關(guān)于土木工程畢業(yè)論文

　　關(guān)于土木工程畢業(yè)論文篇2

　　淺談鋼管混凝土在抗震工程中的應(yīng)用

　　摘要：簡(jiǎn)要介紹了鋼管混凝土的特點(diǎn)和發(fā)展史，針對(duì)前人已研究的成果，綜述了不同截面、不同空心率、不同結(jié)構(gòu)下的鋼管混凝土構(gòu)件的抗震性能，為鋼管混凝土在實(shí)際抗震工程中的運(yùn)用提供了參考建議。

　　關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;抗震性能;耗能能力

　　0 引 言

　　鋼管混凝土構(gòu)件是在鋼管內(nèi)填充混凝土。隨著高層、超高大跨度建筑的需要，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑著承載力高、造價(jià)低、施工方便、抗震性好等優(yōu)越的條件被廣泛應(yīng)用，很多研究者做了很多關(guān)于鋼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廣泛應(yīng)用。

　　1 鋼管混凝土的特點(diǎn)

　　鋼管在縱向軸心壓力作用下，屬于異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)，其縱向抗壓強(qiáng)度將下降，小于單向受壓時(shí)的屈服應(yīng)力，同時(shí)鋼管是薄鋼管，單向受壓時(shí)，承載力受管壁局部缺陷的影響很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論臨界應(yīng)力計(jì)算值;對(duì)于混凝土，強(qiáng)度低，截面大，隨著混凝土強(qiáng)度增大脆性增加，而混凝土抗拉性比較差[1]。

　　鋼管混凝土是新型結(jié)構(gòu)[2]，正好彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，在鋼管混凝土構(gòu)件在縱向軸心壓力作用下，由于混凝土的密貼，保證了鋼管不會(huì)發(fā)生屈曲，可以使這算應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度[3]，使鋼材的強(qiáng)度承載力得以充分發(fā)揮;對(duì)于混凝土，混凝土不僅受到縱向壓力，還有受到鋼管的緊箍力，使混凝土三向受壓，使混凝土縱向抗壓強(qiáng)度提高，彈性模量也得到提高，塑性增加。

　　鋼管和混凝土共同作用下，使得鋼管混凝土構(gòu)件有以下特點(diǎn)：

　　(1)構(gòu)件承載力大大提高。1976年哈爾濱鍋爐廠(chǎng)做了一次簡(jiǎn)單的對(duì)比試驗(yàn)，得到鋼管混凝土柱軸心受壓下承載力是空鋼管和管內(nèi)徑素混凝土柱之和的173%。

　　(2)良好的塑性和韌性。這種新結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載時(shí)，有很大的韌性，所以抗震性能比較好。

　　(3)造價(jià)低, 從很多實(shí)際工程可以看到，鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱相比，節(jié)約混凝土50%以上，結(jié)構(gòu)自重減輕50%左右，鋼材用量相等或略高，不需要模板。與鋼結(jié)構(gòu)相比，可減少鋼材50%左右。

　　(4)施工簡(jiǎn)單，可以縮短工期。

　　2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展史

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、螺旋配筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

　　在19世紀(jì)60年代前后，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在蘇聯(lián)、北美、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到重視，并開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，但是施工工藝得不到解決。

　　在19世紀(jì)80年代后期，由于先進(jìn)的泵灌混凝土工藝的發(fā)展，解決了施工工藝的問(wèn)題。如1879年英國(guó)的Severn鐵路橋的建造采用鋼管橋墩，在管內(nèi)灌了混凝土防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。

　　1923年，日本關(guān)西大地震后，人們發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在這次地震中的破壞并不明顯，所以在以后的建筑，尤其是多高層建筑中大量應(yīng)用了鋼管混凝土。1995年阪神地震后，鋼管混凝土更顯示了其優(yōu)越的抗震性能。

　　鋼管混凝土在我國(guó)的發(fā)展：20世紀(jì)60年代中期，鋼管混凝土引入我國(guó)。1966年北京地鐵車(chē)站工程中應(yīng)用了鋼管混凝土柱。在70年代廠(chǎng)房和重型構(gòu)架也應(yīng)用了鋼管混凝土柱;80年代后，我國(guó)開(kāi)展了科學(xué)試驗(yàn)研究，得到了結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法[4]。

　　現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)鋼管混凝土性能的研究：圓形、多邊形和方形、實(shí)心與空心、軸心受壓與偏心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定;壓彎扭剪復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定;抗震性能與抗火性能以及施工時(shí)初應(yīng)力的影響等。而且取得了很大的科研成果。

　　3 綜述前人已研究的鋼管混凝土抗震性能

　　3.1鋼管混凝土構(gòu)件根據(jù)截面形狀可以分為方形、矩形、多邊形及圓形截面鋼管混凝土構(gòu)件。

　　國(guó)外Shinji 和 Yamazaki 等[5]對(duì)受變化的軸力和往復(fù)水平荷載作用下的方鋼管混凝土柱的受力性能和位移進(jìn)行研究;Amit[6]做了高強(qiáng)方鋼管混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究，分別分析了高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)混凝土對(duì)構(gòu)件滯回性能的影響;Kang 和 Moon[7]考察了方鋼管混凝土柱恒軸力在低周反復(fù)荷載和單調(diào)荷載作用下構(gòu)件的承載能力和耗能能力，得到方鋼管高強(qiáng)混凝土柱滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，即使在高軸壓比的情況下，都沒(méi)有明顯的捏縮現(xiàn)象;試件有較好的耗能能力，位移延性系數(shù)均大于 3[8]。方鋼管高強(qiáng)混凝土柱與普通方鋼管混凝土柱[8]相比，有較高的彈性剛度和極限荷載;與高強(qiáng)混凝土柱[10]相比，有良好的耗能能力和更小的強(qiáng)度退化;與純鋼柱比，有良好的抗失穩(wěn)能力。

　　蘇獻(xiàn)祥的矩形鋼管混凝土柱在循環(huán)荷載作用下的性能研究中得到矩形鋼管混凝土柱承載力高，變形能力強(qiáng)，有較穩(wěn)定的后期承載力，延性系數(shù)在6.89～11.53[11]之間，滿(mǎn)足延性柱的抗震要求，矩形鋼管混凝土柱的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，沒(méi)有明顯的“捏縮”現(xiàn)象，耗能能力強(qiáng)，具有良好的抗震性能。

　　隨著邊數(shù)越多，鋼管混凝土構(gòu)建的組合性能越好，產(chǎn)生的緊箍力增大，承載力增大，塑性增強(qiáng)，承載力是抗震重要指標(biāo)之一，因此圓形鋼管混凝土具有較好的抗震性能。

　　矩形鋼管混凝土柱與梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、連接方便，還能有效提高構(gòu)件的延性及有利于防火、抗火等特點(diǎn)，最重要的是矩形截面存在剛度的強(qiáng)軸和弱軸，它可以按要求提高強(qiáng)軸方向的剛度，而弱軸方向剛度基本不變，從而提高截面整體效果;但是矩形各邊不相等所以受到的緊箍力不同，不如方形截面受緊箍力相等。圓鋼管混凝土構(gòu)件的鋼管對(duì)核心混凝上起到了有效的約束，使混凝土的強(qiáng)度得到了提高，塑性和韌性大為改善。截面選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況抓住主要的矛盾。

　　3.2鋼管混凝土在房建中用于框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻、剪力墻及筒體結(jié)構(gòu)中。

　　Kim和 Bradford[12-13]指出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小,為了使結(jié)構(gòu)既具有較高的抗側(cè)剛度，又有較好的耗能性能和承載力。有鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[14]得出此實(shí)驗(yàn)的P一△滯回曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出飽滿(mǎn)的棱形，充分表明鋼管混凝土框架的耗能能力強(qiáng)和延性好。在破壞階段，梁出現(xiàn)屈服甚至屈曲，得到鋼管混凝土柱的抗傾剛度及塑性很好，整個(gè)結(jié)構(gòu)的P一△曲線(xiàn)無(wú)下降段，具有較強(qiáng)的變形能力。

　　為減小高層建筑底部剪力墻的厚度，減緩箍筋的密集程度，提高剪力墻的抗震能力，可以采用鋼管混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，有試驗(yàn)[15]表明鋼管混凝土剪力墻試件的開(kāi)裂荷載、名義屈服荷載和彈塑性變形能力都大于相同參數(shù)的鋼筋混凝土剪力墻試件，而且約束邊緣構(gòu)件為端柱的鋼管混凝土剪力墻，其變形能力大于約束邊緣構(gòu)件為暗柱的矩形截面鋼管混凝土剪力墻。

　　鋼管混凝土減震框架結(jié)構(gòu)在地震中消耗的地震能量相對(duì)較小，而鋼管混凝土減震框架結(jié)構(gòu)(三重鋼管防屈曲支撐)具有與鋼管混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)某休d力，并在變形能力延性和耗能能力等方面均有明顯的提高，對(duì)剛度退化和強(qiáng)度退化也有明顯的緩解，具有更合理的受力性能和破壞機(jī)制，新型三重鋼管防屈曲支撐起到良好的耗能減震作用，有效地改善鋼管混凝土框架的抗震性能[16]。

　　基于性能的鋼管混凝土空間筒體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[17]中得出此結(jié)構(gòu)在Y向罕遇地震作用下，單側(cè)支撐屈服，表明對(duì)于Y軸不對(duì)稱(chēng)的布置，對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響顯著;結(jié)構(gòu)在X向罕遇地震作用下，個(gè)別重要構(gòu)件鋼管混凝土柱進(jìn)入邊緣屈服狀態(tài)，少數(shù)支撐和鋼梁邊緣屈服，Y向罕遇地震作用下，偏心扭轉(zhuǎn)相對(duì)較小，幾乎不進(jìn)入屈服狀態(tài)，2個(gè)方向的層間位移角均小于1/50的要求，但是結(jié)構(gòu)抗震能力完全達(dá)到了性能目標(biāo)D的水準(zhǔn)，接近c(diǎn)的水準(zhǔn)[18]，得出鋼管混凝土空間結(jié)構(gòu)在X向罕遇地震下注意重要構(gòu)件的強(qiáng)度和延性要求，在Y向罕遇地震作用下注意結(jié)構(gòu)布置對(duì)稱(chēng)，避免偏心對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，只要布置合理抗震性能還是比較強(qiáng)的。

　　為了改善鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力性能，通常在鋼管混凝土框架中設(shè)置支撐[19-20]來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，但是在大震作用下，支撐有可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，可以通設(shè)置剪力墻來(lái)提高抗側(cè)剛度，但剪力墻與鋼管混凝土框架的協(xié)同工作以及大震作用下鋼管混凝土框架能否成為第二道防線(xiàn)這些都有待研究。

　　3.3 鋼管混凝土可以根據(jù)鋼管內(nèi)是否充滿(mǎn)混凝土分為實(shí)心鋼管混凝土與空心鋼管混凝土。

　　實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)使結(jié)構(gòu)自重加大，地震作用下影響效應(yīng)加大，但是要根據(jù)具體工程實(shí)際的截面尺寸和承載力來(lái)決定是否采用實(shí)心鋼管混凝土。

　　諾丁漢特倫特大學(xué)的 Y.L. Song 等進(jìn)行了一組純空心混凝土短柱與空心鋼管混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明純空心混凝土短柱的破壞表現(xiàn)為非常明顯的脆性破壞，而空心鋼管混凝土短柱則表現(xiàn)出了較好的延性，其承載力幾乎比純空心混凝土短柱提高了50%[21-22]。

　　K.A.S. Susantha、Hanbin Ge 等人分析了作用在圓形、八邊形和方形鋼管混凝土柱內(nèi)填混凝土上的側(cè)壓力，指出平均側(cè)壓力極值與柱的材料和幾何特性有關(guān)，研究了各種截面形狀的鋼管混凝土柱的后期工作性能，對(duì)于混凝土強(qiáng)度和后期工作性能，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果都吻合良好[23]。

　　方形空心鋼管混凝土不適合應(yīng)用于需要抗震設(shè)防的建筑結(jié)構(gòu)中;而圓形截面的空心鋼管混凝土，對(duì)于不同空心率的構(gòu)件，控制適當(dāng)軸壓比的限制，能夠滿(mǎn)足《實(shí)、空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(CECS 254-2011)》中要求的結(jié)構(gòu)分析參數(shù)限值。

　　為了滿(mǎn)足抗震的要求，規(guī)程中關(guān)于空心鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)軸壓比限值給了太大，應(yīng)當(dāng)作適當(dāng)?shù)男拚?，建議空心鋼管混凝土設(shè)計(jì)軸壓比大些，可通過(guò)計(jì)算滿(mǎn)足，此時(shí)構(gòu)件具有較好的抗震性能;軸壓比、空心率及截面形式都是影響空心鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能的重要參數(shù)。其影響為：軸壓比越大，滯回環(huán)小而且扁瘦，耗能能力越差，強(qiáng)度退化越劇烈，剛度退化越快，對(duì)構(gòu)件初始剛度影響不大，水平極限承載力有先增大后減小趨勢(shì)，延性減小;空心率越大，滯回環(huán)小且扁瘦，耗能能力越差，強(qiáng)度退化劇烈，剛度退化快，構(gòu)件初始剛度減小，水平極限承載力下降，延性越差;相比于等效面積相同的方形截面構(gòu)件，由于圓形截面空心鋼管混凝土中的鋼管和混凝土的組合性能比較強(qiáng)，在壓彎作用下，耗能能力更強(qiáng)，強(qiáng)度退化和剛度退化不明顯，初始剛度和水平極限承載力增大，且延性較好。

　　3.4 新型鋼管混凝土抗震性能

　　蔡克銓和林敏郎進(jìn)行了圓中空夾層鋼管混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究[24]，表明徑厚比為150和75的圓中空夾層鋼管混凝土柱的峰值應(yīng)變約為無(wú)約束混凝土的1.6～2.3倍，這說(shuō)明混凝土受到了很大的約束，混凝土三向受壓使混凝土延性增加，使得破壞過(guò)程減緩。中空夾層鋼管混凝土柱的復(fù)合彈性模量為實(shí)心鋼管混凝土柱的1.5倍以上，這說(shuō)明中空夾層鋼管混凝土有較高的復(fù)合彈性模量，有較高的軸向剛度。還有即使設(shè)計(jì)的中空夾層鋼管混凝土柱的軸向強(qiáng)度低于實(shí)心鋼管混凝土柱，但是抗彎能力卻比實(shí)心鋼管混凝土強(qiáng)。

　　在鋼筋混凝土柱的截面中部設(shè)置圓鋼管的柱,或由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土組合而成的柱,稱(chēng)為鋼管混凝土組合柱,簡(jiǎn)稱(chēng)組合柱;若鋼管內(nèi)外混凝土不同期澆筑,則稱(chēng)為鋼管混凝土疊合柱,簡(jiǎn)稱(chēng)疊合柱。錢(qián)稼茹、康洪震開(kāi)展了對(duì)鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱抗震性能試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)得到試件的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn),位移延性系數(shù)都大于4,極限位移角都大于1/40,耗能能力和極限位移角大于參數(shù)相近的高強(qiáng)混凝土柱[25]。可以根據(jù)地區(qū)抗震等級(jí)選擇是否采用這種組合柱，使其滿(mǎn)足抗震要求，同時(shí)減少資源的浪費(fèi)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與相同參數(shù)下鋼筋混凝土柱相比有較好的承載力和塑性，因此具有較好的抗震性能。在選擇鋼管混凝土的截面形式時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，若設(shè)計(jì)部位其中一個(gè)方向軸向剛度較大，而地區(qū)地震作用不大可以選擇矩形截面;若地震作用較大時(shí)，各方向軸向剛度相差不大的情況下，可以選擇圓鋼管混凝土。對(duì)于空心率下抗震性能要根據(jù)計(jì)算，然后選擇反復(fù)荷載下承載力高和鋼管與混凝土組合性能比較好的空心率。充分利用已研究的鋼管混凝土抗震性能設(shè)計(jì)方法，計(jì)算和驗(yàn)算新型鋼管混凝土構(gòu)件是否可以既節(jié)省造價(jià)又安全可靠。

　　6 參考文獻(xiàn)

　　[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論研究與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.08：3.

　　[2] Mohammad S, Saadeghvaziri M A. State of the concrete-filled tubular columns. ACI Journal, 1997,94(5).

　　[3] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1995.12:11.

　　[4] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECSl60：2004.建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

　　[5] Shinji Yamazaki, Susumu Minami. Experimental study inelastic behavior of steel beam-columns subject to varying force and cyclic lateral load [J]. Journal of

　　Structural Construction, 2002, 519: 95―102.

　　[6] Amit H, Varma J M Richard. Seismic behavior and design of high-strength square concrete-filled steel tube beam columns [J]. Journal of Structural Engineering (ASCE),2004, 13(2): 169―179.

　　[7] Kang C H, Moon T S. Behavior of concrete-filled steel tubular beam-column under combined axial and lateral forces [C]. Proceedings of the Fifth Pacific Structural

　　Steel Conference, Seoul, Korea, 1998: 961―966.

　　[8] 李斌,馬愷澤,劉惠東.方鋼管高強(qiáng)混凝土柱抗震試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué), 2009，26(增刊).

　　[9] 呂西林, 陸偉東. 反復(fù)荷載作用下方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2000, 21(2): 2―10.

　　[10] 謝濤, 陳肇元. 高強(qiáng)混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),1998, 19(12): 1～8.

　　[11] 蘇獻(xiàn)祥.矩形鋼管混凝土柱在循環(huán)荷載作用下的性能研究[D].西安科技大學(xué)，2009.

　　[12] 李斌，薛剛，張園.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2002.22(5).

　　[13] 錢(qián)稼茹，江棗，紀(jì)曉東.高軸壓比鋼管混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,7.31.

　　[14] 任鳳鳴，周云，林紹明等.鋼管混凝土減震框架與鋼管混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012.45(4).

　　[15] Kim Y J, Kim M H, Jung I Y, et al. Experimental investigation of the cyclic behavior of nodes in structures[J]. Engineering Structures,2011,33(7):2134～2144.

　　[16] Bradford M A, Pi Y L, Qu W L. Time-dependent in-plane behavior and buckling of concrete-filled steel tubular arches[J].Engineering Structures, 2011,33(5):1781～1795.

　　[17] 薛強(qiáng),郝際平,王迎春.基于性能的鋼管混凝土空間筒體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].世界地震工程,2011,27(4).

　　[18] 徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑出版社，2005.

　　[19] Astanch-Ash A, Zhao Q H. Cyclic behavior of steel shear wall systems//Proceedings of 2002 Annual Stability Conference[C]. Structural Stability Research Council.2002.

　　[20] Liao F Y. Han L H. Tao Z. Seismic behavior of circular CFST columns and RC shear wall mixed structures experiments. Journal of Constructional Steel Research.2009.65(8):1582～1596.

　　[21] Song.Y.L.Chen.J.F.Structural Behavior of short Steel.Concrete Composite Spun Tubular Columns[J].Magazine of Concrete Research，2000，52(6)：41 1.418.

　　[22] Y.L. Song, J.F. Chen. Structural behavior of short steel-concrete composite spun tubular columns[J]. Magazine of Concrete Research. 2000,52(6)

　　[23] K.A.S. Susantha, Tsutomu Usami. Uniaxial stress-strain relationship of concrete .2002.

　　[24] 盧德輝.圓、方形空心鋼管混凝土柱抗震性能及設(shè)計(jì)方法研究[D].2012.

　　[25] 錢(qián)稼茹，康洪震.鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009.30(4).