性能，同時模態(tài)分析還是進行反應譜分析的前期重要一環(huán)。

反應譜法是了解多自由度體系抗震的一種方法，其分析思路為：利用單自由度體系的加速度反應譜計算出各自相對應的最大地震效應，再運用一定法則對各自由度的最大地震效應進行組合得到結(jié)構(gòu)體系的整體地震效應。

某質(zhì)點的最大地震作用：

F1=0.243X1-0.062X2+0.295X3+0.285X4+0.108X5+0.27X6+0.15X7

Fji(t)=γjXjiajGi=ajγjXjiGi(i,j=1,2,…,n)

(3)

其中，F(xiàn)ji(t)為j振型第i質(zhì)點的水平地震作用；Xji為j振型第i質(zhì)點的水平相對位移；γj為j振型的參與系數(shù)，用式(4)表示；Gi為質(zhì)點i的重力荷載代表值；aj為j振型對應的地震影響系數(shù)。

(4)

3 模型分析

首先設計五個模型，模型的鋼梁均采用H型鋼，其規(guī)格為H500×300×12×20。模型的鋼管混凝土柱截面尺寸不同，其尺寸采用表1的數(shù)據(jù)。五個模型的層數(shù)均為8層，平面布置圖相同，如圖1所示。

表1 鋼管混凝土柱截面

3.1 模態(tài)分析

對以上五個模型進行模態(tài)分析，表2～表6所列為五個模型前3階振型的振動特性數(shù)據(jù)。

表2 模型SC-1的振動特性

表3 模型SC-2的振動特性

表4 模型SC-3的振動特性

表5 模型SC-4的振動特性

表6 模型SC-5的振動特性

對以上模型分析，得到以下結(jié)論：

1)模型的前兩階振型均以平動為主，以扭轉(zhuǎn)為主的振型出現(xiàn)在第三階，符合結(jié)構(gòu)振動的振型特點。

2)模型的一階自振周期和二階自振周期相差不大，說明在兩個主軸方向結(jié)構(gòu)的動力特性相近；第一自振周期中扭轉(zhuǎn)與平動的比值均小于0.9，則表明扭轉(zhuǎn)不顯著影響結(jié)構(gòu)。

3.2 反應譜法分析

沿Y方向?qū)δＰ洼斎?度多遇地震下的規(guī)范反應譜曲線，對模型進行反應譜法分析。模型的參數(shù)設置：特征周期Tg=0.35 s，周期折減系數(shù)η=0.9，結(jié)構(gòu)的阻尼比ξ=0.04，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16。

3.2.1 結(jié)構(gòu)位移分析

1)SC-1～SC-5的層間位移最大值分別是4.26 mm,4.16 mm,3.91 mm,3.91 mm,3.77 mm，且出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的第三層，第三層層間位移角分別是1/819,1/843,1/897,1/892,1/926，均小于1/550，結(jié)構(gòu)的位移變化均在規(guī)范的允許范圍內(nèi)。

2)直徑相同的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其鋼管壁厚越厚，結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移反應越小。對于鋼管壁厚相等的結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱直徑越大，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移反應越小?？紤]對結(jié)構(gòu)抗震不利的方面，并非鋼管壁厚越小或者鋼管混凝土柱直徑越小越不利。所以鋼管混凝土柱的直徑和壁厚也很重要，這樣結(jié)構(gòu)既能夠很好的抵抗地震作用，還能合理的控制工程造價。

3.2.2 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

在多遇地震作用下，模型的樓層剪力曲線圖見圖4。

分析樓層剪力曲線圖，得出下面結(jié)論：

1)模型的樓層剪力從底層到頂層呈逐漸減小的趨勢，并且底層的樓層剪力最大，表明結(jié)構(gòu)的地震力響應規(guī)律：在地震作用下，樓層剪力從底層到頂層逐漸減小。

2)模型的頂層樓層剪力均小于其余樓層的樓層剪力，并且底層的樓層剪力最大。對比前三個模型同樓層的樓層剪力可以發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)各樓層的樓層剪力隨結(jié)構(gòu)自重的增大而增大。

4 結(jié)語

對鋼管混凝土模型的模態(tài)分析，前兩階振型均為平動，第一扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第三階振型，從轉(zhuǎn)動與平動的周期比可以得出扭轉(zhuǎn)效應對結(jié)構(gòu)的影響不大，結(jié)構(gòu)的整體性能良好。

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行了位移反應和內(nèi)力反應。直徑相同的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱的鋼管壁厚越厚，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移響應越小。對鋼管壁厚相等的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱直徑越大，其結(jié)構(gòu)剛度越大，則位移響應越小。在地震作用下，結(jié)構(gòu)自重越大，結(jié)構(gòu)剛度也越大，其樓層剪力也越大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應越大。

綜上所述，結(jié)構(gòu)抗震性能隨最大水平位移和樓層剪力的變化而變化，樓層最大水平位移越大或者樓層剪力越大，對結(jié)構(gòu)的抗震性能越不利。增大結(jié)構(gòu)的剛度，位移響應變小，但是內(nèi)力響應變大。所以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中柱的直徑和壁厚的選取也很重要，合適的管徑和壁厚使結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應和內(nèi)力響應同時盡可能的小，并且能保證結(jié)構(gòu)的良好抗震性能。