钢管混凝土柱论文范文

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关键词：结构设计抗震

一.抗震设计思路发展历程

随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。

最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

由以上可以看出，结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。

二.现代抗震设计思路及关系

在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：

1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。

2.制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。

现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是关系，关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。

60年代开始，研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下，通过对不同周期，不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析，得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律：对T大于1.0秒的体系适用“等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12－0.5秒之间的结构，适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时，随着R的增大，位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出，如果以结构弹性反应为准，把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低，即R越大，则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大，位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。规律初步揭示出不同弹性周期的结构，当其弹塑性屈服水准取值大小不同时，在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。

之所以存在上诉的规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。

随着对规律认识的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，对结构的延性要求就可放松。

目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现（damageonset）、正常运作（operational）、能继续居住（countinuedoccupancy）、可修复的（repairable）、生命安全（lifesafe）、倒塌（collapse）。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标（常遇地震下完全正常运作，少遇地震下正常运作，罕遇地震下保证生命安全，极罕遇地震下接近倒塌）、必要目标（少于地震下完全正常运作，罕遇地震下正常运作，极罕遇地震下保证生命安全）、对安全其控制作用的目标（罕遇地震下完全正常运作，极罕遇地震下正常运作）。对重要性不同的建筑，如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计，此外，也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求，选择不同的性态目标。

三.保证结构延性能力的抗震措施

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：

1.“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

2.“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

3.抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。

这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。

新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰，而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。为此，这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。

美国抗震界则认为新西兰取的柱弯矩增强系数过大，根据经验取了较小的柱弯矩增强系数，这一做法使结构在大震引起的非弹性变形过程中，梁端塑性铰形成较早，柱端塑性铰形成的相对较迟，梁端塑性铰形成的较普遍，柱端塑性铰形成的相对少一些，从而形成“梁柱塑性铰机构”。

新西兰抗震措施的好处在于“理想梁铰机构”完全利用了延性和塑性耗能能力较好的梁端塑性铰来实现框架延性和耗散地震能量，同时因为除底层柱底外的其它柱端不出现塑性铰，也就不必再对这些柱端加更多的箍筋。但是这种思路过于受塑性力学形成理想机构概念的制约，总认为底层柱底应该形成塑性铰，这样就对底层柱底提出了较严格的轴压比要求，同时还要用足够多的箍筋来使柱底截面具有所需的延性，此外，底层柱底如果延性不够发生破坏很容易导致结构整体倒塌。这些不利因素使该方法丧失了很大的优势。

因此很多研究者认为不需要被塑性力学的机构概念所限制，只要能在大震下实现以下的塑性耗能机构，就能保证抗震设计的基本要求：

1.以梁端塑性铰耗能为主；

2.不限制柱端塑性铰出现（包括底层柱底），但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量；

3.同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。

我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路，采用了“梁柱塑性铰机构”模式，而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理想梁铰机构”模式。

抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生，采取了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是，与非抗震抗剪破坏相比，地震作用下的剪切破坏是不同的。以梁构件为例，在较大地震作用下，梁端形成交叉斜裂缝区，该区混凝土受斜裂缝分割，形成若干个菱形块体，而且破碎会随着延性增长而加剧。由于交叉斜裂缝与塑性铰区基本重合，垂直和斜裂缝宽度都会随延性而增大。抗震下根据梁端的受力特征，正剪力总是大于负剪力，正剪力作用下的剪压区一般位于梁下部，但由于地震的往复作用，梁底的混凝土保护层可能已经剥落，从而削弱了混凝土剪压区的抗剪能力；交叉斜裂缝宽度比非抗震情况大，以及斜裂缝反复开闭，混凝土破碎更严重，从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应退化；混凝土保护层剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的销栓作用有一定退化。可见，地震作用下，混凝土抗剪能力严重退化，但是试验发现箍筋的抗剪能力仍可以维持。当地震作用越来越小时，梁端可能不出现双向斜裂缝，而出现单向斜裂缝，裂缝宽度发育也从大于非抗震情况到接近非抗震情况，抗剪环境越来越有利。此外，抗震抗剪要求结构构件应在大震下预计达到的非弹性变形状态之前不发生剪切破坏。因为框架剪切破坏总是发生在梁端塑性铰区，这就不仅要求在梁端形成塑性铰前不发生剪切破坏，而且抗剪能力还要维持到塑性铰的塑性转动达到大震所要求的程度，这就需要更多的箍筋。同时，在梁端塑性变形过程中作用剪力并没有明显增大，也进一步说明这里增加的箍筋不是用来增大抗剪强度，而是为了提高构件在发生剪切破坏时所达的延性。

综上所述，与非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能与剪力作用环境，塑性区延性要求大小有关。我们可以采取以下公式来考虑抗震抗剪的强度公式：

其中为混凝土抗剪能力，为箍筋抗剪能力，为由于地震作用导致的混凝土抗剪能力下降的折减系数，且随着剪力作用环境、延性要求而改变。我国的抗震抗剪强度公式也以上面公式为基础的，但是为设计方便，不同的烈度区取用了相同的公式，均取为0.6，与上面提到的混凝土抗剪能力随地震作用变化而不同的规律不一致，较为粗略。

延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好（但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性）；对柱子这类偏压构件，轴压力的存在会增大混凝土受压区高度，减小延性；箍筋可以提高混凝土极限压应变，从而提高延性，但对于高强度混凝土，受压时，其横向变形系数较一般混凝土明显偏小，箍筋的约束作用不能充分发挥，所以对于高强度混凝土，不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外，箍筋还有约束纵向钢筋，避免其发生局部压屈失稳，提高构件抗剪能力的作用，因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律，在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。

四.我国抗震设计思路中的部分不足

我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。

其中，最值得我们注意的是，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数（“中震”的地面运动加速度与“小震”的地面运动加速度之比）来划分延性等级，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则并未按关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致同一个R对应了不同的，从而制定了不同的抗震措施，这与关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。

另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。这种笼统的设防目标也不符合当今国际上的“多层次，多水准性态控制目标”思想，这种多性态目标思想提倡在建筑抗震设计中应灵活采用多重性态目标。甲类建筑指重大建筑工程和地震时可能发生严重此生灾害的建筑，乙类建筑指地震时使用不能中断或需要尽快修复的建筑，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标（设防目标），此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。

五.常用抗震分析方法

伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。

在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值，这三种方法都是弹性分析方法。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数，再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用，然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构，常常需要进行弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。以上方法主要针对结构在地震作用下的弹性阶段，保证结构具有一定的屈服水准。

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[关键词]钢管混凝土柱抗火分析防火措施

钢管混凝土柱在工程中的应用日益广泛,其耐火性能和防火措施问题受到了人们的关注。在火灾作用下,钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场,同时材料性能在高温下会不断恶化,其温度效应和结构效应是同时存在的。因此热力耦合分析是比较接近实际的方法,但是处理难度较大。在一般情况下,结构构件的温度分布主要受到外界火焰温度、材料热工性能、构件形状和尺寸等的影响,而结构内力状态和变形等的影响非常小[1],因此可以先求出构件温度场,然后将温度场结果用于受力性能的计算,这在以往的理论研究中采用较多,例如韩林海[2]、Lie和Denham[3]、郑永乾[4]、王卫华[5]等。

纤维模型法、分段积分法和有限元法在常温下钢管混凝土构件的分析中已得到较为广泛的应用,通过考虑热工参数和力-热本构关系等,可以将上述方法用于高温分析中。作者通过在以往福州大学组合结构课题组中的学习研究以及现在的探索,对上述分析方法及其特点进行了介绍,并对钢管混凝土柱的防火措施进行了探讨,以期为有关理论研究和工程实践提供参考。

1温度场分析方法

1.1 自编截面温度场有限元程序

钢管混凝土构件在四面受火时可近似地认为温度沿着构件长度方向不变化,因此可简化为沿截面的二维温度场问题。根据孔祥谦[6]描述的方法编制了分析钢管混凝土构件在高温下截面温度场的非线性有限元程序。材料热工参数暂取用Lie和Denham[3]建议的钢材和混凝土热工参数表达式,并考虑了混凝土中水分的影响,对混凝土热工参数进行了修正[7]。在受火面同时存在着对流和辐射两种换热,采用第三类边界条件求解,对流传热系数取25W/m2K;综合辐射系数取0.5[8]。计算时暂不考虑钢材与混凝土之间的接触热阻,假设完全传热,截面划分采用三角形单元。采用上述方法编制了计算火灾下构件截面温度场的MATLAB程序,该程序适用性强,计算速度快,改变截面等重要参数亦能迅速得到温度结果,程序计算结果可在后文纤维模型法和分段积分法计算耐火极限中采用。

1.2 有限元软件ABAQUS分析

图1温度-时间关系计算结果与实验结果对比

采用有限元软件ABAQUS在进行结构分析时必须调节各节点温度,因此建立的三维温度场分析模型和结构分析模型一致。混凝土和刚性垫块采用八节点三维实体单元DCC3D8D,钢管采用四节点壳单元DS4。钢管内壁与混凝土采用束缚(Tie)约束。

为验证程序的正确性,本文对方钢管混凝土柱截面温度实验曲线[9]进行计算,如图1所示,可见,采用MATLAB和ABAQUS的计算结果与实验结果吻合良好。其中,构件截面尺寸为B×ts=203×6.35mm,B为方钢管外边长,ts为钢管壁厚,d为测点距钢管面的距离。实验按照加拿大设计规程CAN4-S101规定的升温曲线进行。

2火灾下受力性能分析方法

2.1 纤维模型法

钢材在温度和应力共同作用下的总应变(s)由三部分组成,即应力作用产生的应变(s)、自由膨胀应变(sth)和高温瞬时蠕变(scr)。混凝土在温度和应力共同作用下的总应变(c)由四部分组成[7],即应力作用产生的应变(c)、自由膨胀应变(cth)、高温徐变(ccr)和瞬态热应变(tr)。钢材和混凝土的自由膨胀应变、高温下钢材的应力-应变关系均采用Lie和Denham[3]给出的表达式,高温下受压区混凝土的应力-应变关系采用韩林海[2]提供的约束混凝土模型,受拉区混凝土采用Rots等[10]提出的模型,具体表达式参考Cai等[11]。

计算时采用如下基本假设:(1)构件在变形过程中始终保持为平截面;(2)钢材和混凝土之间无相对滑移;(3)忽略剪力对构件变形的影响;(4)构件两端为铰接,挠曲线为正弦半波曲线。由于对称性,取一半截面计算,单元划分如图2所示。

根据截面上任一点的应变i,可确定对应的钢管应力si和混凝土应力ci,则可得截面内弯矩Min和内轴力Nin为

(1)

(2)

其中,Asi和Aci分别为钢管单元面积和混凝土单元面积,yi为计算单元形心坐标。

火灾下,具有初始缺陷uo和荷载偏心距eo钢管混凝土柱的荷载-变形关系及耐火极限的计算步骤如下:①计算截面参数,进行截面单元划分,确定钢管混凝土横截面的温度场分布;②给定中截面挠度um,计算中截面曲率,并假设截面形心处应变o;③计算单元形心处的应变i,计算钢管应力si和混凝土应力ci;④计算内弯矩Min和内轴力Nin;⑤判断是否满足Min/Nin=eo+uo+um的条件,如果不满足,则调整截面形心处的应变o并重复步骤③～④,直至满足;⑥判断是否满足作用在构件上荷载=Nmax(t)的条件,Nmax(t)为t时刻温度场情况下,钢管混凝土柱荷载-变形关系曲线上峰值点对应的轴力,如果不满足,则给定下一时刻的截面温度场,并重复步骤③～⑤,直至满足,则此时刻t即为构件的耐火极限。

采用纤维模型法对火灾下钢管混凝土构件的荷载-变形关系和耐火极限进行计算,概念明确,计算方便,但是纤维模型法是一种简化的数值分析方法,在进行力学性能分析时,不能准确分析高温作用下钢与混凝土的应力状态、应变发展和相互作用等,同时,采用纤维模型法时难以获得构件在整个受火过程中的变形,而且计算时只能取计算长度。

2.2 分段积分法

高温下材料应力-应变关系与纤维模型法相同,钢材的高温蠕变较为明显,可采用AIJ[12]给出的表达式及系数。混凝土瞬态热应变数值较大,在高温分析中应合理考虑,本文选取Anderberg和Thelandersson提出的模型[13]。对于混凝土的高温徐变,可选择应用较多的Anderberg和Thelandersson模型[13]。

分析时采用的基本假设去掉纤维模型法基本假设中的(4),其余相同。为了反映材料在构件长度和截面两个方向上性能的变化,在对钢管混凝土柱进行单元划分时,考虑两个层次的划分。在构件长度方向上划分若干个梁-柱单元,将构件视为通过结点相连的梁-柱单元的集合。截面采用切线刚度法,类似于纤维模型法中的直接迭代法。将截面分割为若干微单元,确定微单元形心的几何特性和相应的材料切线模量,然后利用合成法求得的材料切线模量和相应的单元几何特性确定各个单元的贡献,最后将各单元的贡献叠加,从而获得截面切线刚度距阵。由于对称性取半个截面进行计算。钢管混凝土构件截面单元划分与纤维模型法截面划分一致,沿长度方向单元划分如图3所示,其中N为作用在构件上的荷载,e为荷载偏心距。

本文采用近似的UL表述(即AUL表述),利用虚功原理可得AUL表述的局部坐标系下非线性梁-柱单元增量平衡方程为[14]:

(3)

其中,代表单元在直线位形的体积;和分别为应力和应力增量;eL和eNL分别为轴向应变的线性分量和非线性分量;{d}为单元的结点位移增量向量;{r}和{r}分别为单元结点力向量和结点力增量向量;结点力和位移向量定义详见郑永乾[4]。

参考Jetteur等[14]可得局部坐标系下改进的AUL表述的单元增量平衡方程为:

(4)

式中,为梁-柱单元的切线刚度矩阵,可分为两部分:,其中,为材料非线性的小位移刚度矩阵,为反映大位移效应的几何刚度矩阵;{f}为梁-柱单元的结点力向量,具体表达式详见郑永乾[14]。

在进行程序编制中,采用了两个级别的积分策略。在截面上采用合成法,即在截面上划分足够数目的微单元,将每个单元的贡献采用直接迭加的办法来实现积分的运算;在长度上采用六点Gauss积分法。温度流动路径可参考过镇海和时旭东[1]推导确定。

采用分段积分法能够获得受火全过程的变形曲线及其耐火极限,能够考虑钢材高温蠕变、混凝土瞬态热应变和高温徐变,能够直接利用杆长和边界条件计算。与纤维模型法一样,分段积分法也难以准确分析高温下钢与混凝土相互作用等受力特性。

2.3 有限元软件ABAQUS

以往不少学者已采用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土柱在常温下的受力性能进行了系统的分析[2],但对于高温下的ABAQUS分析比较少,王卫华[5]对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析,计算结果与实验结果比较总体偏于安全,计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变。

有限元模型中,钢材采用ABAQUS软件中提供的等向弹塑性模型,满足Von Mises屈服准则。高温下钢管的应力-应变关系、蠕变表达式同分段积分法。混凝土采用ABAQUS软件中提供的塑性损伤模型,模型中基本参数取值根据HKS[15]确定。高温下受压区混凝土的应力-应变关系采用韩林海[2]ABAQUS分析的常温表达式,并参考韩林海[2]的高温模型进行了修正。受拉区混凝土模型、瞬态热应变关系同分段积分法,参考Li和Purkiss[13]将混凝土瞬态热应变考虑到应力-总应变关系曲线中。需要说明的是,采用塑性损伤模型较难考虑混凝土高温徐变,ABAQUS分析中暂不考虑其影响。

以Lie和Chabot [16]中构件C21为例,截面尺寸B×ts=273.1×5.56mm,钢材屈服强度350MPa,混凝土圆柱体强度29MPa,硅质骨料,构件两端固结,作用在构件上的荷载525kN。图4所示为1/4构件的有限元分析模型,其中,钢管采用四节点减缩积分格式的壳单元S4R,混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元C3D8R。端部设置刚性很大的垫块施加轴向荷载,垫块采用三维实体单元C3D8R模拟。刚性垫块与钢管采用Shell to Solid Coupling进行约束,与混凝土之间采用法向硬接触约束。根据构件实际受力情况,设置两个分析步骤,首先在构件加载位置施加荷载N,保持外荷载不变,调用温度场分析结果计算。初始弯曲取1/1000杆长。

图4有限元模型

利用上述方法,可以得到该钢管混凝土柱的计算轴线变形()-受火时间(t)关系曲线,如图5所示,其中向上轴向变形为正,构件压缩为负。可见,计算结果与实验结果总体趋势接近,计算的耐火极限偏于安全。在轴压比不大的情况下,升温初期,由于钢管温度较高,热膨胀也比核心混凝土大的多,构件膨胀大于外荷载引起的轴向压缩,变形曲线上升,荷载主要由钢管承担,随着钢管温度的提高,钢材强度和弹性模量将大大退化,轴向变形曲线下降。当变形值下降到一定程度,核心混凝土继续承受外荷载,随着高温下混凝土材料属性的降低,轴向变形曲线逐渐下降直至构件破坏[17]。在轴压比较大的情况下,前期上升的轴向变形则不明显或不出现。

图5轴线变形-时间关系曲线

图6给出构件的破坏形态以及最终的应力状态,其中变形放大了10倍。可见,构件跨中有较大的弯曲变形,左侧与右上受火部位的钢管与混凝土之间明显脱开。跨中左侧钢管温度达到931℃,Mises应力19.44MPa。端部未受火,承受较大外荷载,Mises应力最大为52.33MPa。混凝土纵向压应力最大为14.69MPa,在顶部,对于跨中和离顶部约1/6杆长位置,混凝土纵向应力也较大,约达到13.85MPa。

(a) 破坏形态 (b) 钢管Mises应力 (c) 混凝土纵向应力

图6破坏时形态及应力分布

图7所示为不同时间下构件跨中截面混凝土纵向应力的分布情况,为便于分析,在图5中定出A~E点。可见,在常温加载后,即0min时,跨中截面混凝土应力基本呈现带状分布,混凝土全截面受压,由于初始弯曲,在外荷载作用下一侧压应力较高,如图7(a)所示。升温初期,荷载主要由外部钢管承担,截面混凝土温度外高内低,高温区的热膨胀变形受到低温区的约束,因此高温区混凝土为压应力,内部低温区混凝土为拉应力,截面应力分布云图与温度分布类似,如图7(b)所示。随着截面内外温差的减小,混凝土压应力和内部拉应力有所减小,在C点位置,核心混凝土又开始承受外荷载,如图7(c)所示。混凝土在温度和外荷载作用下,压应力增加,在D点位置,混凝土中心点压应力6.96MPa,右边缘点压应力6.07MPa,如图7(d)所示。随着混凝土温度的进一步升高,材料属性恶化较为严重,跨中挠度增加较快,破坏时压应力最大区域在截面中心偏下,即偏向构件弯曲内侧,压应力为13.85MPa,此时整个截面混凝土为受压状态,如图7(e)所示。

(a) A点(0min) (b) B点(23min) (c) C点(33min)

(d) D点(68min) (e) E点(100min)

图7不同时间下跨中截面混凝土纵向应力

采用ABAQUS软件结果后处理形象直观,能够进行火灾全过程的应力、应变、相互作用等受力特性分析。采用ABAQUS的建模、参数分析及计算的速度不如前面两种,目前ABAQUS研究钢管混凝土耐火性能尚不完善,例如适合于ABAQUS分析的混凝土高温本构模型、混凝土高温徐变、接触热阻取值、高温下钢与混凝土的粘结滑移等还需要进一步研究。

3防火措施

(1)根据韩林海[2]的研究结果,火灾荷载比、截面尺寸、长细比和防火保护层厚度是影响钢管混凝土柱耐火极限的主要因素。因此,为提高耐火极限,可在设计中降低荷载比、增大截面尺寸、改变长细比或采取防火保护措施。在钢管混凝土外部采用防火保护是非常有效的方法,在不少工程中应用,例如深圳赛格广场大厦、杭州瑞丰国际商务大厦、武汉国际证券大厦等[2]。防火保护可采用厚涂型钢结构防火涂料、金属网抹水泥砂浆、外包混凝土和采用防火板。

厚涂型钢结构防火涂料效果明显,在工程中应用较多。喷涂前,首先应将钢管表面处理干净,然后打底,底层材料由干料(图8(a))、专用胶黏剂和水按一定比例搅拌均匀,如图8(b)所示。接着利用空压机(图8(c))和喷枪在钢管表面打底,一次搅拌的混合料宜在2小时内用完,图8(d)所示为打底后的情况。待底层材料完全凝固硬化后可开始采用手工涂抹。取袋装干料和水按一定比例搅拌均匀,在钢管表面分层涂抹,如图8(e)和(f)所示。

(2)配钢筋。以往已有一些学者对钢管配筋混凝土柱的耐火性能进行研究,取得了部分研究成果[2]。本文作者采用分段积分法计算了火灾下钢管配筋混凝土柱的变形和耐火极限,结果表明,对于专门考虑抗火作用钢筋的构件,配筋率1～5%可比钢管素混凝土柱耐火极限提高约10%～60%,配筋率每增加1%约增加11%。随着钢筋屈服强度的增加,构件的耐火极限稍有增加。对于火灾荷载比包含钢筋受力作用的构件,配筋率和钢筋屈服强度对耐火极限的影响很小,该内容将另文发表。

(3)为保证火灾时核心混凝土中水蒸气能够及时散发,确保结构安全工作,需在钢管混凝土柱上设置排气孔,直径一般为20mm[2]。

(a)袋装干料 (b) 搅拌均匀 (c) 空压机

(d) 喷底层材料后 (e) 圆钢管混凝土涂抹 (f) 方钢管混凝土涂抹

图8防火涂料施工

4结语

4.1 采用自编有限元程序和有限元软件ABAQUS计算钢管混凝土柱在火灾下的温度场,均可以取得较好的结果,同时为火灾下构件受力性能的计算分析提供基础。

4.2 纤维模型法、分段积分法和有限元法是火灾下钢管混凝土柱受力性能分析的常用方法。纤维模型法概念明确,计算方便,但它是一种简化的数值分析方法,难以准确考虑钢材的高温蠕变、混凝土的瞬态热应变和高温徐变。分段积分法将构件沿着长度方向分为若干单元,将数值积分点处的截面分为若干面积单元,在单元分析中采用改进的AUL 表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,程序中可合理考虑钢材高温蠕变、混凝土瞬态热应变和高温徐变。采用纤维模型法和分段积分法均难以准确分析高温作用下钢与混凝土的应力状态、应变发展和相互作用等受力特性,采用有限元法可以很好地解决这些问题,但是有限元方法建模和计算速度较慢,适合有限元软件分析的材料高温本构、参数取值等研究尚不完善。

4.3 为提高钢管混凝土柱的耐火极限,可在采用厚涂型钢结构防火涂料、金属网抹水泥砂浆、外包混凝土、防火板或配置专门考虑防火的钢筋,其中在钢管混凝土表面涂抹防火涂料是非常有效的保护措施。

随着科学技术的发展,新型钢管混凝土结构逐渐得到人们的重视,例如带肋薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管高性能混凝土等,他们的耐火性能及其抗火设计、施工等问题还需要进一步探讨。

参考文献:

[1] 过镇海,时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践(第二版)[M].北京:科学出版社,2007.

[3] Lie T T,Denham E M A. Factors Affecting the Fire Resistance of Square Hollow Steel Columns Filled With Bar-Reinforced Concrete [R].Internal Report, No.650, Ottawa, Canada: National Research Council Canada,1993.

[4] 郑永乾.方钢管混凝土柱耐火极限的计算[C].中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会第十二次学术会议论文集,2009.10, 中国厦门,217-220.

[5] 王卫华.钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架结构耐火性能研究[D].福州:福州大学博士学位论文,2009.

[6] 孔祥谦. 有限单元法在传热学中的应用(第三版)[M].北京:科学出版社,1998.

[7] Harmathy T Z. Fire safety design and concrete [M]. Harlow, Essex, England: Longman Scientific & Technical, 1993.

[8] ECCS-Technical Committee 3. Fire safety of steel structures, technical note, Calculation of the fire resistance of centrally loaded composite steel-concrete columns exposed to the standard fire [R], European Convention for Constructional Steelwork, Brussels, Belgium, 1988.

[9] Lie T T, Irwin R J. Fire Resistance of Rectangular Hollow Steel Sections Filled with Bar-Reinforced Concrete [R]. NRC-CNRC Internal Report, No.631, Ottawa, Canada, 1992.

[10] Rots J G, Kuster G M A, Blaauwendraad J. The need for fracture mechanics options in finite element models for concrete structures [C]. Proceedings of the International Conference on Computer Aided Analysis and Design of Concrete Structures, Split, 1984: 19-32.

[11] Cai J, Burgess I, Plank R. A generalised steel/reinforced concrete beam-column element model for fire conditions [J]. Engineering Structures, 2003, 25(6): 817-833.

[12] AIJ. Recommendations for design and construction of concrete filled steel tubular structures [S].Architectural Institute of Japan (AIJ), Tokyo, Japan: Architectural Institute of Japan, 1997.

[13] Li L Y, Purkiss J. Stress-strain constitutive equations of concrete material at elevated temperatures [J]. Fire Safety Journal, 2005, 40(7): 669-686.

[14] Jetteur P H, Cescotto S, de Ville de Goyet. Improved Nonlinear Finite Element for Oriented Bodies Using an Extension of Margurre’s Theory [J]. Computer & Structure, 1982, 1(17): 99-104.

[15] Hibbitt, Karlsson, Sorensen. ABAQUS Version 6.5: Theory manual, users' manual, verification manual and example problems manual [M]. Hibbitt, Karlsson and Sorensen Inc., 2005.

篇3

关键词：钢管混凝土；抗火；设计方法；国外新趋势

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

随着我们进入21世纪以来，钢管混凝土已被大家熟知。这种具有良好性能的新技术颇受广大学者以及工程师们的喜爱。

1 钢管混凝土柱的优点：

⑴承载能力高钢管混凝土柱轴心受压时，混凝土外层钢管对其产生紧箍效应，其内部核心混凝土的强度有很大提高，钢管也发挥了自身的强度作用，所以柱的抗压承载力高。

⑵良好的塑性及韧性如采用单一的混凝土柱进行受压，常属于脆性破坏，而钢管混凝土的管内混凝土受钢管的约束作用，使混凝土的弹性工作段增大，且破坏时有很大的塑性变形，而且这种构件在水平荷载的反复作用下显示出良好的延性。

⑶工程耐腐蚀性优于纯钢结构钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。

⑷工程造价降低，建筑物的使用面积增大由于钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，同时用于防腐的费用减少，因此相应降低地基基础、 主体等多项分部的工程造价。除此之外,因为钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱要减少 60 %以上，截面尺寸也比钢柱小，所以扩大了建筑物的使用空间和面积。

2抗火研究内容

在我国从20世纪80年代后期，钢管混凝土的应用就进入了高层领域，在实际的应用中更是发现了上述的优点，所以发展十分迅速。高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所重视，越来越显示出它在高层和超高层建筑中的优势。由于高层结构的抗火问题一直是受到关注的，所以高层建筑钢管混凝土的抗火问题就值得研究。以下介绍抗火研究的内容。

2.1材料特性的研究

钢管混凝土所用材料无非是钢与混凝土这两类材料，与抗火有关的材料特性主要包括弹性模量、强度（屈服强度、极限强度）、应力—应变本构关系及热传导系数、热膨胀系数、密度和比热等热工参数。因此确定钢和混凝土的高温性能（物理特性和力学性能）是解决火灾下钢结构的结构性能问题的必要条件。

2.2单个构件抗火性能研究

由于钢结构抗火较混凝土结构差，所以主要对钢结构抗火性能进行理论和试验研究，早期主要是以单个构件为研究对象。钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析，采用高温下的结构材料特性进行，研究对象包括钢梁、钢柱、节点等。目前国内外研究者基本都采用数值模拟分析钢构件在火灾中的反应，结果表明：热膨胀是影响钢构件抗火性能的一个重要因素之一，其影响的大小与构件两端的约束条件有关系，对应钢梁，梁端铰接的梁耐火时间最长。

2.3结构整体抗火性能研究

钢结构的材料性能随火灾升温发生非线性变化，另外在温度内力，材料几何非线性，应力非线性等的影响下，使得火灾下整体钢结构的全过程分析很困难。但是要进行整体结构的抗火设计，就必须进行结构整体火灾反应分析，近期主要利用成熟的商业有限元软件包（ANSYS、ABAQUS等）进行数值模拟。

3结构抗火设计的方法

目前通常采用的结构抗火设计方法主要有三种：

3.1 基于试验的结构抗火设计方法

这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件在标准升温条件和规定荷载分布下的耐火试验，确定在采取不同的防火措施后构件的耐火极限。建筑物的耐火等级大小、构件在建筑物中所处的位置以及构件的重要性决定了构件所需的耐火极限大小。最后设计构件的截面尺寸，根据试验所确定的构件实际耐火极限大小来校核，若不满足耐火极限要求，则需重新设计构件，直至满足耐火极限要求。我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》采用的就是这种设计方法。这种抗火设计方法的优点是简单直观，便于应用。但试验费用昂贵，且缺乏理论性和合理性，不能从根本上考虑材料性能随温度的劣化过程，不能模拟结构的端部约束情况和各种荷载形式。

3.2 基于计算的结构抗火设计方法

随着理论基础和计算机技术的高速发展，己有可能实现结构抗火的数值计算。采用数值计算方法进行结构抗火研究可以更真实地模拟实际情况中结构的火灾力学性能。从20世纪70年代，国际上开始研究基于计算的结构抗火设计方法，这些方法可以考虑结构的真实受力和约束情况。目前，很多学者都开始采用基于计算的构件抗火设计方法，主要是经典算法和有限元计算方法。考虑构件的截面尺寸、受力形式与受力大小、构件的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论和结构理论通过分析确定构件的抗火能力，更符合客观实际，是对传统方法中结构抗火能力确定进行的改进方法。

3.3 性能化结构抗火设计方法

由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求；同时考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。

以上3种方法中基于试验的抗火设计方法基本上已不再使用，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的结构抗火设计

方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前抗火设计的整体发展趋势。性能化结构抗火设计方法考虑火灾随机性，目前研究和工程实践还很少，是新的研究课题。

4国外钢—混凝土结构抗火设计的新方法

国外抗火设计的一种趋势是以设计火灾的温度－时间曲线为基础的抗火设计。这种方法的关键是找出导致结构破坏的火灾效应的极限值，对于给定的受外荷载作用的构件，其火灾效应随不同火灾密度而变化。

国际标准化组织(ISO-834)建议的建筑构件抗火试验曲线，表达式如下：

式中：t为时间(min)； Tg为t时刻的温度；Tg（0）为初始温度。

加拿大国家标准曲线CAN4-S101如下：

式中t以小时计。

美国和加拿大采用的为ASTM-E119标准升温曲线，可近似地用下式表示：

欧洲规范采用的建筑室内火灾标准升温曲线为ISO-834标准升温曲线，同时欧洲规范对烃类可燃物火灾另建议了一条升温曲线为：

式中t以秒计。

下图为ISO-834、CAN4-S101、烃类可燃物火灾、ASTM-E119火灾升温曲线的对比示意图。

图一 四种标准升温曲线

5结语

该文简要介绍了一些钢管混凝土抗火研究所遇到的一些问题，希望以此可以为后来作进一步的抗火研究奠定一些基础。管内核心混凝土相对钢材具有较大的热容量, 能吸收大量的热量。所以在遭受火灾时, 外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 仍具有一定的承载力, 因而增加了钢管的耐火时间,相对传统钢结构可以大量节约防火涂料。所以说由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势，使这种结构还是具有较好的耐火性能。

参考文献

[1] 韩林海.钢管混凝土结构.北京:科学出版社,2000

[2] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京: 科学出版社,2001

[3] 钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社,2003

[4] 过镇海、李卫.混凝土耐热力学性能的试验研究总结.清华大学土木工程系，1991

[5] 钟善桐.高层钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社,1999

[6] 李国强、蒋首超.钢结构抗火计算与设计.中国建筑工业出版社，1999

[7] 徐蕾.方钢管混凝土柱耐火性能及抗火设计方法研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2002

篇4

关键词：钢结构住宅，绿色生态建筑发展趋势

 

前言

钢结构住宅是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱(包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱)为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。同传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具有自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。

一、轻钢结构住宅的特点及技术经济性能

1、重量轻、抗震性能好

钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架,同时配以轻质墙板等新型材料作为维护结构和内隔墙建造而成。它与同面积的建筑楼层相比，钢结构住宅楼的重量可减轻近30%。由于轻钢结构住宅自重轻,一般情况下不需要做桩基,可减少地基处理的费用,且抗震性能好。因属于柔性结构、自重轻,因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,有利于抗震。我国是一个多地震区国家,在地震区建筑中应推广应用钢结构住宅,可以大大减少地震灾害和人员伤亡。，绿色生态建筑发展趋势。。同时,由于钢材具有较强的延展性,能较好地消除地震波力,放震性能好,尤其适用于高层建筑。

2、占地面积小,具有良好的空间感，净使用面积大

钢结构住宅布局灵活,净使用面积大。利用型钢优良的承载性能,可以灵活布置大开间、大柱距的建筑平面；非承重轻质墙体的设计为设计师和住户提供了根据不同用途灵活布置室内空间的可能；型钢构件接点构造简洁,在垂直方向可方便地布置跃层和错层体系,结构构件截面较小,相对于传统结构方案,其净使用面积提高5%～8%,得房率高。

3、工业化程度高,设计制造安装周期短

现代轻钢建筑的设计、制造和安装借助网络计算机技术和工业化生产手段,可实现设计、生产、施工安装一体化,具有极高的效率和精确度,项目建设周期短可缩短工期1/2～1/3。这样将极大地减少投资融资成本,使业主或建筑开发商在享受回报上具备很大的优势。

4、符合产业化和可持续发展的要求

钢结构配件制作工业预制化和机械化程度高,商品化程度高,减少了施工现场的加工量,现场主要为于作业,能减少施工用水、噪声、垃圾污染,施工速度快,施工周期可大大缩短。钢结构在超出正常使用期限后的处理过程,无论是钢材还是与之相配套的建筑物品,都具有可重复利用性和可降解性,适应现代环保要求。，绿色生态建筑发展趋势。。

二、钢结构住宅的结构体系和主要构件

1、结构体系

应用于多层钢结构住宅的体系可分为:冷弯薄壁型钢体系、纯钢框架体系、框架--支撑体系、钢框架--混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。

①冷弯薄壁型钢体系。构件采用薄钢板冷弯成C形、Z形构件,可单独使用,也可组合使用,杆件间连接采用自攻螺丝。这种体系节点刚性不易保证,抗侧能力较差,一般只用于1～2层住宅或别墅。

②纯钢框架体系。目前,这种体系在多层钢结构住宅中应用最广,纯框架体系常用于4～8层住宅。纵横向都设成钢框架,门窗设置灵活,可提供较大的开间,便于用户二次设计,满足各种生活需求。

③框架—支撑体系。该体系主要由焊接工字型梁柱组成,多数情况下,这种体系为横向承重,梁柱节点在横向上为刚接,纵向为铰接。因此,结构在纵向相当于排架,抗侧移刚度很低,需设置侧向支撑抵抗水平荷载,限制结构的水平变形。

④框架—混凝土剪力墙体系。用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑,就形成了框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。它适用于小高层住宅,一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒),这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度,又解决了楼梯间的防火问题。

2、主要构件

钢结构住宅是以钢结构作为承重骨架,以轻质体材料作为内外墙,与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能、环保型住宅钢结构住宅,可采用工业化生产方式,易于实现产业化,符合可持续发展原则。

①梁、柱。，绿色生态建筑发展趋势。。钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式,梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢,它是工字钢的升级换代产品,具有抗弯性能好,翼缘宽,侧向刚度大,翼缘表面相互平行,构造方便等优点。我国目前采用的H 钢梁大多为Q235和Q345钢,翼缘宽度为60～180mm,截面高度为100～800mm。

钢结构住宅一般为大开间,框架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的要求,目前广泛使用焊接H型钢或I字热轧钢截面。对于轴压比较大、双向弯矩接近、梁截面较高的框架柱,采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。

②楼板。楼板结构的选择至关重要,它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外,更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用。所以,楼板必须有足够的承载力、刚度,并且与钢框架实现可靠连接,确保结构体系的整体刚度和稳定性。，绿色生态建筑发展趋势。。另外从抗震角度来看,还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。，绿色生态建筑发展趋势。。同时楼板还要应该满足住宅功能的要求,如防颤动、隔音、隔热等。我国钢结构住宅的楼板,一般采用钢筋混凝土结构和钢结构体系的传统做法。常用的楼盖结构有:压型钢板-现浇混凝上组合楼板,现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板,而以第一种最为常用。

③支撑体系。支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种,前者耐震能力较差,后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能,而且为门窗洞的布置提供了有利条件,目前国内用得还很少,建议在高烈度区首选偏交支撑。

④墙体围护结构。钢结构住宅的墙体围护结构,应采用具有自承重和抗冲击能力,并能保温、隔热、隔音、防火、防渗漏等多种功能轻质的墙体材料。目前,墙体主要分为自承重式和非自承重式两种。自承重墙体主要包括用于外围护结构的加气混凝土块、太空板、轻钢龙骨加强板等,以及用于内墙的轻混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。，绿色生态建筑发展趋势。。外挂的非自承重式的墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻璃纤维增强外墙板等。采用非自承重式的墙体材料,需设置墙梁用以悬挂外围护结构。门窗洞口上下要布置墙梁,多采用C或Z型冷弯薄壁型钢,尺寸取决于跨度(刚架间距)和墙距(板跨)。

三、钢结构住宅的应用前景和建议

住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产,标准化制作,而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,它属绿色环保性建筑,可再生重复利用,符合可持续发展的战略。若是在城市中采用钢结构住宅,因为其工厂化程度高、施工周期短的优势,将能很好地解决城市市区,尤其是中心市区人口稠密交通繁忙、施工生产不便的问题。因此钢结构住宅应该是城市住宅设计的主要方案之一,同时钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展,直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

四、结语

综上所述,随着高科技的发展,人们的观念与生活的方式也将不断更新与变化,对住宅总体质量的要求也将不断提高。钢结构住宅具有环保、易于产业化、可持续发展的特点,发展钢结构住宅不仅可加快国家和城市的发展速度,还可提高住宅质量和人们的居住水准,钢结构住宅必将成为我国建筑业发展的一个发展趋势。

篇5

关键词：钢筋混凝土框架；强柱弱梁；抗震

中图分类号：TU323文献标识码： A 文章编号：

引言

钢筋混凝土框架体系，随着材料性能和制作工艺的不断提高和改善，应用范围逐渐扩大。其建筑布置比较灵活，可以设计成具有较大空间的各类建筑。但是，由于其整体结构刚度小、冗余度低， 造成其抵抗强震和抗倒塌能力弱，在强震中易造成较大损失， 震后修复困难， 修复费用较高。鉴于以上原因，为了在地震区建设符合“小震不坏、中震可修、大震不倒”设防水准的框架结构房屋，《建筑抗震设计规范》做了相应的规定和要求， “强柱弱梁”就是保证“中震可修、大震不倒”的重要技术措施之一。由于框架结构一般不具备多道抗震防线， 因此延性框架塑性铰要求发生在不影响整体稳定的梁上，使柱得到保护，从而保证整体结构的稳定， 做到“大震不倒”，降低危害。

1国内对“强柱弱梁”理念的研究现状

“强柱弱梁”是钢筋混凝土框架结构抗震设计的基本原则之一，即在地震作用下，梁先于柱发生破坏。 因为梁破坏通常是局部的，且如果梁端出现塑性铰可以消耗掉一部分地震能量，从而更好的保证整个结构的安全。 而柱破坏则可能导致结构整体的倒塌，后果严重。我国现行《建筑抗震设计规范》也对“强柱弱梁”的实现做出了具体规定，即除框架顶层和柱轴压比小于0.15及框支梁与框支柱的节点外，对于考虑地震作用组合的一、二、三级框架柱，柱端组合的设计弯矩应乘以相应的增大系数。

清华大学、西安交通大学、北京交通大学土木工程专家组[1]通过对汶川地震的震害分析指出： 由于楼板的增强作用、框架梁上增加砌体或填充墙的增强作用、增大上部结构的刚度等，使得框架梁或屋盖的实际刚度增大， 在实际框架结构震害中， 很少看到“ 强柱弱梁”型破坏。由于地震的复杂性，现浇楼板的影响和钢筋屈服时的超强等因素的影响， 难以实现“ 强柱弱梁”的破坏机制， 这也引出应该根据这些因素来提高柱端弯矩增大系数从而达到梁铰机制。从单质点体系理想的荷载- 变形关系曲线[2]出发： “ 强柱弱梁”原则是延性框架结构设计的关键， 围绕这个问题来进行“ 强柱弱梁”设计， 那么“ 强柱弱梁”设计原则不是通过增加柱梁刚度比，而是通过降低梁的相对强度、提高柱的相对强度来实现的。从构件层次和结构体系层次对“ 强柱弱梁”进行概率分析[3]：抗震等级越高，柱弯矩增大，系数越大，轴压比限值越小，梁的界限受压区高度越小， 从而使柱端形成塑性铰的概率减小， 梁端出现塑性铰的概率增大， 从而增大了“ 强柱弱梁”的形成概率。通过对“ 强柱弱梁”的影响因素的分析[4]：为了满足“ 强柱弱梁”的抗震设计要求，柱端设计弯矩均应按梁端截面实配钢筋的抗震受弯承载力进行调整放大，而且在进行抗震设计时， 应考虑框架梁的塑性内力重分布，对梁端负弯矩进行适当调幅，同时应采用柱边缘所对应的梁端弯矩设计值进行截面配筋及裂缝验算。另外需要合理控制框架梁底部钢筋伸入框架柱的数量，来避免钢筋过多带来的超强刚度的影响，尤其应该考虑现浇楼板及其配筋对梁端截面受弯承载力的影响。

2 影响“强柱弱梁”实现的因素

“ 强柱弱梁”措施作为建筑抗震设计的一项重要设计原则， 在工程设计中占有重要的地位和作用，其最终目的就是形成延性框架设计， 从而为保证生命和财产的安全做贡献， 将灾害损失降到最低。综上所述，影响“ 强柱弱梁”破坏机制的因素众多，其中关键四个因素如下：

Ⅰ）现浇楼板的影响。在现浇结构中，楼板是与框架梁一起浇筑的， 两者结合良好，共同工作的能力强，楼板可以显著的提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。

Ⅱ）填充墙的影响。填充墙是一个最复杂因素， 对结构的刚度影响很大，如果是把强柱弱梁作为包括填充墙在内的整体结构抗震的屈服机制设计目标时，那么预期出铰的框架梁上则不应设置填充墙，或者在填充墙与框架柱之间留有足够的缝隙。

Ⅲ） 钢筋超配置的影响。钢筋超配会引起梁端超强，原因有以下几点：一是实际采用的钢筋屈服强度比设计的钢筋屈服强度高； 二是钢筋屈服后的应变硬化指标较高； 三是设计配筋构造， 满足最大或最小构造要求，导致的梁端抗弯承载力提高； 四是设计人员为了保证安全系数，人为地加大梁的配筋率。

Ⅳ）轴压比的影响。在进行结构设计时，多是根据轴压比来确定柱的截面尺寸，规范中为保证柱有一定的延性，对柱的轴压比规定了上限。 在设计中，由于建筑美观或者降低造价等各方面的要求，设计人员常常在满足轴压比的前提下尽量缩小柱截面尺寸，尤其是在结构底层柱。 因此规范中规定的轴压比限值过高，框架柱截面尺寸偏小，也是造成实际震害中出现“强梁弱柱”的原因之一。

3 实现“强柱弱梁”的讨论

通过以上分析可知， 若想实现“强柱弱梁”破坏机制，我们应该综合各种因素来分析，使“ 强柱弱梁”原则更加明确化、具体化、规范化。

首先，严格控制梁端钢筋的超配。利用概率分析的方法来确定截面超配筋对梁或柱的影响，来具体确定截面的超配筋系数以及控制伸入框架柱钢筋的数量， 而且还要明确的确定弯矩的调幅系数或参数，以便满足结构的“ 强柱弱梁”的设计要求， 从而最终确定最佳的柱端弯矩增大系数，减少过多钢筋在梁柱节点区的锚固，保证节点区的混凝土的质量。

其次，应具体考虑现浇楼板对“ 强柱弱梁”机制的具体影响来提取影响参数。这里主要是综合考虑剪跨比、轴压比、横向梁刚度、板内配筋情况等因素等效来确定板的有效宽度。根据最大层间位移角来计算板的有效宽度，即：T形梁的有效翼缘宽度， 主要通过考虑楼板对梁端抗负弯矩能力的贡献、对受弯承载力的影响以及结构内力重分布的影响，来确定柱端弯矩增大系数。

此外，增加柱子的非弹性变形和耗能能力。按照现行抗震规范进行框架结构设计，无法保证框架在地震中一定不发生柱铰破坏，而对“强柱弱梁”的设计规定也主要是为了防止框架发生倒塌。若框架柱有足够的变形和耗能能力，就可以一定程度上防止框架发生倒塌。 增加框架柱抗震能力的措施有很多，如采用钢套管或纤维增强复合塑料等材料对框架柱进行侧向约束或者采用高强螺旋箍筋，增加对柱核心混凝土的约束，提高柱的抗倒塌能力；另外，在技术条件和工程造价允许的前提下，采用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等组合结构柱，亦可大大提高结构的抗震性能。

参考文献：

[1] 清华大学、西安交通大学、北京交通大学土木工程结构专家组. 汶川大地震建筑震害分析[ J] . 建筑结构学报, 2008, 29( 4) : 1- 9.

[2] 朱少云, 曹维琪. “强柱弱梁”设计原则在建筑结构设计中的应用[ C] . 中国建筑学会. 第八届全国混凝土结构基本理论及工程应用学术论文集, 重庆: 重庆大学出版社, 2004: 356- 359.

篇6

关键词：测量；焊接；钢筋；模板；

中图分类号： P216文献标识码： A

引言：框架结构厂房的在施工技术上主要控制的是框架结构的钢筋、模板以及混凝土振捣问题，本文针对这几大问题进行分析，望广大同行给予指导

一、测量放线

框架结构在厂房应用中柱的设立较多，所以对其测量放样也是主要技术控制之一。在施工中要根据平面控制网线，在垫层上放出底板控制轴线和暗柱、柱基控制线。平面控制轴线采用投影仪、经纬仪引测建筑物的柱、梁的轴线及边线（或弧线的控制矢高点）。模板放线时，先清理好现场，然后根据施工图用墨线弹出模板的内外边线和中心线，还要在外边线外侧弹出控制线，以便于模板安装和校正。

二、焊接工程

厂房结构空间较高，柱体钢筋连接是重点控制项目之一，钢筋焊接采取电渣压力焊。在钢筋焊接上要做到如下几点控制：首先保证钢筋的截头平整，钢筋端头要保持齐平，并且上下钢筋要同心。在焊接过程中不允许搬动钢筋，以保证钢筋自由向下正常落下，否则会产生外观虽好的“假焊”接头。顶压钢筋时，需扶直并且不能动约半分钟，确保接头铁水固化。冷却时间约2～3分钟，然后才能拆除药盒。在焊剂盒能够周转的情况下，尽量晚拆焊剂盒，以确保接头的缓冷。正式施焊前，应先按同批钢筋和相同焊接参数制作试件，经检验合格后，才能确定焊接参数进行施工。钢筋种类、规格变换或焊机维修后，均需进行焊前试验。在施焊过程中，如发现铁水溢出，应及时增添焊药封闭。当引弧后，在电弧稳定燃烧时，如发现渣池电压低，表明上、下钢筋之间的距离过小，容易发生短路；当渣池电压过高，表明上、下钢筋之间的距离过大，则容易发生断路，均需调整。

三、钢筋工程

框架结构的钢筋工程主要分为基础、柱体、顶板三大部分，其大致施工流程如下下料运送绑扎焊接加垫块。柱体钢筋绑扎前要针对柱置进行复核。所有的钢筋材料必须符合工程要求，表面要无油污、无锈蚀。在下料的过程中必须保证下料尺寸的准确性。厂房中的柱体高度都在3.5米以上，这需要进行电碴压力焊进行焊接，所有的钢筋焊接人员必须经过培训，在操作前要对其焊接试件进行检测。厂房中的受力平台，在进行负筋绑扎时，要满口绑扎，并且形成一正一反两种绑扎形式，禁止使用全顺扣绑扎，避免弯钩的方向发生改变，同时针对保护层的厚度要进行控制，保证负筋的位置准确性，

四、混凝土质量控制

在厂房框架结构中混凝土的工程质量控制主要是针对整体框架结构。首先支立柱体的模板必须保证干净，整洁，要对有麻面或表明粗糙的麻面进行修复，在浇筑混凝土柱时，要注意控制好下料厚度，如果有较深的柱体还要在在模板加设平板振捣器。柱体在施工中必须保证一次成型不得留施工缝，柱体振捣要分层振捣，要控制好振捣时间，避免离析或过振。柱体较高的情况下，会使混凝土的施工中形成较大的施工荷载，要想避免这种情况，要对高柱体进行加固，并且控制好整体的拆模时间。所有柱体上都不得预留洞口，最大程度的确保洞口混凝土的密实性。

五、模板质量控制

框架结构厂房中，模板工程多为高模板，常见的施工问题有支撑系统不稳定。模板接缝处跑浆，梁头跑模等。在进行模板支护前要进行模板支撑计算，并且淘汰刚度较差的模板。每个柱体都要设有完整的支撑系统，模板在拼装过程中要保证平整，并且符合质量标准。模板混凝土中，水平撑要外附剪力撑进行加固，要防止柱体混凝土移位自身问题出现涨模。柱间模板可以使用套管加拉杆的方式进行加固，模板的四周要使用不少于2根钢管进行加固，以提高模板能够承受混凝土的压力性能，对称模板之间，要根据墙体的厚度使刚性管进行支撑，以保证墙体厚度一致。有防水要求时，应采用焊有止水片的螺栓。为了提高柱体表面的平整度，可以再模板面中刷入乳化膏进行隔离。每个高柱根都要根据柱体尺寸先浇15-22cm高导墙作根部模板支撑，模板上口设栏杆封口。如遇到利用柱直接安装门口，要保证，应定位准确牢固，保证不因混凝土的浇捣而移位。

模板拼缝处应贴海棉胶条。

六、现浇板裂缝的防治措施

框架结构够厂房主体为现浇板，其板体的裂缝是主要控制要点，在控制中要保证如下几点：

首先要保证砂和石子的配合比，所有骨料的含泥量要复核规范要求，水泥在选用上要选择水化热适中的水泥，并且水泥必须具备合理的安定性。坍落度要控制在160±20mm的范围内，现阶段施工多使用商品混凝土所以混凝土的塌落度要根据车次进行检测。其次模板的支撑必须保证足够的强度和稳定性，板面的标高要复核设计要求。针对钢筋控制要按照图纸进行严格控制，每个板面的钢筋在布置形式上，要复核设计图纸，而且在间距布置上要复核规范和设计要求。底板钢筋在绑扎完成后，要在底面筋上布置混凝土垫块，保证每平米不少于四个，在电力管线埋管处要进行加筋处理。上层钢筋要使用马凳进行支撑，在浇筑前还要针对面层钢筋进行检查，并且做好护筋工作。混凝土在浇筑完成后要及时做好养护，可以根据不同的天气使用塑料薄膜或草袋进行养护，派专人进行浇水，顶板养护时间不少于14天。顶层如需设置临时房屋时，要对屋面的混凝土强度进行检测，要避免钢管、材料等出现集中的现象。顶板拆模要根据顶板强度而确定，顶板模板强度未达到设计要求时禁止拆模，在拆模过程中还要控制好支撑结构的撤除顺序，要避免出现反向受力的情况。

结束语

本文针对框架结构在厂房结构的应用进行分析，并且主要对混凝土、钢筋、模板等项目进行分析，并制定合理的控制措施，希望框架结构在厂房主体工程施工中能够发挥更好的作用，最大程度的提高工程建设的经济效益。

参考文献

[1]李建新.框架结构模板工程施工技术措施[J].石河子科技.2009年01期

[2]欧振伟.建筑工程模板工程施工技术探讨[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2011年08期

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关键词：煤矿采空区 高压输电线路 铁塔地基处理

一、引言

煤矿采空区对其上经过的高压输电线路的威胁和危害的关键决定因素主要包括高压输电线路铁塔地基变形的类型、规模、大小、速度等。通常情况下，煤矿采空区所引起的高压输电线路铁塔地基变形主要包括开裂、倾斜、凹陷、起伏、错动等，对线路构成最大威胁的是错动、开裂和倾斜。基于此，接下来将探索煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理。

二、煤矿采空区高压输电线路铁塔地基出现问题的主要特点

通常情况下，煤矿采空区高压输电线路铁塔地基出现问题使地基的形状、大小、速度会受到一系列的因素的影响，例如，煤层厚度、开采方式、工艺、埋深、上部岩层强度等等。在煤层埋深大于二百米的情况下，倘若煤层有些薄，引起的高压输电线路铁塔地基变形就会相对小一些；煤层埋深越浅，开采层越厚，引起的高压输电线路铁塔地基变形塌陷就会越大。具体来说，煤矿采空区的高压输电线路铁塔地基变形的主要特点如下所述：

第一，通常能够预测一个煤矿采空区内地表的变形范围以及变形趋势；然而，却不能够预测煤矿采空区域内的一个点或者是一个小的范围的变形性质、状态、大小、方向等等。

第二，通常能够确定一个煤矿采空区内高压输电线路铁塔地基变形的最大值和最小值；然而，却不容易确定煤矿采空区域内的一个点或者是一个小的范围的变形大小。

第三，通常能够确定一个煤矿采空区内高压输电线路铁塔地基变形的整体速度和区域稳定的时间；然而，却不容易确定煤矿采空区域内的一个点或者是一个小的范围的变形的速度和稳定时间。

第四，通常能够预测一个煤矿采空区内将会发生的高压输电线路铁塔地基变形、破坏的种类（如开裂、凹凸起伏、倾斜、塌陷等）；然而，却不容易确定煤矿采空区域内的一个点或者是一个小的范围的变形的具体发生种类。

三、煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理的治理途径

根据煤矿采空区高压输电线路铁塔地基出现问题的主要特点，可以采取如下的几种治理途径：

第一，对于线路铁塔与煤层的对应位置进行精确地测量，和采矿部门进行协调，双方形成一致的意见，在煤层开采过程中在铁塔的对应位置预留足够大小和数量的煤柱，从而保证各铁塔的地基不会出现威胁铁塔安全运行的变形问题以及各种各样的破坏问题。

第二，结合煤矿采空区的埋深、规模及当地水文地质情况，采取钻孔灌浆等治理途径，进行地质加固、巷道回填，并且改造局部地质水文环境、局部地质结构。具体来说，在铁塔基础钻孔后，可以通过钻孔向铁塔基础或需要加固的采空区和岩石松动区灌注水泥浆；在铁塔基础钻较大孔径的孔后，通过钻孔向铁塔基础或未跨塌的采空区和岩石松动区灌注流沙、砂石混合料；在铁塔基础附近采用大孔径钻具钻孔后，下放蜂窝钢管、灌注混凝土，形成钢管混凝土柱支撑铁塔地基不再变形破坏。

第三，结合煤矿采空区的埋深、规模、巷道分布及局部地质条件，可以采取只加固部分地基的治理途径，进行中、浅层基础加固、地质构造利用，优化传力等。具体来说，直接加固铁塔基础使之不因采空区的逐步发展而产生塔基开裂、散体等破坏；通过精确的物探测量、区域变形分析计算和经验判断，在绝对有把握的基础上可不对铁塔基础做处理。

第四，如果煤矿采空区地质和开采情况非常复杂，存在着安全生产的威胁，那么，应该对于高压输电线路进行改线，通过重新建设一段线路来将采空区上的线路进行替换。

四、煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理的治理途径的分析

在上文的煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理的治理途径中，部分是专门针对高压输电线路铁塔抗采空变形、破坏而采取的，部分是借鉴采空区上一般建筑物加固处理的主要措施而采取的。接下来，本文进行煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理的治理途径的分析。

第一，虽然对于线路铁塔与煤层的对应位置进行精确地测量并且预留煤柱，不会产生技术上、经济上的困难，然而，在和采矿部门进行协调的过程中不容易实现双赢的结局，这种治理途径在具体的采煤过程中很难真正实现。

第二，对于钻孔灌浆等治理途径，会面临着一定程度上的技术困难，并且在经济方面也并不是非常可行的，可能会消耗掉巨大的财力资本。

第三，对于只加固部分地基的治理途径，在经济方面是比较可行的，然而，结合采空区地面变形和破坏规律，会发现在前期评估、预测的过程中存在着非常巨大的技术问题，很难科学有效地判断出应该对哪一段采空区高压输电线路铁塔地基进行处理。

第四，对于高压输电线路进行改线的治理途径，虽然在技术方面不是非常困难，然而，在经济方面却并不是非常可行的，一旦进行改线，就需要投入大量的资金。

五、结束语

综上所述，本文探索了煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理的研究与应用。通过本文的探索，得到了一些结论，有利于煤矿采空区高压输电线路铁塔地基处理领域的进一步发展。希望通过本文的探索，可以抛砖引玉，引起国内外专家学者对于该领域的进一步的重视。

参考文献：

[1] 张国军, 李文静, 梁伟峰. 煤矿塌陷区高压输电线路铁塔倾斜调正技术[J]. 中州煤炭, 2011,(10)

[2] 张波,崔翔,卢铁兵,李琳,赵志斌. 超高压输电线路铁塔附近三维电场的数值计算[J]. 电网技术, 2003,(07) .

[3] 张建强,杨昆,王予东,汤跃超. 煤矿采空区地段高压输电线路铁塔地基处理的研究[J]. 电网技术, 2006,(02) .

[4] 杨风利,杨靖波,韩军科,张子富. 煤矿采空区基础变形特高压输电塔的承载力计算[J]. 中国电机工程学报, 2009,(01) .