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2024年 第39卷 第1期
2024, 39(1): 1-28.
doi: 10.13206/j.gjgS23071102
摘要
PDF (12767KB)
摘要:
钢管混凝土柱承载力高、抗震性能优越、造价适中，是超高层结构和大型重载结构常用的竖向承重柱形式。方钢管混凝土柱与圆钢管混凝土柱相比，其截面相对开展，具有抗弯刚度大、抗弯承载力高、节点构造简单、加工施工方便、便于建筑空间布置与装修等优点，因此其在实际工程中应用广泛。然而，研究表明方钢管混凝土的组合效应较弱，需在其钢管内采取加劲措施以提升钢管与混凝土之间的组合作用；同时通常还需在方钢管内焊接剪力连接件提高钢管与混凝土界面的纵向剪力传递能力。已有加劲形式可归纳总结为点约束、横向封闭式约束及开放式纵向线约束。在方钢管的两邻边设置斜拉加劲肋(简称斜拉肋)，是近年来新发展起来的高效加劲形式，斜拉肋可实现纵横向连续封闭式约束，同时具有剪力连接件功能。系统总结了斜拉肋加劲钢管混凝土构件、节点及体系的力学性能及设计方法。在构件层面，对柱的轴压、偏压和抗震性能进行了研究，建议了斜拉肋合理构造形式、钢管宽厚比限值、斜拉肋与钢管的厚度匹配关系及轴压比限值，提出了计算斜拉肋加劲钢管混凝土柱截面压弯承载力的修正塑性应力分布方法，揭示了超短柱的受剪机理并建立了抗剪模型及剪力-剪切变形关系。在节点层面，对斜拉肋加劲钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点的轴压及抗震性能进行了研究，明确了节点轴压及受剪机理，建议了节点区合理构造以达到“强节点、弱构件”的要求，提出了考虑轴压比及柱受压区高度影响的修正黏结滑移计算公式，该公式可准确预测节点区梁筋的滑移行为。在体系层面，对斜拉肋加劲钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架进行了静力弹塑性分析、增量动力分析(IDA)及地震易损性分析，明确了体系的屈服机制及抗倒塌机制。研究结果表明，斜拉加劲肋集合了已有的钢管混凝土加劲形式特点，能有效传递界面剪力、约束混凝土、避免或延缓钢管局部屈曲，显著提升了钢管混凝土的承载力、变形能力和抗震性能，具有较大的应用前景。最后列举了斜拉肋加劲钢管混凝土结构的主要工程应用场景，展望了该结构的发展方向和需进一步研究的问题。
钢管混凝土柱承载力高、抗震性能优越、造价适中，是超高层结构和大型重载结构常用的竖向承重柱形式。方钢管混凝土柱与圆钢管混凝土柱相比，其截面相对开展，具有抗弯刚度大、抗弯承载力高、节点构造简单、加工施工方便、便于建筑空间布置与装修等优点，因此其在实际工程中应用广泛。然而，研究表明方钢管混凝土的组合效应较弱，需在其钢管内采取加劲措施以提升钢管与混凝土之间的组合作用；同时通常还需在方钢管内焊接剪力连接件提高钢管与混凝土界面的纵向剪力传递能力。已有加劲形式可归纳总结为点约束、横向封闭式约束及开放式纵向线约束。在方钢管的两邻边设置斜拉加劲肋(简称斜拉肋)，是近年来新发展起来的高效加劲形式，斜拉肋可实现纵横向连续封闭式约束，同时具有剪力连接件功能。系统总结了斜拉肋加劲钢管混凝土构件、节点及体系的力学性能及设计方法。在构件层面，对柱的轴压、偏压和抗震性能进行了研究，建议了斜拉肋合理构造形式、钢管宽厚比限值、斜拉肋与钢管的厚度匹配关系及轴压比限值，提出了计算斜拉肋加劲钢管混凝土柱截面压弯承载力的修正塑性应力分布方法，揭示了超短柱的受剪机理并建立了抗剪模型及剪力-剪切变形关系。在节点层面，对斜拉肋加劲钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点的轴压及抗震性能进行了研究，明确了节点轴压及受剪机理，建议了节点区合理构造以达到“强节点、弱构件”的要求，提出了考虑轴压比及柱受压区高度影响的修正黏结滑移计算公式，该公式可准确预测节点区梁筋的滑移行为。在体系层面，对斜拉肋加劲钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架进行了静力弹塑性分析、增量动力分析(IDA)及地震易损性分析，明确了体系的屈服机制及抗倒塌机制。研究结果表明，斜拉加劲肋集合了已有的钢管混凝土加劲形式特点，能有效传递界面剪力、约束混凝土、避免或延缓钢管局部屈曲，显著提升了钢管混凝土的承载力、变形能力和抗震性能，具有较大的应用前景。最后列举了斜拉肋加劲钢管混凝土结构的主要工程应用场景，展望了该结构的发展方向和需进一步研究的问题。
2024, 39(1): 29-40.
doi: 10.13206/j.gjgS23072801
摘要:
钢管混凝土柱-组合梁加强环节点因性能优异被超高层建筑广泛采用，针对高轴压比方钢管混凝土柱-组合梁加强环节点的抗震性能，开展了有限元研究。在混凝土三轴塑性损伤和钢材混合强化模型基础上，进一步引入钢材的韧性损伤模型，建立了基于试验构件的实体精细有限元模型，通过和试验结果对比，证明了有限元模型能够准确模拟节点的抗震性能和破坏模式，并能较准确模拟加载后期承载力下降段，极限承载力误差均在8%以内；开展了有限元参数分析，考虑了增加钢梁高度“强梁”构造和采用柱端拉筋“强柱”构造，分析了不同参数对节点滞回曲线、骨架曲线、破坏模式和塑性耗能分配与失效机制的影响。分析结果表明：高轴压比下，增加钢梁高度和采用柱端拉筋大幅度提升了节点抗弯承载力和耗能能力，使得组合节点在高轴压比时仍维持梁端失效破坏模式；加强环节点在梁-柱抗弯承载力比介于1.39~2.11时，发生梁耗能向柱耗能的转变； GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中规定梁柱抗弯承载力比取值小于1时为“强柱弱梁”，对于加强环节点该规定较为保守，建议加强环节点的梁柱抗弯承载力比可放大至小于1.3时为“强柱弱梁”。
钢管混凝土柱-组合梁加强环节点因性能优异被超高层建筑广泛采用，针对高轴压比方钢管混凝土柱-组合梁加强环节点的抗震性能，开展了有限元研究。在混凝土三轴塑性损伤和钢材混合强化模型基础上，进一步引入钢材的韧性损伤模型，建立了基于试验构件的实体精细有限元模型，通过和试验结果对比，证明了有限元模型能够准确模拟节点的抗震性能和破坏模式，并能较准确模拟加载后期承载力下降段，极限承载力误差均在8%以内；开展了有限元参数分析，考虑了增加钢梁高度“强梁”构造和采用柱端拉筋“强柱”构造，分析了不同参数对节点滞回曲线、骨架曲线、破坏模式和塑性耗能分配与失效机制的影响。分析结果表明：高轴压比下，增加钢梁高度和采用柱端拉筋大幅度提升了节点抗弯承载力和耗能能力，使得组合节点在高轴压比时仍维持梁端失效破坏模式；加强环节点在梁-柱抗弯承载力比介于1.39~2.11时，发生梁耗能向柱耗能的转变； GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中规定梁柱抗弯承载力比取值小于1时为“强柱弱梁”，对于加强环节点该规定较为保守，建议加强环节点的梁柱抗弯承载力比可放大至小于1.3时为“强柱弱梁”。
2024, 39(1): 41-52.
doi: 10.13206/j.gjgS23083101
摘要:
高轴压比下普通钢管混凝土柱的抗震性能略差，与其他钢管内约束混凝土构造措施相比，横向拉筋构造可高效提升高轴压比下钢管混凝土柱的约束效率和抗震性能。在高轴压比圆形、方形拉筋钢管混凝土抗震性能试验成果的基础上，采用ABAQUS软件建立三维实体有限元精细化计算模型并进行试验验证，随后开展单调加载和滞回加载下拉筋钢管混凝土柱受力性能的参数分析，探讨拉筋对钢管与混凝土界面滑移、应力水平和抗震性能的影响规律。分析结果表明： 1)压弯荷载下钢管和混凝土之间存在界面滑移行为，使得加载过程中钢管和混凝土中性轴高度变化不一致，当滞回加载时混凝土受拉面积大幅度减小，混凝土和钢管中性轴的差异愈发增大，相对滑移更大，最终混凝土全截面受压而钢管抗弯； 2)当钢管用钢量保持不变而端部布置拉筋算例后，钢管和混凝土中性轴的差异减小，钢管和混凝土之间界面滑移减小使得抗弯刚度提升10%，拉筋由于直接约束混凝土，使得钢管纵向拉应力和混凝土纵向压应力水平都得以提升且应力水平更均匀，以及钢管受拉区面积增大而混凝土受压区面积减小，导致钢管截面受压区高度降低从而极限承载力提升20%~50%； 3)滞回加载下拉筋有效提升钢管混凝土柱的抗震性能，当钢管混凝土柱整体用钢量保持不变时，高轴压比钢管混凝土柱的刚度可维持不变，承载力提升10%~20%，耗能能力提升2倍，钢管和拉筋约束混凝土而耗能提升约1倍，使得钢管受压区高度降低导致构件转动能力大幅度提升，钢管塑性耗能能力得以充分发挥，因此钢管耗能提升约3倍。
高轴压比下普通钢管混凝土柱的抗震性能略差，与其他钢管内约束混凝土构造措施相比，横向拉筋构造可高效提升高轴压比下钢管混凝土柱的约束效率和抗震性能。在高轴压比圆形、方形拉筋钢管混凝土抗震性能试验成果的基础上，采用ABAQUS软件建立三维实体有限元精细化计算模型并进行试验验证，随后开展单调加载和滞回加载下拉筋钢管混凝土柱受力性能的参数分析，探讨拉筋对钢管与混凝土界面滑移、应力水平和抗震性能的影响规律。分析结果表明： 1)压弯荷载下钢管和混凝土之间存在界面滑移行为，使得加载过程中钢管和混凝土中性轴高度变化不一致，当滞回加载时混凝土受拉面积大幅度减小，混凝土和钢管中性轴的差异愈发增大，相对滑移更大，最终混凝土全截面受压而钢管抗弯； 2)当钢管用钢量保持不变而端部布置拉筋算例后，钢管和混凝土中性轴的差异减小，钢管和混凝土之间界面滑移减小使得抗弯刚度提升10%，拉筋由于直接约束混凝土，使得钢管纵向拉应力和混凝土纵向压应力水平都得以提升且应力水平更均匀，以及钢管受拉区面积增大而混凝土受压区面积减小，导致钢管截面受压区高度降低从而极限承载力提升20%~50%； 3)滞回加载下拉筋有效提升钢管混凝土柱的抗震性能，当钢管混凝土柱整体用钢量保持不变时，高轴压比钢管混凝土柱的刚度可维持不变，承载力提升10%~20%，耗能能力提升2倍，钢管和拉筋约束混凝土而耗能提升约1倍，使得钢管受压区高度降低导致构件转动能力大幅度提升，钢管塑性耗能能力得以充分发挥，因此钢管耗能提升约3倍。
2024, 39(1): 53-67.
doi: 10.13206/j.gjgS23063003
摘要:
强震下传统钢筋混凝土桥墩抗震性能不足，而钢管混凝土具有更好的抗震性能。钢管混凝土墩在公路、高速公路、城市快速路和高速铁路等领域具有广阔的应用前景，近年来在桥梁结构中逐步推广应用。为提高桥墩的抗震韧性，结合当前各类桥墩抗震研究现状，对方形截面钢筋混凝土墩、部分填充钢管混凝土墩、钢管混凝土墩以及端部拉筋钢管混凝土墩的极限抗震能力进行对比研究，并对钢筋混凝土、部分填充钢管混凝土、钢管混凝土与端部拉筋钢管混凝土墩的足尺有限元模型进行地震弹塑性和塑性大变形时程分析，探讨不同类型桥墩的抗震极限性能及其适用范围。分析中采用有限元软件ABAQUS建立实体-壳精细化有限元模型，模型中混凝土应力-应变关系采用参数确定性的混凝土三轴塑性-损伤模型，并引入裂缝插入技术；钢材应力-应变关系采用混合强化与韧性损伤模型，用已有单向拟静力、单向拟动力、双向拟动力和振动台加载下的钢筋混凝土、部分填充钢管混凝土、钢管混凝土与端部拉筋钢管混凝土桥墩抗震性能试验成果对有限元模型进行验证，最后采用位移响应、累积耗能和刚度损伤三个评价指标对相同造价下各类桥墩在不同地震动强度下的抗震韧性进行评价。分析结果表明： 1)上述墩柱实体-壳精细化有限元模型弹塑性和塑性大变形抗震计算方法合理反映了循环荷载下钢管混凝土桥墩的滞回曲线“捏拢”效应、塑性大变形阶段承载力退化现象以及动荷载作用下的位移响应； 2)当桥梁设防烈度要求为6~7度时，建议选用钢筋混凝土桥墩；当桥梁设防烈度要求为8度时，建议选用钢管混凝土桥墩；当桥梁设防烈度要求为9度及以上时，建议选用端部拉筋钢管混凝土桥墩。
强震下传统钢筋混凝土桥墩抗震性能不足，而钢管混凝土具有更好的抗震性能。钢管混凝土墩在公路、高速公路、城市快速路和高速铁路等领域具有广阔的应用前景，近年来在桥梁结构中逐步推广应用。为提高桥墩的抗震韧性，结合当前各类桥墩抗震研究现状，对方形截面钢筋混凝土墩、部分填充钢管混凝土墩、钢管混凝土墩以及端部拉筋钢管混凝土墩的极限抗震能力进行对比研究，并对钢筋混凝土、部分填充钢管混凝土、钢管混凝土与端部拉筋钢管混凝土墩的足尺有限元模型进行地震弹塑性和塑性大变形时程分析，探讨不同类型桥墩的抗震极限性能及其适用范围。分析中采用有限元软件ABAQUS建立实体-壳精细化有限元模型，模型中混凝土应力-应变关系采用参数确定性的混凝土三轴塑性-损伤模型，并引入裂缝插入技术；钢材应力-应变关系采用混合强化与韧性损伤模型，用已有单向拟静力、单向拟动力、双向拟动力和振动台加载下的钢筋混凝土、部分填充钢管混凝土、钢管混凝土与端部拉筋钢管混凝土桥墩抗震性能试验成果对有限元模型进行验证，最后采用位移响应、累积耗能和刚度损伤三个评价指标对相同造价下各类桥墩在不同地震动强度下的抗震韧性进行评价。分析结果表明： 1)上述墩柱实体-壳精细化有限元模型弹塑性和塑性大变形抗震计算方法合理反映了循环荷载下钢管混凝土桥墩的滞回曲线“捏拢”效应、塑性大变形阶段承载力退化现象以及动荷载作用下的位移响应； 2)当桥梁设防烈度要求为6~7度时，建议选用钢筋混凝土桥墩；当桥梁设防烈度要求为8度时，建议选用钢管混凝土桥墩；当桥梁设防烈度要求为9度及以上时，建议选用端部拉筋钢管混凝土桥墩。
2024, 39(1): 68-70.
doi: 10.3724/j.gjgS23082020
摘要:
介绍了方钢管混凝土轴压杆受力过程中的围压分布和壁板弯矩及其极限状态的塑性铰线，计算了平均围压，按照圆钢管混凝土极限状态产生相同围压的要求围压计算了对应的径厚比，得到了方钢管的套箍效应等效系数，并将其与试验结果进行对比，提出的公式能够反映试验结果的平均值。同时对壁板之间何时必须采用全熔透焊缝也给出了说明。
介绍了方钢管混凝土轴压杆受力过程中的围压分布和壁板弯矩及其极限状态的塑性铰线，计算了平均围压，按照圆钢管混凝土极限状态产生相同围压的要求围压计算了对应的径厚比，得到了方钢管的套箍效应等效系数，并将其与试验结果进行对比，提出的公式能够反映试验结果的平均值。同时对壁板之间何时必须采用全熔透焊缝也给出了说明。
