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浅谈钢管混凝土在抗震工程中的应用
摘要：简要介绍了钢管混凝土的特点和发展史，针对前人已研究的成果，综述了不同截面、不同空心率、不同结构下的钢管混凝土构件的抗震性能，为钢管混凝土在实际抗震工程中的运用提供了参考建议。
关键词：钢管混凝土;抗震性能;耗能能力
0 引 言
钢管混凝土构件是在钢管内填充混凝土。随着高层、超高大跨度建筑的需要，钢管混凝土结构凭着承载力高、造价低、施工方便、抗震性好等优越的条件被广泛应用，很多研究者做了很多关于钢管混凝土的抗震性能分析和研究，取得了很大的成果，并在抗震工程中得到广泛应用。
1 钢管混凝土的特点
钢管在纵向轴心压力作用下，属于异号应力场，其纵向抗压强度将下降，小于单向受压时的屈服应力，同时钢管是薄钢管，单向受压时，承载力受管壁局部缺陷的影响很大，远远低于理论临界应力计算值;对于混凝土，强度低，截面大，随着混凝土强度增大脆性增加，而混凝土抗拉性比较差[1]。
钢管混凝土是新型结构[2]，正好弥补了两者的缺点，在钢管混凝土构件在纵向轴心压力作用下，由于混凝土的密贴，保证了钢管不会发生屈曲，可以使这算应力达到钢材的屈服强度[3]，使钢材的强度承载力得以充分发挥;对于混凝土，混凝土不仅受到纵向压力，还有受到钢管的紧箍力，使混凝土三向受压，使混凝土纵向抗压强度提高，弹性模量也得到提高，塑性增加。
钢管和混凝土的共同作用下，使得钢管混凝土构件有以下特点：
(1)构件承载力大大提高。1976年哈尔滨锅炉厂做了一次简单的对比试验，得到钢管混凝土柱轴心受压下承载力是空钢管和管内径素混凝土柱之和的173%。
(2)良好的塑性和韧性。这种新结构在承受冲击荷载和振动荷载时，有很大的韧性，所以抗震性能比较好。
(3)造价低, 从很多实际工程可以看到，钢管混凝土柱与普通钢筋混凝土柱相比，节约混凝土50%以上，结构自重减轻50%左右，钢材用量相等或略高，不需要模板。与钢结构相比，可减少钢材50%左右。
(4)施工简单，可以缩短工期。
2 钢管混凝土结构的发展史
钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上发展起来的。
在19世纪60年代前后，钢管混凝土结构在苏联、北美、西欧和日本等发达国家得到重视，并开展了大量的试验研究，但是施工工艺得不到解决。
在19世纪80年代后期，由于先进的泵灌混凝土工艺的发展，解决了施工工艺的问题。如1879年英国的Severn铁路桥的建造采用钢管桥墩，在管内灌了混凝土防止内部锈蚀并承受压力。
1923年，日本关西大地震后，人们发现钢管混凝土结构在这次地震中的破坏并不明显，所以在以后的建筑，尤其是多高层建筑中大量应用了钢管混凝土。1995年阪神地震后，钢管混凝土更显示了其优越的抗震性能。
钢管混凝土在我国的发展：20世纪60年代中期，钢管混凝土引入我国。1966年北京地铁车站工程中应用了钢管混凝土柱。在70年代厂房和重型构架也应用了钢管混凝土柱;80年代后，我国开展了科学试验研究，得到了结构的计算理论和设计方法[4]。
现阶段我国对钢管混凝土性能的研究：圆形、多边形和方形、实心与空心、轴心受压与偏心受压构件的强度和稳定;压弯扭剪复杂应力状态下构件的强度和稳定;抗震性能与抗火性能以及施工时初应力的影响等。而且取得了很大的科研成果。
3 综述前人已研究的钢管混凝土抗震性能
3.1钢管混凝土构件根据截面形状可以分为方形、矩形、多边形及圆形截面钢管混凝土构件。
国外Shinji 和 Yamazaki 等[5]对受变化的轴力和往复水平荷载作用下的方钢管混凝土柱的受力性能和位移进行研究;Amit[6]做了高强方钢管混凝土柱抗震性能的试验研究，分别分析了高强混凝土和高强混凝土对构件滞回性能的影响;Kang 和 Moon[7]考察了方钢管混凝土柱恒轴力在低周反复荷载和单调荷载作用下构件的承载能力和耗能能力，得到方钢管高强混凝土柱滞回曲线饱满，即使在高轴压比的情况下，都没有明显的捏缩现象;试件有较好的耗能能力，位移延性系数均大于 3[8]。方钢管高强混凝土柱与普通方钢管混凝土柱[8]相比，有较高的弹性刚度和极限荷载;与高强混凝土柱[10]相比，有良好的耗能能力和更小的强度退化;与纯钢柱比，有良好的抗失稳能力。
苏献祥的矩形钢管混凝土柱在循环荷载作用下的性能研究中得到矩形钢管混凝土柱承载力高，变形能力强，有较稳定的后期承载力，延性系数在6.89～11.53[11]之间，满足延性柱的抗震要求，矩形钢管混凝土柱的滞回曲线饱满，没有明显的“捏缩”现象，耗能能力强，具有良好的抗震性能。
随着边数越多，钢管混凝土构建的组合性能越好，产生的紧箍力增大，承载力增大，塑性增强，承载力是抗震重要指标之一，因此圆形钢管混凝土具有较好的抗震性能。
矩形钢管混凝土柱与梁节点构造简单、连接方便，还能有效提高构件的延性及有利于防火、抗火等特点，最重要的是矩形截面存在刚度的强轴和弱轴，它可以按要求提高强轴方向的刚度，而弱轴方向刚度基本不变，从而提高截面整体效果;但是矩形各边不相等所以受到的紧箍力不同，不如方形截面受紧箍力相等。圆钢管混凝土构件的钢管对核心混凝上起到了有效的约束，使混凝土的强度得到了提高，塑性和韧性大为改善。截面选择时应该根据实际情况抓住主要的矛盾。
3.2钢管混凝土在房建中用于框架结构、框架剪力墙、剪力墙及筒体结构中。
Kim和 Bradford[12-13]指出钢筋混凝土框架结构抗侧刚度较小,为了使结构既具有较高的抗侧刚度，又有较好的耗能性能和承载力。有钢管混凝土框架结构抗震性能试验研究[14]得出此实验的P一△滞回曲线均呈现出饱满的棱形，充分表明钢管混凝土框架的耗能能力强和延性好。在破坏阶段，梁出现屈服甚至屈曲，得到钢管混凝土柱的抗倾刚度及塑性很好，整个结构的P一△曲线无下降段，具有较强的变形能力。
为减小高层建筑底部剪力墙的厚度，减缓箍筋的密集程度，提高剪力墙的抗震能力，可以采用钢管混凝土剪力墙结构，有试验[15]表明钢管混凝土剪力墙试件的开裂荷载、名义屈服荷载和弹塑性变形能力都大于相同参数的钢筋混凝土剪力墙试件，而且约束边缘构件为端柱的钢管混凝土剪力墙，其变形能力大于约束边缘构件为暗柱的矩形截面钢管混凝土剪力墙。
钢管混凝土减震框架结构在地震中消耗的地震能量相对较小，而钢管混凝土减震框架结构(三重钢管防屈曲支撑)具有与钢管混凝土框架剪力墙结构相当的承载力，并在变形能力延性和耗能能力等方面均有明显的提高，对刚度退化和强度退化也有明显的缓解，具有更合理的受力性能和破坏机制，新型三重钢管防屈曲支撑起到良好的耗能减震作用，有效地改善钢管混凝土框架的抗震性能[16]。
基于性能的钢管混凝土空间筒体结构试验[17]中得出此结构在Y向罕遇地震作用下，单侧支撑屈服，表明对于Y轴不对称的布置，对结构扭转影响显著;结构在X向罕遇地震作用下，个别重要构件钢管混凝土柱进入边缘屈服状态，少数支撑和钢梁边缘屈服，Y向罕遇地震作用下，偏心扭转相对较小，几乎不进入屈服状态，2个方向的层间位移角均小于1/50的要求，但是结构抗震能力完全达到了性能目标D的水准，接近c的水准[18]，得出钢管混凝土空间结构在X向罕遇地震下注意重要构件的强度和延性要求，在Y向罕遇地震作用下注意结构布置对称，避免偏心对结构的扭转作用，只要布置合理抗震性能还是比较强的。
为了改善钢管混凝土框架结构的受力性能，通常在钢管混凝土框架中设置支撑[19-20]来提高结构的抗侧刚度，但是在大震作用下，支撑有可能会出现失稳，可以通设置剪力墙来提高抗侧刚度，但剪力墙与钢管混凝土框架的协同工作以及大震作用下钢管混凝土框架能否成为第二道防线这些都有待研究。
3.3 钢管混凝土可以根据钢管内是否充满混凝土分为实心钢管混凝土与空心钢管混凝土。
实心钢管混凝土结构会使结构自重加大，地震作用下影响效应加大，但是要根据具体工程实际的截面尺寸和承载力来决定是否采用实心钢管混凝土。
诺丁汉特伦特大学的 Y.L. Song 等进行了一组纯空心混凝土短柱与空心钢管混凝土短柱的轴压试验，试验结果表明纯空心混凝土短柱的破坏表现为非常明显的脆性破坏，而空心钢管混凝土短柱则表现出了较好的延性，其承载力几乎比纯空心混凝土短柱提高了50%[21-22]。
K.A.S. Susantha、Hanbin Ge 等人分析了作用在圆形、八边形和方形钢管混凝土柱内填混凝土上的侧压力，指出平均侧压力极值与柱的材料和几何特性有关，研究了各种截面形状的钢管混凝土柱的后期工作性能，对于混凝土强度和后期工作性能，试验结果与计算结果都吻合良好[23]。
方形空心钢管混凝土不适合应用于需要抗震设防的建筑结构中;而圆形截面的空心钢管混凝土，对于不同空心率的构件，控制适当轴压比的限制，能够满足《实、空心钢管混凝土结构设计规程(CECS 254-2011)》中要求的结构分析参数限值。为了满足抗震的要求，规程中关于空心钢管混凝土柱设计轴压比限值给了太大，应当作适当的修正，建议空心钢管混凝土设计轴压比大些，可通过计算满足，此时构件具有较好的抗震性能;轴压比、空心率及截面形式都是影响空心钢管混凝土压弯构件滞回性能的重要参数。其影响为：轴压比越大，滞回环小而且扁瘦，耗能能力越差，强度退化越剧烈，刚度退化越快，对构件初始刚度影响不大，水平极限承载力有先增大后减小趋势，延性减小;空心率越大，滞回环小且扁瘦，耗能能力越差，强度退化剧烈，刚度退化快，构件初始刚度减小，水平极限承载力下降，延性越差;相比于等效面积相同的方形截面构件，由于圆形截面空心钢管混凝土中的钢管和混凝土的组合性能比较强，在压弯作用下，耗能能力更强，强度退化和刚度退化不明显，初始刚度和水平极限承载力增大，且延性较好。
3.4 新型钢管混凝土抗震性能
蔡克铨和林敏郎进行了圆中空夹层钢管混凝土柱抗震性能的试验研究[24]，表明径厚比为150和75的圆中空夹层钢管混凝土柱的峰值应变约为无约束混凝土的1.6～2.3倍，这说明混凝土受到了很大的约束，混凝土三向受压使混凝土延性增加，使得破坏过程减缓。中空夹层钢管混凝土柱的复合弹性模量为实心钢管混凝土柱的1.5倍以上，这说明中空夹层钢管混凝土有较高的复合弹性模量，有较高的轴向刚度。还有即使设计的中空夹层钢管混凝土柱的轴向强度低于实心钢管混凝土柱，但是抗弯能力却比实心钢管混凝土强。
在钢筋混凝土柱的截面中部设置圆钢管的柱,或由截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土组合而成的柱,称为钢管混凝土组合柱,简称组合柱;若钢管内外混凝土不同期浇筑,则称为钢管混凝土叠合柱,简称叠合柱。钱稼茹、康洪震开展了对钢管高强混凝土组合柱抗震性能试验研究，其试验得到试件的滞回曲线饱满,位移延性系数都大于4,极限位移角都大于1/40,耗能能力和极限位移角大于参数相近的高强混凝土柱[25]。可以根据地区抗震等级选择是否采用这种组合柱，使其满足抗震要求，同时减少资源的浪费。
4 结束语
钢管混凝土结构与相同参数下钢筋混凝土柱相比有较好的承载力和塑性，因此具有较好的抗震性能。在选择钢管混凝土的截面形式时要根据结构的需要，若设计部位其中一个方向轴向刚度较大，而地区地震作用不大可以选择矩形截面;若地震作用较大时，各方向轴向刚度相差不大的情况下，可以选择圆钢管混凝土。对于空心率下抗震性能要根据计算，然后选择反复荷载下承载力高和钢管与混凝土组合性能比较好的空心率。充分利用已研究的钢管混凝土抗震性能设计方法，计算和验算新型钢管混凝土构件是否可以既节省造价又安全可靠。
5 参考文献
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