钢骨混凝土异形截面柱抗震承载力分析
河北工程大学土木工程学院
2013年5月15日
摘要
型钢混凝土异形柱结构是异形柱结构和型钢混凝土结构相结合产生的一种新型结构体系，
它不仅具有异形柱结构柱楞在室内不凸出、少占建筑空间、美观适用等优点，还保持了型钢混凝土结构承载能力高、抗震性能好等优越性。课题组前期己经对型钢混凝土异形柱及其框架节点的基本受力行为及抗震性能进行了研究，本文在此基础上对型钢混凝土异形柱框架的抗震性能及设计方法进行系统研究。
设计了两跨三层的型钢混凝土异形柱框架，分别为空腹式配钢的异形柱中框架、实腹式配钢的异形柱边框架和实腹式配钢的异形柱中框架。通过对其进行低周反复加载试验，观察了型钢混凝土异形柱框架的受力过程和破坏形态，获得了型钢应变的分布、荷载一位移滞回曲线和骨架曲线，分析了其承载力、层间位移角、延性、耗能能力、刚度退化等力学性能。结果表明:型钢混凝土异形柱框架破坏时形成梁铰机制，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求;滞回曲线饱满对称，延性和耗能能力均优于钢筋混凝土异形柱框架。基于试验结果，提出了型钢混凝土异形柱框架的三折线恢复力模型。
将基于位移的抗震设计理论应用于型钢混凝土异形柱框架，结合其结构特点 给出了设计步骤，并以8层框架为例，具体说明了设计过程。同时，通过总结分 析给出了型钢混凝土异形柱框架的构件截面设计方法。 关键词:钢骨混凝土;异形截面柱;抗震性能;轴压比;含钢率
河北工程大学土木工程学院毕业设计说明书 2013年
Abstract
Steel reinforced concrete (SRC) special-shaped column structure is a new structuralsystem, which
is the combination of special-shaped column structure and SRC structure.It not only makes better use of available space and improves the esthetic appearance ofstructure, but also has high strength and good seismic performance. The basic mechanicalbehavior and seismic performance of SRC special-shaped column and beam-column jointhave been studied. Based on the previous studies, the research on seismic performanceand design method of SRC frame with special-shaped columns is systematicallyperformed in this dissertation.
According to the experimental study on two-bay and three-story framecomposed of reinforced concrete beams and SRC special-shaped columns under lowcyclic reversed loading, the failure process and pattern were observed. The straindistribution of shaped steel, load-displacement hysteretic loops and skeleton curves wereobtained. The mechanical behaviors such as load bearing capacity, inter-story drift ratio,ductile, energy dissipation and stiffness degradation were analyzed. The results show thatthe SRC frame with special-shaped columns is a typical strong column and weak beamstructure, and can form the beam-hinged failure mechanism. The hysteretic loops aresymmetric and plump. Compared with the reinforced concrete frame with special-shapedcolumns, the ductile and energy dissipation are better. Based on the experimental results,the restoring force model of SRC frame with special-shaped columns is presented.
Performance-based seismic design theory is applied to the SRC frame withspecial-shaped columns.Against the structural characteristic,the design procedure isgiven,and taking eight-story frame as an example,the design process is demonstrated.Besides,the design methods of member section of SRC frames with special-shapedcolumns are proposed by generalization and analysis. Key Words:steel ratioSRC; special-shaped column; seismic behavior; axial pressure ratio
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钢骨混凝土异形截面柱抗震承载力分析
河北工程大学土木工程学院工程力学专业
第0章 绪论
0.1引言
钢骨混凝土结构(Steel Reinforced Concrete)指的是在普通钢筋混凝土结构中配置钢骨的组合结构体系。钢骨混凝土结构是日本的叫法，在英美等国家称之为组合结构(Composite Structures)或混凝土与型钢混合结构(Steel EncasedConcrete，在苏联称之为劲性钢筋混凝土结构
【1]
。在钢骨混凝土结构中，钢骨可分为实腹式和空腹式两种。配置空腹式钢骨的构件，
[2]
[1]
其受力性能和计算方法与普通钢筋混凝土基本相似。配置实腹式钢骨的构件较配置空腹式钢骨的构件制作简便、承载力大且延性好;实腹式钢骨应用比较广泛
研究表明，在配置一定构造要求柔性钢筋的情况下，钢骨混凝土结构中钢和混凝土能协同工作，直至达到极限承载力;钢骨混凝土结构综合了钢结构和钢筋混凝土结构二者的优点。与钢结构相比，它具有比较大的刚度和阻尼，有利于控制结构的变形;外包混凝土可以起到防止钢骨腐蚀和提高结构耐火性能的作用;外包混凝土也可以防止钢骨局部屈曲，使钢骨强度得到充分利用，节约钢材。同钢筋混凝土结构相比，钢骨提高了结构的承载力和延性，有利于减小构件截面尺寸，有利于结构抗震;钢骨混凝土中钢骨在混凝土浇灌前己形成可独立承载的结构体系，可承受施工活荷载和结构自重，无需设置临时支撑，在多高层建筑中不必等待混凝土达到一定强度后再施工，可缩短建设工期
[2][48]
钢骨混凝土结构也经受了地震的考验。1978年6月，在日本仙台市发生了地震，当时仙台市有约300栋钢骨混凝土结构的建筑。地震中，虽然有钢骨混凝土柱产生了剪切斜裂缝，但总的说来，主体结构没有受到大的损害;与此形成鲜明对照的是，许多钢结构和钢筋混凝土结构遭到了严重破坏。1995年1月在日本大阪神户发生的地震，烈度约相当于我国的10度，本次地震主要表现为竖向地震。在这次地震中，钢筋混凝土框架结构破坏相当严重，主要表现为钢筋混凝土柱子压碎，柱中钢筋屈服;其中装配式钢筋混凝土板结构有90%以上破坏，主要由于焊接点拉开;砖石结构倒塌较多。对于这次带有很强冲击性的地震，钢骨混凝土结构破坏情况是轻微的
[3][49]
[4]
钢骨混凝土结构有很多优点，被公认为抗震防火的最佳结构，因此得到了广泛应用。例如，在日本，钢骨混凝土结构是与钢结构、木结构、钢筋混凝土结构并列的四大结构之一。日本在1950年公布了建筑基本法，作为行政指导法规，要求6层以上建筑采用钢骨混凝土结构，1953年要求7层以上，1970年要求8层以上建筑采用钢骨混凝土结构。1978-1980年间所建造的lO-15层高层建筑平均每年约970栋，其中钢骨混凝土结构约890栋，占总数的90% } 16层以上的高层建筑中，钢骨混凝土结构占总数的50%左右，既使在钢结构的高层建筑中，其底部1-5层也多采用钢骨混凝土结构
[4]
[3]
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欧美大约一个世纪前就在钢筋混凝土技术中使用了钢骨混凝土结构
苏联在二次世界大战后的恢复工作中，在工业厂房中大量使用钢骨混凝土结构。
我国在50年代从苏联引入了钢骨混凝土结构，但当时只限于工业厂房等特殊用途。60年代因为钢材紧缺，停止了钢骨混凝土结构的使用。80年代后，随着建筑业的蓬勃发展，钢骨 混凝土结构得到了广泛应用
[8]
[6] [47]
[5]
[4]
;如北京国际贸易中心、京广中心、北京财富中心、昆明五
[9]
[10]
[7]
华广场、武汉国际会展中心主楼上海新世界大厦、兰州中广大厦结构。另外，钢骨混凝土结构也应用在地铁建设中
【11]
等均采用了钢骨混凝土
。
0.2钢骨混凝土结构的研究
下面分别介绍钢骨混凝土结构在几个主要国家的研究状况。 日本
在试验研究的基础上，日本于1958年制定了第一部钢骨混凝土结构规范《钢骨钢筋混土计算标准及其说明》，此规范的最大特点是在承载力计算方面采用了强度叠加理论
[12]
。该计算
理论是由结构塑性极限分析的下限定理推导出的:对钢骨混凝土柱，轴力N给定，在满足轴力平衡方程的条件下，任意分配钢骨部分和钢筋混凝土部分承担的轴力，并分别求得相应各部分的受弯承载力，两部分受弯承载力之和的最大值，即为钢骨混凝土柱在该轴力下的受弯承载力
【13]
1963年对《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》作了第一次修订，修订后的内容与初版基本相同，只是对有关剪力计算条文给出了具体的计算公式，在柱子部分的说明中给出了钢骨与钢筋为非对称配置时的叠加强度计算公式算方法
[12]
【15]
;并增加了轻骨料混凝土内容
【12]
1975年对《钢骨钢筋混凝土计算标准及其说明》进行了第二次修订，引入了强剪弱弯计
，修订的目的是为了确保钢骨混凝土结构的延性。这是因为日本研究人员1968年发
[14}
生的十胜冲大地震中发现延性对结构抗震有重要意义。修订后的规范要求停止使用缺乏延性的格子型钢骨的钢骨混凝土构件，建议使用析架形式和实腹式钢骨
。1978年在仙台宫城县发
【12]
生的强烈地震中，许多钢骨混凝土高层建筑只有微弱的损害，证明了该规范的可靠性了第三次修订，加入了钢管混凝土部分承载力的验算
【12]
【14]
1981年日本制定了新的抗震设计法。依据新的抗震设计法，对钢骨混凝土结构规范进行
。规定使用钢骨混凝土结构的建筑物必须进行水平
[12]
1987年日本出版了钢骨混凝土结构设计规范第三版(au- sRC}，此规范增加了水平承载力
验算的条款，并给出了梁柱节点、连接、柱脚及剪力墙等的计算公式
由于日本是个地震多，地震强度大的国家，由地震荷载产生的设计水平力较大，因此日本建筑中使用的柱通常是短粗的，也很少研究细长柱。日本设计指南中规定对长细比超过50的柱子，将设计弯矩和轴力乘以增大系数。计算钢骨混凝土长柱强度同样采用叠加强度理论
【15]
。
欧美
欧美最先使用钢骨混凝土结构，但当时只是为了提高钢结构的耐火性能和抗腐蚀性能，没有考虑外包混凝土对结构、构件强度和刚度的影响，采用钢结构的设计方法计算。
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60年代初，英国改进了钢骨混凝土柱设计方法。在欧美各国，由于建筑中使用的柱子一般较细长，其研究也更多关注于细长柱的稳定性
【14]
。Bondnal在做了一系列试验后，提出了描
述工作性能的强度理论，Basu进行了设计方法的广泛研究，在对不同截面、不同长细比的钢骨混凝土柱进行大量试验的基础上，发现这些柱子的性能可通过三个参数k1,k2,k3来实现，如图0.2-1所示
[6]
1969年Basu和Somervill发表了以伯理一罗伯特逊的屈曲曲线为基础的设计方法，这种
设计方法成为现代设计方法的基础。Virdi和Dowilling借助设计曲线和大量钢骨混凝土柱的理论分析以及一百多根柱的破坏试验结果，证明了利用纯钢柱的欧洲曲线并引入新长细比定义的方法，来计算钢骨混凝土柱的轴向破坏荷载是行之有效的。这种方法不仅提高了设计精度而且还证明了钢骨混凝土柱和钢柱的内在联系。对于偏压柱采用特定系数表示的直线和抛物线逼近柱子的M-N相关曲线，根据这些特定系数确定柱子截面强度
[6]
欧共体12国组合结构(Composite Steel and Concrete Structure)标准EUROCODE4假定型钢与混凝土完全交互作用，构件截面仅有一个对称轴，将型钢与混凝土均按矩形应力块理论考虑，采用极限强度设计方法设计
【12]
在1989年的美国钢筋混凝土设计规范ACI中，将钢骨视为等值的钢筋，然后再以钢筋混凝土结构的设计方法进行钢骨混凝土构件设计，这种方法的优点在于考虑了构件的“变形协调”和“内力平衡”，但没有考虑型钢材料本身的残余应力和初始位移。在1993年的钢结构设计规范AISC-LRFD中，采用极限强度设计法来设计钢骨混凝土结构，将钢筋混凝土部分转换为等值钢骨，再以纯钢结构的设计方法进行组合结构设计，并考虑了残余应力和初始位移。此方法最突出的优点是计算简便 苏联
苏联钢骨混凝土结构应用研究比欧美和口本晚，1951年电子建设部颁布了以极限强度理论为基础的钢骨混凝土结构设计规范，认为钢骨与混凝土完全共同工作，并认为在极限荷载下，钢骨是完全屈服的。计算时将钢骨混凝土截面中的钢骨离散为等效的钢筋，然后按钢筋混
[12]