時間：2023-03-08 15:32:52
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇鋼管混凝土柱論文范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
關鍵詞：結構設計抗震
一.抗震設計思路發展歷程
隨著建筑結構抗震相關理論研究的不斷發展，結構抗震設計思路也經歷了一系列的變化。
最初，在未考慮結構彈性動力特征，也無詳細的地震作用記錄統計資料的條件下，經驗性的取一個地震水平作用（0.1倍自重）用于結構設計。到了60年代，隨著地面運動記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結構引起的反應隨結構周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了結構在地震地面運動的隨機激勵下的強迫振動動力特征。但同時也發現一個無法解釋的矛盾，當時規范所取的設計用地面運動加速度明顯小于按彈性反應譜得出的作用于結構上的地面運動加速度，這些結構大多數卻并未出現嚴重損壞和倒塌。后來隨著對結構非線性性能的不斷研究，人們發現設計結構時取的地震作用只是賦予結構一個基本屈服承載力，當發生更大地震時，結構將在一系列控制部位進入屈服后非彈性變形狀態，并靠其屈服后的非彈性變形能力來經受地震作用。由此，也逐漸形成了使結構在一定水平的地震作用下進入屈服，并達到足夠的屈服后非彈性變形狀態來耗散能量的現代抗震設計理論。
由以上可以看出，結構抗震設計思路經歷了從彈性到非線性，從基于經驗到基于非線性理論，從單純保證結構承載能力的“抗”到允許結構屈服，并賦予結構一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉變。
二.現代抗震設計思路及關系
在當前抗震理論下形成的現代抗震設計思路，其主要內容是：
1.合理選擇確定結構屈服水準的地震作用。一般先以一具有統計意義的地面峰值加速度作為該地區地震強弱標志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數）得到不同的設計用地面運動加速度（即小震的）來進行結構的強度設計，從而確定了結構的屈服水準。
2.制定有效的抗震措施使結構確實具備設計時采用的R所對應的延性能力。其中主要包括內力調整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。
現代抗震設計理念是基于對結構非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是關系，關系主要指在不同滯回規律和地面運動特征下，結構的屈服水準與自振周期以及最大非彈性動力反應間的關系。其中R為彈塑性反應地震力降低系數，簡稱地震力降低系數；而為最大非彈性反應位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數；T則為按彈性剛度求得的結構自振周期。
60年代開始，研究者在滯回曲線為理想彈塑性及彈性剛度始終不變的前提下，通過對不同周期，不同屈服水準的非彈性單自由度體系做動力分析，得到了有關彈塑性反應下最大位移的規律：對T大于1.0秒的體系適用“等位移法則”即非彈性反應下的最大位移總等于同一地面運動輸入下的彈性反應最大位移。對于T在0.12－0.5秒之間的結構，適用“等能量法則”即非彈性反應下的彈塑性變形能等于同一地震地面運動輸入下的彈性變形能。當“等能量原則”適用時，隨著R的增大，位移延性需求的增長速度比“等位移原則”下按與R相同的比例增長更快。由以上規律我們可以看出，如果以結構彈性反應為準，把結構用來做承載能力設計的地震作用取的越低，即R越大，則結構在與彈性反應時相同的地震作用下達到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結構必須具有更高的塑性變形能力。規律初步揭示出不同彈性周期的結構，當其彈塑性屈服水準取值大小不同時，在同一地面運動輸入下屈服水準與所達到的最大非彈性位移之間的關系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準不高的結構在較大地震引起的非彈性動力反應中不致發生嚴重損壞和倒塌的主要原因。讓人們認識到延性在抗震設計中的重要性。
之所以存在上訴的規律，我們應該注意到鋼筋混凝土結構的一些相關特性。首先，通過人為措施可以使結構具有一定的延性，即結構在外部作用下，可以發生足夠的非線性變形，而又維持承載力的屬性。這樣就可以保證結構在進入較大非線性變形時，不會出現因強度急劇下降而導致的嚴重破壞和倒塌，從而使結構在非線性變形狀態下耗能成為可能。其次，作為非線彈性材料的鋼筋混凝土結構，在一定的外力作用下，結構將從彈性進入非彈性狀態。在非彈性變形過程中，外力做功全部變為熱能，并傳入空氣中耗散掉。我們可以進一步以單質點體系的無阻尼振動來分析，在彈性范圍振動時，慣性力與彈性恢復力總處于動態平衡狀態，體系能量在動能、勢能間不停轉換，但總量保持不變。如果某次振動過大，體系進入屈服后狀態，則體系在平衡位置的動能將在最大位移處轉化為彈性勢能和塑性變形能兩部分，其中，塑性變性能將耗散掉，從而減小了體系總的能量。由此我們可以想到，在地震往復作用下，結構在振動過程中，如果進入屈服后狀態，將通過塑性變性能耗散掉部分地震輸給結構的累積能量，從而減小地震反應。同時，實際結構存在的阻尼也會進一步耗散能量，減小地震反應。此外，結構進入非彈性狀態后，其側向剛度將明顯小于彈性剛度，這將導致結構瞬時剛度的下降，自振周期加長，從而減小地震作用。
隨著對規律認識的深入，這一規律已被各國規范所接受。在抗震設計時，對在同一烈度區的同一類結構，可以根據情況取用不同的R，也就是不同的用于強度設計的地震作用。當R取值較大，即用于設計的地震作用較小時，對結構的延性要求就越嚴；反之，當R取值較小，即用于設計的地震作用較大時，對結構的延性要求就可放松。
目前，國際上逐步形成了一套“多層次，多水準性態控制目標”的抗震理念。這一理念主要含義為：工程師應該選擇合適的形態水準和地震荷載進行結構設計。建筑物的性態是由結構的性態，非結構構件和體系的性態以及建筑物內容物性態的組合。目前性態水準一般分為：損傷出現（damageonset）、正常運作（operational）、能繼續居住（countinuedoccupancy）、可修復的（repairable）、生命安全（lifesafe）、倒塌（collapse）。性態目標指建筑物在一定程度的地震作用下對所期望的性態水準的表述。對建筑抗震設計應采用多重性態目標，比如美國的“面向2000基于性態工程的框架方案”曾對一般結構、必要結構、對安全起控制作用的結構分別建議了相應的性態目標――基本目標（常遇地震下完全正常運作，少遇地震下正常運作，罕遇地震下保證生命安全，極罕遇地震下接近倒塌）、必要目標（少于地震下完全正常運作，罕遇地震下正常運作，極罕遇地震下保證生命安全）、對安全其控制作用的目標（罕遇地震下完全正常運作，極罕遇地震下正常運作）。對重要性不同的建筑，如協助進行災害恢復行動的醫院等建筑，應該按較高的性態目標設計，此外，也可以針對甲方對建筑提出的不同抗震要求，選擇不同的性態目標。
三.保證結構延性能力的抗震措施
合理選擇了結構的屈服水準和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結構確實具有所需的延性能力，從而保證結構在中震、大震下實現抗震設防目標。系統的抗震措施包括以下幾個方面內容：
1.“強柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現較早，在達到最大非線性位移時塑性轉動較大；而柱端塑性鉸出現較晚，在達到最大非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩定的塑性耗能機構和較大的塑性耗能能力。
2.“強剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導致結構的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節點的組合剪力值，使結構能在大震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發生剪切破壞。
3.抗震構造措施：通過抗震構造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時保證結構的整體性。
這一系統的抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機構卻出現了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以優先引導梁端出塑性鉸為前提。
新西蘭的抗震研究者認為耗能機構宜采用符合塑性力學中的“理想梁鉸機構”，即梁端全部形成塑性鉸，同時底層柱底也都形成塑性鉸的“全結構塑性機構”。其具體做法是通過結構分析得到各構件組合內力值后，對梁端截面就按組合彎矩進行截面設計；而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進行設計；對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進行截面設計。通過這一做法實現在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機構”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強系數。
美國抗震界則認為新西蘭取的柱彎矩增強系數過大，根據經驗取了較小的柱彎矩增強系數，這一做法使結構在大震引起的非彈性變形過程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機構”。
新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機構”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實現框架延性和耗散地震能量，同時因為除底層柱底外的其它柱端不出現塑性鉸，也就不必再對這些柱端加更多的箍筋。但是這種思路過于受塑性力學形成理想機構概念的制約，總認為底層柱底應該形成塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴格的軸壓比要求，同時還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發生破壞很容易導致結構整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優勢。
因此很多研究者認為不需要被塑性力學的機構概念所限制，只要能在大震下實現以下的塑性耗能機構，就能保證抗震設計的基本要求：
1.以梁端塑性鉸耗能為主；
2.不限制柱端塑性鉸出現（包括底層柱底），但是通過適當增強柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉動離其塑性轉動能力有足夠裕量；
3.同層各柱上下端不同時處于塑性變形狀態。
我國的抗震措施中對耗能機構的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機構”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學的“理想梁鉸機構”模式。
抗震設計中我們為了避免沒有延性的剪切破壞的發生，采取了“強剪弱彎”的措施來處理構件受彎能力與受剪能力的關系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。以梁構件為例，在較大地震作用下，梁端形成交叉斜裂縫區，該區混凝土受斜裂縫分割，形成若干個菱形塊體，而且破碎會隨著延性增長而加劇。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區基本重合，垂直和斜裂縫寬度都會隨延性而增大?？拐鹣赂鶕憾说氖芰μ卣?，正剪力總是大于負剪力，正剪力作用下的剪壓區一般位于梁下部，但由于地震的往復作用，梁底的混凝土保護層可能已經剝落，從而削弱了混凝土剪壓區的抗剪能力；交叉斜裂縫寬度比非抗震情況大，以及斜裂縫反復開閉，混凝土破碎更嚴重，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應退化；混凝土保護層剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的銷栓作用有一定退化?？梢?，地震作用下，混凝土抗剪能力嚴重退化，但是試驗發現箍筋的抗剪能力仍可以維持。當地震作用越來越小時，梁端可能不出現雙向斜裂縫，而出現單向斜裂縫，裂縫寬度發育也從大于非抗震情況到接近非抗震情況，抗剪環境越來越有利。此外，抗震抗剪要求結構構件應在大震下預計達到的非彈性變形狀態之前不發生剪切破壞。因為框架剪切破壞總是發生在梁端塑性鉸區，這就不僅要求在梁端形成塑性鉸前不發生剪切破壞，而且抗剪能力還要維持到塑性鉸的塑性轉動達到大震所要求的程度，這就需要更多的箍筋。同時，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強度，而是為了提高構件在發生剪切破壞時所達的延性。
綜上所述，與非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能與剪力作用環境，塑性區延性要求大小有關。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強度公式：
其中為混凝土抗剪能力，為箍筋抗剪能力，為由于地震作用導致的混凝土抗剪能力下降的折減系數，且隨著剪力作用環境、延性要求而改變。我國的抗震抗剪強度公式也以上面公式為基礎的，但是為設計方便，不同的烈度區取用了相同的公式，均取為0.6，與上面提到的混凝土抗剪能力隨地震作用變化而不同的規律不一致，較為粗略。
延性對抗震來說是極其重要的一個性質，我們要想通過抗震措施來保證結構的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應變，破壞時的受壓區高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越大，混凝土受壓區高度就越大，延性越差；受壓鋼筋越多，混凝土受壓區高度越小，延性越好；混凝土強度越高，受壓區高度越低，延性越好（但如果混凝土強度過高可能會減小混凝土極限壓應變從而降低延性）；對柱子這類偏壓構件，軸壓力的存在會增大混凝土受壓區高度，減小延性；箍筋可以提高混凝土極限壓應變，從而提高延性，但對于高強度混凝土，受壓時，其橫向變形系數較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發揮，所以對于高強度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發生局部壓屈失穩，提高構件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結構抗震性能具有相當重要的作用。根據以上規律，在抗震設計中為保證結構的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。
四.我國抗震設計思路中的部分不足
我國在學習借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎上，逐漸形成了自己的一套較為先進的抗震設計思路。其中大部分內容都符合現代抗震設計理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要我們今后加以完善。
其中，最值得我們注意的是，與國外規范相比，我國抗震規范在對關系的認識上還存在一定的差距。歐洲和新西蘭規范按地震作用降低系數（“中震”的地面運動加速度與“小震”的地面運動加速度之比）來劃分延性等級，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美國UBC規范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區推薦使用高延性等級，在低烈度區推薦使用低延性等級。這幾種抗震思路都是符合規律的。而目前我國將地震作用降低系數統一取為2.86，而且還把用于結構截面承載能力設計和變形驗算的小震賦予一個固定的統計意義。對延性要求則并未按關系來取對應的，而是按抗震等級來劃分，抗震等級實質又主要是由烈度分區來決定的。這就導致同一個R對應了不同的，從而制定了不同的抗震措施，這與關系是不一致的。這種思路造成低烈度區的結構延性要求可能偏低的結果。
另外，我國規定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設防目標也存在一定的問題。該設防目標對甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說，并不都是恰當的。這種籠統的設防目標也不符合當今國際上的“多層次，多水準性態控制目標”思想，這種多性態目標思想提倡在建筑抗震設計中應靈活采用多重性態目標。甲類建筑指重大建筑工程和地震時可能發生嚴重此生災害的建筑，乙類建筑指地震時使用不能中斷或需要盡快修復的建筑，由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統的使用以上同一個性態目標（設防目標），此外，還應該考慮建筑所有者的不同要求，選擇不同的設防目標，從而做到在性態目標的選擇上更加靈活。
五.常用抗震分析方法
伴隨著抗震理論的發展，各種抗震分析方法也不斷出現在研究和設計領域。
在結構設計中，我們需要確定用來進行內力組合及截面設計的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反應譜法，彈性時程分析方法來計算該地震作用值，這三種方法都是彈性分析方法。其中，底部剪力法最簡便，適用于質量、剛度沿高度分布較均勻的結構。它的大致思路是通過估計結構的第一振型周期來確定地震影響系數，再結合結構的重力荷載來確定總的水平地震作用，然后按一定方式分配至各層進行結構設計。對較復雜的結構體系則宜采用振型分解反應譜法進行抗震計算，它的思路是根據振型疊加原理，將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加，將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結構總的地震作用、作用效應。而對于特別不規則和特別重要的結構，常常需要進行彈性時程分析，該方法為直接動力分析方法。以上方法主要針對結構在地震作用下的彈性階段，保證結構具有一定的屈服水準。
關鍵詞：翼墻；鋼管混凝土；Abaqus有限元；加固
0引言
近年來，我國頻繁發生地震災害，比如2008年，汶川大地震；2010年，青海玉樹大地震；2013年，四川的蘆山縣大地震；2014年，新疆省于田大地震，我們對現有建筑結構的抗震性能提出了更高的要求。很多建筑物和構筑物在我們的長期使用中會出現各種各樣的問題，如承載力不足、地基沉降、出現裂縫等[1]。為了能夠正常使用，防止結構出現嚴重的損害，給人們帶來財產、精神和生命上的危害，應該對建筑物及時的進行可靠度鑒定，并采取相應的措施對建筑物進行加固維修。鋼筋混凝土框架結構加固的方法主要包括：外包鋼法、粘貼纖維復合材料加固法、粘鋼加固法、增大截面法、增設翼墻加固等[2]。本文將通過Abaqus非線性有限元模擬來探究鋼管混凝土翼墻的受力性能。
1構件尺寸及模型建立
1.1構件的尺寸
本文模擬中選取如下的模型作為研究對象：混凝土柱尺寸500×500mm，柱高1.8m，縱向鋼筋12B16，箍筋B8@ 200mm，底端加密箍筋B8@100mm（B為鋼筋直徑），兩側的翼墻為鋼管混凝土翼墻，用鋼套箍將鋼管混凝土翼墻的端部與鋼筋混凝土柱固結在一起，其它部位沒有連接，鋼套箍為高度300mm，厚度為5mm。其中的一個構件的截面如圖1.1所示。
圖1.1 構件的截面尺寸
有限元數值模擬分別以鋼管的厚度為參變量，對不同組的構件分別進行低周反復荷載作用下的模擬。其中L表示鋼筋混凝土柱的長，B表示鋼筋混凝土柱的寬；l表示鋼管混凝土翼墻的長度，b表示鋼管混凝土翼墻的厚度；n表示軸壓比；t表示鋼管的厚度。構件尺寸如表1.1。
表1.1 鋼管混凝土翼墻加固構件模擬試件表
試件編號 L（mm） ×B（mm） l（mm） ×b（mm） n t（mm）
JGZ-1 500×500 300×200 0.5 3
JGZ-2 500×500 300×200 0.5 5
JGZ-3 500×500 300×200 0.5 7
1.2模型的建立
運用創建部命令件創建混凝土柱、混凝土翼墻、鋼管、縱筋和箍筋各部件，其中混凝土柱、 混凝翼墻和鋼管為實體單元，而縱筋和箍筋為桁架單元。如圖1.2所示。
圖1.2 模型建立
2不同試件的有限元分析
2.1試件的滯回曲線
在軸壓比0.5時，翼墻中鋼管的厚度為3mm、5mm、7mm的鋼管混凝土翼墻加固柱的構件滯回曲線如圖2.1所示。
圖2.1 JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3滯回曲線
從圖2.1能夠看出，在這組模擬中任何一個滯回曲線形狀都表現為比較飽滿的梭形，這反映了鋼管混凝土翼墻加固鋼筋混凝土柱具有良好的耗能能力以及抗震性能[3]。
從這組的滯回曲線可以看出，鋼管厚度t=7mm的加固構件的滯回曲線的峰值最大，t=3mm的加固構件滯回曲線峰值最小，說明鋼管厚度越大鋼管混凝土翼墻加固柱的極限承載力越大。隨著加載的繼續進行，滯回曲環的峰值出現了下降，不同鋼管厚度下降的趨勢也不同，鋼管厚度為3mm的加固柱下降趨勢比鋼管厚度為7mm的加固柱下降趨勢大，說明隨著鋼管厚度的增大鋼管混凝土翼墻加固柱的延性增加[4]。
2.2試件的骨架曲線
在軸壓比為0.5時，翼墻中鋼管厚度為3mm、5mm、7mm的鋼管混凝土翼墻加固柱的構件骨架曲線如下圖2.2所示。
圖2.2JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3骨架曲線
從圖2.2可以看出，鋼管混凝土翼墻中鋼管厚度為7mm時加固構件的極限承載力值最大，鋼管厚度為5mm次之，鋼管厚度為3mm最小，說明了隨著鋼管厚度的增加鋼管混凝土翼墻加固柱的極限承載力增大。
在骨架曲線的前期彈性階段，鋼管厚度為7mm的鋼管混凝土翼墻加固的鋼筋混凝土柱的斜率最大，說明隨著鋼管厚度的增加構件的彈性階段的剛度增大，加載后期骨架曲線均有一段保持水平，表現出鋼管混凝土翼墻加固柱具有良好的塑性性能；隨著荷載繼續加載，骨架曲線出現下降趨勢，說明鋼管混凝土加固鋼筋混凝土柱的延性降低；鋼管厚度為3mm的加固構件下降趨勢大于鋼管厚度為7mm的加固構件，說明了鋼管厚度越大加固構件的延性越好[5]。
3結論
利用有限元軟件ABAQUS以鋼管厚度為參數建立的3個鋼管混凝土翼墻加固鋼筋混凝土柱模型，并進行了模擬分析，從提取的滯回曲線和骨架曲線上可以看出，鋼管混凝土翼墻加固柱均具有較好的耗能能力及抗震性能。鋼管厚度增加則構件的極限承載力增大，剛度增大，耗能能力良好。由于篇幅有限有些參變量沒有考慮進來，在以后的研究中將重點關注。
參考文獻
[1] 魏闖.增設翼墻加固功能混凝土柱受力性能研究[D]沈陽建筑大學碩士論文，2011
[2] 柳炳康，吳勝興，周安.工程結構鑒定與加固[M].北京：中國建筑工業出版社，2008
[3] 張心令，王財全，劉潔平. 翼墻加固方法對框架結構抗震性能的影響分析[J].土木工程學報，2012
[4] 景悅.方鋼管混凝土軸壓短柱非線性有限元分析[D].河北工業大學學位論文，2008
目前國內超高層均大量采用大截面鋼管混凝土柱，并且在不同部位設置水平橫隔板，故鋼管混凝土柱大體積混凝土澆筑質量、均勻性，特別是橫隔板部位混凝土的密實性，以及混凝土終凝后與鋼管內壁和外壁之間的粘結性能對大截面鋼管混凝土柱的承載力和延性等力學性能具有重要影響?；炷临|量以及界面粘結性能的損傷和缺陷的存在對結構性能造成負面影響，必須采取新手段對鋼管混凝土柱中混凝土的澆筑質量以及鋼管混凝土柱鋼管與混凝土的粘結性能進行必要的監測與評估。筆者通過在長沙市天心區保利國際廣場項目上應用壓電應力波測量和壓電機電耦合阻抗測量的監測方法有效地解決了鋼管混凝土柱界面與混凝土質量檢測的難題。
【關鍵詞】
超高層建筑、鋼管混凝土柱、混凝土質量檢測方法。
中圖分類號： TU208 文獻標識碼： A
一、項目概況和背景
保利國際中心（B3棟）為保利國際廣場中的超甲級寫字樓，它聳立于長沙市南湖路與湘江大道交匯處，與橘子洲頭雕像正對。建筑效果圖如圖1.1所示。該工程的建筑物主體結構設計使用年限為50年。塔樓標高+0.000（絕對標高40.600米）以上采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒-伸臂體系，其中梁以H型鋼梁為主，柱由方鋼管混凝土為主，角部為8個圓鋼管混凝土柱，核心筒區域外樓面采用鋼筋桁架樓承板組合樓板；標高+0.000以下采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系，其中梁為混凝土梁，柱變成型鋼混凝土柱（其中方鋼管混凝土柱變成十字形截面柱，圓鋼管混凝土柱變成圓鋼管混凝土組合柱）。樓板均為混凝土樓板。剪力墻和柱在標高+88.950以下采用C60混凝土，+173.550以下采用C50混凝土，+173.550以上采用C40混凝土澆筑。不同標高位置鋼管混凝土柱平面布置示意圖如圖1.2-1.4。
圖1.1 塔樓效果圖
圖1.2 塔樓標高+0.000以下框架柱平面示意圖
圖1.3 塔樓標高+0.000~119.230框架柱平面示意圖
圖1.4 塔樓標高119.230以上框架柱平面示意圖
二、監測主要方法選擇
2.1基于壓電應力波測量的監測方法
本工程的監測過程采用32通道比利時進口LMS-SCM05振動測試分析集成系統。該系統自帶信號發生功能，可以產生高頻激勵信號，并且各通道間完全獨立高頻采樣。該系統可以產生簡諧信號、掃頻信號、隨機信號以及觸發信號等各種類型信號，可用于直接驅動壓電功能塊，在混凝土內部產生應力波。同時，該系統具有高效、穩定的采樣能力，其最大采樣頻率可達100KHz，能有效的采集到壓電傳感器以及壓電功能塊接收到的高頻信號。而且該系統配備有功能強大的數據分析系統，其LMS Test.Lab Time Recording Add-in模塊具有時間歷程記錄功能，并與特征數據采集、階次跟蹤分析、譜采集或實時倍頻程保持同步。記錄的時間數據可利用Test.Lab特征數據通程處理模塊做進一步的后處理。該系統集發出信號、采集信號以及后處理分析信號于一身，極大地滿足了本次監測的需要。如圖2.1所示。
圖2.1 現場測試狀況以及比利時LMS測試系統
2.2基于壓電機電耦合阻抗測量的檢測方法
在機電耦合阻抗法中，通過測量粘帖于鋼管外壁的壓電智能材料與鋼管壁所構成的機電耦合系統的機電阻抗來評估界面性能，其測量原理見圖2.2。圖2.3表示的是用于測量機電阻抗的寬頻帶惠普阻抗分析儀以及一個帶模擬界面剝離的鋼管混凝土構件。運用機電阻抗測量法對此帶模擬界面剝離的鋼管混凝土構件的剝離狀況進行了監測。圖2.4顯示的是界面完好與剝離區域的壓電智能材料的阻抗測量結果的比較以及多定義的界面損傷指標。實驗結果表明，基于機電阻抗測量可以很好識別出鋼管混凝土構件中無法觀測到的界面剝離損傷。根據試驗構件的性能選取相應頻段，分別測量了界面損傷發生前后的阻抗值，通過比較阻抗峰值的偏移和峰值對應頻率的變化，有效的識別結構的損傷?；谧杩沟姆椒軌蛴行У胤从尘植繐p傷，由于其測量頻率較高，因此對初始微小損傷比較敏感。
圖2.2 基于壓電陶瓷的機電阻抗測量原理
圖2.3 帶模擬界面剝離的鋼管混凝土構件以及阻抗測量裝置
圖2.4 界面完好與剝離區域的比較以及界面損傷指標
此方法主要針對鋼管混凝土柱的柱身在易于出現混凝土缺陷和界面缺陷的部位進行抽樣檢測，重點關注關鍵部位混凝土澆筑質量、橫向加勁板以下范圍鋼管壁與核心混凝土的界面粘結狀態。
三 、鋼管混凝土構件監測
利用兩種監測方法對澆筑后的鋼管混凝土柱中最易于發生核心混凝土缺陷以及核心混凝土與鋼管內壁和橫隔板下表面界面缺陷的部位進行檢測，重點關注橫隔板下部位內部核心混凝土完整性、核心混凝土與鋼管內壁的界面粘結狀態。
（1）對于基于應力波的檢測，采用一發一收以及一發多收的方式進行。通過對應力波傳遞距離相等的一組傳感器的輸出信號的分析來對核心混凝土的完整性以及界面狀態進行評價。
（2）對于壓電耦合阻抗法，采用對粘帖在鋼管外壁的壓電陶瓷片或者嵌入式壓電功能塊的機電耦合阻抗測量對界面粘結性能進行監測與評價。
3.1 監測對象以及測點布置
為了實現以上監測目的，采用應力波法和壓電耦合阻抗法兩種方法相結合的方法，將在標高+0.000以上塔樓B3棟周邊的每層24根Q345B鋼管混凝土柱中的選擇關鍵截面進行抽樣檢測，采用技術壓電功能塊、壓電傳感器（PZT）進行。
圖3.1方形鋼管柱橫截面及立面示意圖
圖3.2 圓形鋼管柱橫截面及立面示意圖
標高+0.000以上高235.5米，共50層，鋼柱采用自密實混凝土分段澆筑，其中1-10層每2層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土，10層以上每3層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土。24根鋼管柱中16根為方鋼管混凝土柱，8根為圓鋼管混凝土柱。橫截面及立面示意圖如圖3.1-3.2所示。
選取矩形截面柱與圓形截面柱與型鋼梁的連接節點處最容易出現缺陷的部位，即三層橫隔板中的最上層以下的部位進行監測?？偝闄z構件數為總吊裝節段數的約30%。
在上層橫隔板下表面安裝壓電功能塊，在鋼管外壁粘帖壓電片。結合應力波法和機電耦合阻抗法進行監測與分析。
3.1.1方形截面鋼管混凝土柱
（1）嵌入式與表面粘帖相結合
在上層橫隔板下表面上每邊布置3個壓電功能元，其中1個位于每邊的中間位置，其中PZT的方向為豎直且垂直于該鋼管內壁。另外2個壓電功能元布置在該邊的1/4和3/4處，該壓電功能塊與鋼管內壁留20mm距離，其PZT平面豎直但平行于該內壁。每個構件供設置12個壓電功能塊。此外，每邊對應位置設置4個PZT，每個構件共設置16個PZT片。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面的壓電功能塊以及外壁PZT片布置示意圖如圖3.3所示。在每個吊裝層中，選取一個方鋼管柱采取該方式布置。
（2）外部粘帖壓電陶瓷片
對于部分方鋼管柱，采用外部粘帖壓電片的方法。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面外壁PZT片布置示意圖如圖3.4所示。核心混凝土與鋼管內壁的界面粘結狀態通過壓電阻抗法評估，核心混凝土采用應力波方法檢測與評估。在鋼管已經安裝就位其靠建筑外側的表面無法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片的情況下，可以只在方柱的兩個相對的側面上進行粘貼。
圖3.3方形鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面壓電功能元以及PZT片布置示意圖
圖3.4方形鋼管混凝土柱上層橫隔板下鋼管表面粘帖PZT片布置示意圖
3.1.2 圓形截面鋼管混凝土柱
（1）嵌入式與表面粘帖相結合
對于部分圓形截面鋼管混凝土柱，在上層橫隔板下表面上沿鋼管內壁均勻布置6個壓電功能元，該壓電功能塊與鋼管內壁留20mm距離，其PZT平面豎直且與鋼管內壁保持相切。此外，鋼管外壁對應位置設置6個PZT。圓形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面的壓電功能塊以及外壁PZT布置示意圖如圖3.5所示。在每個吊裝層中，選取一個方鋼管柱采取該方式布置。
（2）外部粘帖壓電陶瓷片
另外的圓鋼管柱采用外部粘帖壓電片的方法。圓形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面外壁PZT片布置示意圖如圖3.6所示。核心混凝土與鋼管內壁的界面粘結狀態通過壓電阻抗法評估，核心混凝土采用應力波方法檢測與評估?？紤]到嵌入式壓電功能元的施工耗時較多，主要采取表面粘帖壓電陶瓷片的方法進行。在鋼管已經安裝就位其靠建筑外側的表面無法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片的情況下，可以只在圓柱的相互垂直的兩個相對位置上進行粘貼。
圖3.5方形鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面壓電功能元以及PZT片布置示意圖
圖3.6方形鋼管混凝土柱上層橫隔板下鋼管外壁粘帖PZT片布置示意圖
3.2監測方法
3.2.1基于應力波的鋼管混凝土監測
運用方形截面以及圓形截面構件內部對稱位置的壓電功能塊進行信號發射和接受信號，對信號進行小波包能量分析，進而對鋼管混凝土內部核心混凝土的均勻性進行評估。激勵信號采用掃頻信號、正弦信號和脈沖信號，測量兩次。用收發信號距離等同的一組傳感器的輸出信號來評定監測結果。
對于方鋼管混凝土柱的四個角區的缺陷的監測，選取每邊中間位置的壓電功能塊作為激勵器，采集對應鋼管外壁的兩個PZT的響應。
對于方鋼管混凝土的四邊鋼管內壁與核心混凝土的截面粘結情況，分別采用嵌入式壓電功能元作為激勵，對于外壁PZT片接受信號的方式進行監測。
3.2.2基于機電耦合阻抗的鋼管混凝土界面性能監測
鋼管壁與核心混凝土的粘結狀況，分別對于嵌入式壓電功能元和表面粘帖壓電陶瓷片進行機電耦合阻抗測量，通過阻抗結果的分析對界面粘結性能進行評估。
3.2.3混凝土界面性能監測
分別基于應力波和機電耦合阻抗測量，在混凝土澆筑后1-2周內測量一次。
選取嵌入和粘貼方案的方形截面和圓形截面鋼管混凝土試件各一個（圖3.7中位置1與2），進行多次監測?；炷翝仓?天，7天，14天，28天，3月，6月分別進行測試。
參考文獻：
[1] 國家發明專利：基于壓電陶瓷和小波包分析的鋼管混凝土構件鋼管壁剝離監測方法,（201010544540.8，已授權，專利第一發明人：許斌）。
[2] 國家發明專利：基于壓電陶瓷機電耦合阻抗的鋼管混凝土構件管壁界面剝離監測方法, （201110268031.1，公開中，專利第一發明人：許斌）。
[3] 張婷：基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱界面剝離損傷監測的實驗研究。碩士學位論文，湖南大學土木工程學院，2012（指導教師：許斌）。
[4] 黃清：基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱界面及混凝土缺陷損傷評估。碩士學位論文，湖南大學土木工程學院，2012（指導教師：許斌）。
[5] Bin Xu 等: Active Debonding Detection for large rectangular CFSTs based on wavelet packet energy spectrum with piezoceramics, 美國土木工程師協會結構工程雜志ASCE Journal of Structural Engineering (in Press)。
[6] Bin Xu, Ting Zhang, Gangbing Song, Haichang Gu: Active Interface Debonding Detection of a Concrete-Filled Steel Tube with PZT Techniques using Wavelet Packet Analysis, Mechanical Systems and Signal Processing, DOI: 10.1016/j.ymssp.2011.07.029。
[關鍵詞]鋼管混凝土柱抗火分析防火措施
鋼管混凝土柱在工程中的應用日益廣泛,其耐火性能和防火措施問題受到了人們的關注。在火災作用下,鋼管混凝土柱構件截面會形成不均勻的溫度場,同時材料性能在高溫下會不斷惡化,其溫度效應和結構效應是同時存在的。因此熱力耦合分析是比較接近實際的方法,但是處理難度較大。在一般情況下,結構構件的溫度分布主要受到外界火焰溫度、材料熱工性能、構件形狀和尺寸等的影響,而結構內力狀態和變形等的影響非常小[1],因此可以先求出構件溫度場,然后將溫度場結果用于受力性能的計算,這在以往的理論研究中采用較多,例如韓林海[2]、Lie和Denham[3]、鄭永乾[4]、王衛華[5]等。
纖維模型法、分段積分法和有限元法在常溫下鋼管混凝土構件的分析中已得到較為廣泛的應用,通過考慮熱工參數和力-熱本構關系等,可以將上述方法用于高溫分析中。作者通過在以往福州大學組合結構課題組中的學習研究以及現在的探索,對上述分析方法及其特點進行了介紹,并對鋼管混凝土柱的防火措施進行了探討,以期為有關理論研究和工程實踐提供參考。
1溫度場分析方法
1.1 自編截面溫度場有限元程序
鋼管混凝土構件在四面受火時可近似地認為溫度沿著構件長度方向不變化,因此可簡化為沿截面的二維溫度場問題。根據孔祥謙[6]描述的方法編制了分析鋼管混凝土構件在高溫下截面溫度場的非線性有限元程序。材料熱工參數暫取用Lie和Denham[3]建議的鋼材和混凝土熱工參數表達式,并考慮了混凝土中水分的影響,對混凝土熱工參數進行了修正[7]。在受火面同時存在著對流和輻射兩種換熱,采用第三類邊界條件求解,對流傳熱系數取25W/m2K;綜合輻射系數取0.5[8]。計算時暫不考慮鋼材與混凝土之間的接觸熱阻,假設完全傳熱,截面劃分采用三角形單元。采用上述方法編制了計算火災下構件截面溫度場的MATLAB程序,該程序適用性強,計算速度快,改變截面等重要參數亦能迅速得到溫度結果,程序計算結果可在后文纖維模型法和分段積分法計算耐火極限中采用。
1.2 有限元軟件ABAQUS分析
圖1溫度-時間關系計算結果與實驗結果對比
采用有限元軟件ABAQUS在進行結構分析時必須調節各節點溫度,因此建立的三維溫度場分析模型和結構分析模型一致。混凝土和剛性墊塊采用八節點三維實體單元DCC3D8D,鋼管采用四節點殼單元DS4。鋼管內壁與混凝土采用束縛(Tie)約束。
為驗證程序的正確性,本文對方鋼管混凝土柱截面溫度實驗曲線[9]進行計算,如圖1所示,可見,采用MATLAB和ABAQUS的計算結果與實驗結果吻合良好。其中,構件截面尺寸為B×ts=203×6.35mm,B為方鋼管外邊長,ts為鋼管壁厚,d為測點距鋼管面的距離。實驗按照加拿大設計規程CAN4-S101規定的升溫曲線進行。
2火災下受力性能分析方法
2.1 纖維模型法
鋼材在溫度和應力共同作用下的總應變(s)由三部分組成,即應力作用產生的應變(s)、自由膨脹應變(sth)和高溫瞬時蠕變(scr)。混凝土在溫度和應力共同作用下的總應變(c)由四部分組成[7],即應力作用產生的應變(c)、自由膨脹應變(cth)、高溫徐變(ccr)和瞬態熱應變(tr)。鋼材和混凝土的自由膨脹應變、高溫下鋼材的應力-應變關系均采用Lie和Denham[3]給出的表達式,高溫下受壓區混凝土的應力-應變關系采用韓林海[2]提供的約束混凝土模型,受拉區混凝土采用Rots等[10]提出的模型,具體表達式參考Cai等[11]。
計算時采用如下基本假設:(1)構件在變形過程中始終保持為平截面;(2)鋼材和混凝土之間無相對滑移;(3)忽略剪力對構件變形的影響;(4)構件兩端為鉸接,撓曲線為正弦半波曲線。由于對稱性,取一半截面計算,單元劃分如圖2所示。
根據截面上任一點的應變i,可確定對應的鋼管應力si和混凝土應力ci,則可得截面內彎矩Min和內軸力Nin為
(1)
(2)
其中,Asi和Aci分別為鋼管單元面積和混凝土單元面積,yi為計算單元形心坐標。
火災下,具有初始缺陷uo和荷載偏心距eo鋼管混凝土柱的荷載-變形關系及耐火極限的計算步驟如下:①計算截面參數,進行截面單元劃分,確定鋼管混凝土橫截面的溫度場分布;②給定中截面撓度um,計算中截面曲率,并假設截面形心處應變o;③計算單元形心處的應變i,計算鋼管應力si和混凝土應力ci;④計算內彎矩Min和內軸力Nin;⑤判斷是否滿足Min/Nin=eo+uo+um的條件,如果不滿足,則調整截面形心處的應變o并重復步驟③～④,直至滿足;⑥判斷是否滿足作用在構件上荷載=Nmax(t)的條件,Nmax(t)為t時刻溫度場情況下,鋼管混凝土柱荷載-變形關系曲線上峰值點對應的軸力,如果不滿足,則給定下一時刻的截面溫度場,并重復步驟③～⑤,直至滿足,則此時刻t即為構件的耐火極限。
采用纖維模型法對火災下鋼管混凝土構件的荷載-變形關系和耐火極限進行計算,概念明確,計算方便,但是纖維模型法是一種簡化的數值分析方法,在進行力學性能分析時,不能準確分析高溫作用下鋼與混凝土的應力狀態、應變發展和相互作用等,同時,采用纖維模型法時難以獲得構件在整個受火過程中的變形,而且計算時只能取計算長度。
2.2 分段積分法
高溫下材料應力-應變關系與纖維模型法相同,鋼材的高溫蠕變較為明顯,可采用AIJ[12]給出的表達式及系數?；炷了矐B熱應變數值較大,在高溫分析中應合理考慮,本文選取Anderberg和Thelandersson提出的模型[13]。對于混凝土的高溫徐變,可選擇應用較多的Anderberg和Thelandersson模型[13]。
分析時采用的基本假設去掉纖維模型法基本假設中的(4),其余相同。為了反映材料在構件長度和截面兩個方向上性能的變化,在對鋼管混凝土柱進行單元劃分時,考慮兩個層次的劃分。在構件長度方向上劃分若干個梁-柱單元,將構件視為通過結點相連的梁-柱單元的集合。截面采用切線剛度法,類似于纖維模型法中的直接迭代法。將截面分割為若干微單元,確定微單元形心的幾何特性和相應的材料切線模量,然后利用合成法求得的材料切線模量和相應的單元幾何特性確定各個單元的貢獻,最后將各單元的貢獻疊加,從而獲得截面切線剛度距陣。由于對稱性取半個截面進行計算。鋼管混凝土構件截面單元劃分與纖維模型法截面劃分一致,沿長度方向單元劃分如圖3所示,其中N為作用在構件上的荷載,e為荷載偏心距。
本文采用近似的UL表述(即AUL表述),利用虛功原理可得AUL表述的局部坐標系下非線性梁-柱單元增量平衡方程為[14]:
(3)
其中,代表單元在直線位形的體積;和分別為應力和應力增量;eL和eNL分別為軸向應變的線性分量和非線性分量;znnz7fbb7l5為單元的結點位移增量向量;{r}和{r}分別為單元結點力向量和結點力增量向量;結點力和位移向量定義詳見鄭永乾[4]。
參考Jetteur等[14]可得局部坐標系下改進的AUL表述的單元增量平衡方程為:
(4)
式中,為梁-柱單元的切線剛度矩陣,可分為兩部分:,其中,為材料非線性的小位移剛度矩陣,為反映大位移效應的幾何剛度矩陣;{f}為梁-柱單元的結點力向量,具體表達式詳見鄭永乾[14]。
在進行程序編制中,采用了兩個級別的積分策略。在截面上采用合成法,即在截面上劃分足夠數目的微單元,將每個單元的貢獻采用直接迭加的辦法來實現積分的運算;在長度上采用六點Gauss積分法。溫度流動路徑可參考過鎮海和時旭東[1]推導確定。
采用分段積分法能夠獲得受火全過程的變形曲線及其耐火極限,能夠考慮鋼材高溫蠕變、混凝土瞬態熱應變和高溫徐變,能夠直接利用桿長和邊界條件計算。與纖維模型法一樣,分段積分法也難以準確分析高溫下鋼與混凝土相互作用等受力特性。
2.3 有限元軟件ABAQUS
以往不少學者已采用有限元軟件ABAQUS對鋼管混凝土柱在常溫下的受力性能進行了系統的分析[2],但對于高溫下的ABAQUS分析比較少,王衛華[5]對圓鋼管混凝土柱的耐火性能進行計算分析,計算結果與實驗結果比較總體偏于安全,計算時未考慮鋼材高溫蠕變和混凝土瞬態熱應變。
有限元模型中,鋼材采用ABAQUS軟件中提供的等向彈塑性模型,滿足Von Mises屈服準則。高溫下鋼管的應力-應變關系、蠕變表達式同分段積分法?；炷敛捎肁BAQUS軟件中提供的塑性損傷模型,模型中基本參數取值根據HKS[15]確定。高溫下受壓區混凝土的應力-應變關系采用韓林海[2]ABAQUS分析的常溫表達式,并參考韓林海[2]的高溫模型進行了修正。受拉區混凝土模型、瞬態熱應變關系同分段積分法,參考Li和Purkiss[13]將混凝土瞬態熱應變考慮到應力-總應變關系曲線中。需要說明的是,采用塑性損傷模型較難考慮混凝土高溫徐變,ABAQUS分析中暫不考慮其影響。
以Lie和Chabot [16]中構件C21為例,截面尺寸B×ts=273.1×5.56mm,鋼材屈服強度350MPa,混凝土圓柱體強度29MPa,硅質骨料,構件兩端固結,作用在構件上的荷載525kN。圖4所示為1/4構件的有限元分析模型,其中,鋼管采用四節點減縮積分格式的殼單元S4R,混凝土采用八節點減縮積分格式的三維實體單元C3D8R。端部設置剛性很大的墊塊施加軸向荷載,墊塊采用三維實體單元C3D8R模擬。剛性墊塊與鋼管采用Shell to Solid Coupling進行約束,與混凝土之間采用法向硬接觸約束。根據構件實際受力情況,設置兩個分析步驟,首先在構件加載位置施加荷載N,保持外荷載不變,調用溫度場分析結果計算。初始彎曲取1/1000桿長。
圖4有限元模型
利用上述方法,可以得到該鋼管混凝土柱的計算軸線變形()-受火時間(t)關系曲線,如圖5所示,其中向上軸向變形為正,構件壓縮為負。可見,計算結果與實驗結果總體趨勢接近,計算的耐火極限偏于安全。在軸壓比不大的情況下,升溫初期,由于鋼管溫度較高,熱膨脹也比核心混凝土大的多,構件膨脹大于外荷載引起的軸向壓縮,變形曲線上升,荷載主要由鋼管承擔,隨著鋼管溫度的提高,鋼材強度和彈性模量將大大退化,軸向變形曲線下降。當變形值下降到一定程度,核心混凝土繼續承受外荷載,隨著高溫下混凝土材料屬性的降低,軸向變形曲線逐漸下降直至構件破壞[17]。在軸壓比較大的情況下,前期上升的軸向變形則不明顯或不出現。
圖5軸線變形-時間關系曲線
圖6給出構件的破壞形態以及最終的應力狀態,其中變形放大了10倍。可見,構件跨中有較大的彎曲變形,左側與右上受火部位的鋼管與混凝土之間明顯脫開?？缰凶髠蠕摴軠囟冗_到931℃,Mises應力19.44MPa。端部未受火,承受較大外荷載,Mises應力最大為52.33MPa?；炷量v向壓應力最大為14.69MPa,在頂部,對于跨中和離頂部約1/6桿長位置,混凝土縱向應力也較大,約達到13.85MPa。
(a) 破壞形態 (b) 鋼管Mises應力 (c) 混凝土縱向應力
圖6破壞時形態及應力分布
圖7所示為不同時間下構件跨中截面混凝土縱向應力的分布情況,為便于分析,在圖5中定出A~E點。可見,在常溫加載后,即0min時,跨中截面混凝土應力基本呈現帶狀分布,混凝土全截面受壓,由于初始彎曲,在外荷載作用下一側壓應力較高,如圖7(a)所示。升溫初期,荷載主要由外部鋼管承擔,截面混凝土溫度外高內低,高溫區的熱膨脹變形受到低溫區的約束,因此高溫區混凝土為壓應力,內部低溫區混凝土為拉應力,截面應力分布云圖與溫度分布類似,如圖7(b)所示。隨著截面內外溫差的減小,混凝土壓應力和內部拉應力有所減小,在C點位置,核心混凝土又開始承受外荷載,如圖7(c)所示?；炷猎跍囟群屯夂奢d作用下,壓應力增加,在D點位置,混凝土中心點壓應力6.96MPa,右邊緣點壓應力6.07MPa,如圖7(d)所示。隨著混凝土溫度的進一步升高,材料屬性惡化較為嚴重,跨中撓度增加較快,破壞時壓應力最大區域在截面中心偏下,即偏向構件彎曲內側,壓應力為13.85MPa,此時整個截面混凝土為受壓狀態,如圖7(e)所示。
(a) A點(0min) (b) B點(23min) (c) C點(33min)
(d) D點(68min) (e) E點(100min)
圖7不同時間下跨中截面混凝土縱向應力
采用ABAQUS軟件結果后處理形象直觀,能夠進行火災全過程的應力、應變、相互作用等受力特性分析。采用ABAQUS的建模、參數分析及計算的速度不如前面兩種,目前ABAQUS研究鋼管混凝土耐火性能尚不完善,例如適合于ABAQUS分析的混凝土高溫本構模型、混凝土高溫徐變、接觸熱阻取值、高溫下鋼與混凝土的粘結滑移等還需要進一步研究。
3防火措施
(1)根據韓林海[2]的研究結果,火災荷載比、截面尺寸、長細比和防火保護層厚度是影響鋼管混凝土柱耐火極限的主要因素。因此,為提高耐火極限,可在設計中降低荷載比、增大截面尺寸、改變長細比或采取防火保護措施。在鋼管混凝土外部采用防火保護是非常有效的方法,在不少工程中應用,例如深圳賽格廣場大廈、杭州瑞豐國際商務大廈、武漢國際證券大廈等[2]。防火保護可采用厚涂型鋼結構防火涂料、金屬網抹水泥砂漿、外包混凝土和采用防火板。
厚涂型鋼結構防火涂料效果明顯,在工程中應用較多。噴涂前,首先應將鋼管表面處理干凈,然后打底,底層材料由干料(圖8(a))、專用膠黏劑和水按一定比例攪拌均勻,如圖8(b)所示。接著利用空壓機(圖8(c))和噴槍在鋼管表面打底,一次攪拌的混合料宜在2小時內用完,圖8(d)所示為打底后的情況。待底層材料完全凝固硬化后可開始采用手工涂抹。取袋裝干料和水按一定比例攪拌均勻,在鋼管表面分層涂抹,如圖8(e)和(f)所示。
(2)配鋼筋。以往已有一些學者對鋼管配筋混凝土柱的耐火性能進行研究,取得了部分研究成果[2]。本文作者采用分段積分法計算了火災下鋼管配筋混凝土柱的變形和耐火極限,結果表明,對于專門考慮抗火作用鋼筋的構件,配筋率1～5%可比鋼管素混凝土柱耐火極限提高約10%～60%,配筋率每增加1%約增加11%。隨著鋼筋屈服強度的增加,構件的耐火極限稍有增加。對于火災荷載比包含鋼筋受力作用的構件,配筋率和鋼筋屈服強度對耐火極限的影響很小,該內容將另文發表。
(3)為保證火災時核心混凝土中水蒸氣能夠及時散發,確保結構安全工作,需在鋼管混凝土柱上設置排氣孔,直徑一般為20mm[2]。
(a)袋裝干料 (b) 攪拌均勻 (c) 空壓機
(d) 噴底層材料后 (e) 圓鋼管混凝土涂抹 (f) 方鋼管混凝土涂抹
圖8防火涂料施工
4結語
4.1 采用自編有限元程序和有限元軟件ABAQUS計算鋼管混凝土柱在火災下的溫度場,均可以取得較好的結果,同時為火災下構件受力性能的計算分析提供基礎。
4.2 纖維模型法、分段積分法和有限元法是火災下鋼管混凝土柱受力性能分析的常用方法。纖維模型法概念明確,計算方便,但它是一種簡化的數值分析方法,難以準確考慮鋼材的高溫蠕變、混凝土的瞬態熱應變和高溫徐變。分段積分法將構件沿著長度方向分為若干單元,將數值積分點處的截面分為若干面積單元,在單元分析中采用改進的AUL 表述推導得到梁柱單元剛度矩陣方程,程序中可合理考慮鋼材高溫蠕變、混凝土瞬態熱應變和高溫徐變。采用纖維模型法和分段積分法均難以準確分析高溫作用下鋼與混凝土的應力狀態、應變發展和相互作用等受力特性,采用有限元法可以很好地解決這些問題,但是有限元方法建模和計算速度較慢,適合有限元軟件分析的材料高溫本構、參數取值等研究尚不完善。
4.3 為提高鋼管混凝土柱的耐火極限,可在采用厚涂型鋼結構防火涂料、金屬網抹水泥砂漿、外包混凝土、防火板或配置專門考慮防火的鋼筋,其中在鋼管混凝土表面涂抹防火涂料是非常有效的保護措施。
隨著科學技術的發展,新型鋼管混凝土結構逐漸得到人們的重視,例如帶肋薄壁鋼管混凝土、中空夾層鋼管混凝土、鋼管高性能混凝土等,他們的耐火性能及其抗火設計、施工等問題還需要進一步探討。
參考文獻:
[1] 過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學出版社,2003.
[2] 韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐(第二版)[M].北京:科學出版社,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] 鄭永乾.方鋼管混凝土柱耐火極限的計算[C].中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構分會第十二次學術會議論文集,2009.10, 中國廈門,217-220.
[5] 王衛華.鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁平面框架結構耐火性能研究[D].福州:福州大學博士學位論文,2009.
[6] 孔祥謙. 有限單元法在傳熱學中的應用(第三版)[M].北京:科學出版社,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.
論文摘要:隨著房屋抗震要求的提高，以及墻體新材料的推廣使用，傳統的住宅磚混結構已逐漸被框架結構所替代，豎向承重構件混凝土柱對房屋結構來說就顯得尤為重要了，但通過我們對現場質量搭檢查以及平時質量監督檢查時發現，目前混凝土柱質量狀況較混凝土梁板要差的多，一些混凝土質量通病在混凝土柱子上反映也比較集中。鋼筋混凝土結構的耐久性問題已越來越引起人們的關注，混凝土結構加固技術是一門新興的學科，結構試驗研究、理論分析及規范編制等基礎理論工作，近年來均有很大進展。
鋼筋混凝土柱是指用鋼筋混凝土材料制成的柱。是房屋、橋梁、水工等各種工程結構中最基本的承重構件，常用作樓蓋的支柱、橋墩、基礎柱、塔架和桁架的壓桿。按照制造和施工方法分為現澆柱和預制柱?，F澆鋼筋混凝土柱整體性好，但支模工作量大。預制鋼筋混凝土柱施工比較方便，但要保證節點連接質量。
鋼筋混凝土柱按配筋方式分為普通鋼箍柱、螺旋形鋼箍柱和勁性鋼筋柱。普通鋼箍柱適用于各種截面形狀的柱是基本的、主要的類型，普通鋼箍用以約束縱向鋼筋的橫向變位。螺旋形鋼箍柱可以提高構件的承載能力，柱載面一般是圓形或多邊形。勁性鋼筋混凝土柱在柱的內部或外部配置型鋼，型鋼分擔很大一部分荷載，用鋼量大，但可減小柱的斷面和提高柱的剛度；在未澆灌混凝土前，柱的型鋼骨架可以承受施工荷載和減少模板支撐用材。用鋼管作外殼，內澆混凝土的鋼管混凝土柱，是勁性鋼筋柱的另一種形式。
一、常見柱質量通病原因分析
（一）混凝土強度偏低，勻質性差，低于同等級的混凝土梁板，主要原因是隨意改變配合比，水灰比大，坍落度大；攪拌不充分均勻；振搗不均勻；過早拆模，養護不到位，早期脫水表面疏松。
（二）混凝土柱“軟頂”現象，柱頂部砂漿多，石子少，表面疏松、裂縫。其主要原因是：混凝土水灰比大，坍落度大，澆搗速度快，未分層排除水分，到頂層未排除水分并第二次澆搗。
（三）混凝土的蜂窩、孔洞。主要原因是配合比不正確；一次下料過多，振搗不密實；位分層澆筑，混凝土離析，模板孔隙位堵好，或模板支撐不牢固，振搗時，模板移位漏漿。
（四）混凝土露筋，主要原因是混凝土澆筑振搗時，鋼筋的墊塊移位，或墊塊太少，甚至漏放，鋼筋緊貼模板致使拆模后露筋；鋼筋混凝土結構截面較小，鋼筋偏位過密，大石子卡在鋼筋上，水泥漿不能充滿鋼筋周圍，產生露筋；因混凝土配合比不準確，澆筑方法不當，混凝土產生離析；澆搗部位缺漿或模板嚴重漏漿，造成露筋；本模板濕潤不夠，混凝土表面失水過多，或拆模時混凝土缺棱掉角，造成露筋。
（五）混凝土麻面，缺棱掉角。主要原因是模板表面粗糙或清理不干凈；澆筑混凝土前木模板未濕或濕潤不夠；養護不好；混凝土振搗不密實；過早拆模，受外力撞擊或保護不好，棱角被碰掉。
二、可采取的控制措施
（一）混凝土強度偏低，勻質性差的主要控制措施
1、確?；炷猎牧腺|量，對進場材料必須按質量標準進行檢查驗收，并按規定進行抽樣復試。
2、嚴格控制混凝土配合比，保證計量準確，按試驗室確定的配合比及調整施工配合比，正確控制加水量及外加劑摻量。加大對施工人員宣傳教育力度，強調混凝土柱結構規范操作的重要性，改變其認為柱子混凝土水灰比大，易操作易密實的錯誤觀念。
3、混凝土應拌合充分均勻，混凝土坍落度值可以較梁板混凝土小一些，宜摻減水劑，增加混凝土的和易性，減少用水量。（二）混凝土柱“軟頂”的主要控制措施
1、嚴格控制混凝土配合比，要求水灰比、坍落度不要太大，以減少泌水現象。
2、摻減水劑，減少用水量，增加混凝土的和易性。
3、合理安排好澆筑混凝土柱的次序，適當放慢混凝土的澆筑速度，混凝土澆筑至柱頂時應二次澆搗并排除其水分和抹面。
4、連續澆筑高度較大的柱時，應分段澆筑，分層減水，尤其是商品混凝土。
（三）混凝土柱蜂窩孔洞的主要控制措施
1、混凝土攪拌時，應嚴格控制材料的配合比，經常檢查，保證材料計量準確。
2、混凝土應拌合充分均勻，宜采用減水劑。
3、模板縫隙拼接嚴密，柱底模四周縫隙應用雙面膠帶密封，防止漏漿。
4、澆筑時柱底部應先填100厚左右的同柱混凝土級配一樣的水泥沙漿。
5、控制好下料，保證混凝土澆筑時不產生離析，混凝土自由傾落高度不應超過2m。
6、混凝土應分層振搗，在鋼筋密集處，可采用人工振搗與機械振搗相結合的辦法、嚴防漏振。
7、防止砂石中混有粘土塊等雜物。
8、澆筑時應經常觀察模板、支架墻縫等情況，若有異常，應停止澆筑，并應在混凝土凝結前修整完畢。
（四）混凝土露筋的主要控制措施
1、混凝土澆筑前，應檢查鋼筋和保護層厚度是否準確，發現問題及時修整。
2、混凝土截面較小，鋼筋較密集時，應選配適當的石子。
3、為了保證混凝土保護層厚度，必須注意固定好填塊，墊塊間距不宜過稀。
4、為了防止鋼筋移位，嚴禁振搗棒撞擊鋼筋，保護層混凝土要振搗密實。
5、混凝土澆筑前，應用清水將模板充分濕潤，并認真填好縫隙。
6、混凝土也要充分養護、不宜過早拆除。
（五）混凝土麻面缺棱掉角的主要控制措施
1、模板面清理干凈，不得粘有干硬水泥沙漿等雜物。
2、板模在混凝土澆筑前應充分濕潤，混凝土澆筑后應認真澆水養護。
3、混凝土必須按操作規程分層均勻振搗密實，嚴防漏漿。
4、拆除柱模板時，混凝土也具有足夠的強度；拆模時不能用力過猛、過急，注意保護棱角。
5、加強成品保護，對于處在人多運料等通道時，混凝土陽角要采取相應的保護措施。
三、有關鋼筋混凝土結構的加固問題
鋼筋混凝土結構的耐久性問題已越來越引起人們的關注。美國學者用“五倍定律”形象地說明耐久性的重要性，特別是設計對耐久性問題的重要性。設計時，對新建項目在鋼筋防護方面，每節省1美元，則發現鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元，混凝土開裂時多追加維護費用25美元，嚴重破壞時多追加維護費用125美元。這一可怕的放大效應，使得各國政府投入大量資金用于鋼筋混凝土結構的耐久性與加固的研究。除了耐久性外，還有施工質量問題，許多新建的建筑工程也存在較嚴重的工程質量問題和質量事故，這些建筑的加固在整個加固工作中，也占有相當大的比例。
對老化或有病害的鋼筋混凝土結構進行加固是提高其耐久性、延長其使用壽命較有效的辦法，其主要方法有以下幾種：加大截面加固法、外包鋼加固法、預應力加固法、增設支撐加固法、粘鋼加固法、托梁拔柱技術、增設支撐體系及剪力墻加固法、增設拉結連系加固法、裂縫修補技術等。
Abstract： Due to steel housing with a high technological content， construction and installation cost is higher than other classes corresponding housing. However， considered in conjunction occupancy， land use efficiency and other factors； steel residential genus worthy new residential architecture. Based on the high-rise steel residential architecture in what a useful research and exploration， considering in the calculation process seismic loads and wind loads， research for the promotion of development and improvement of steel housing has a guiding significance and reference value.
關鍵詞：高層鋼結構住宅；結構計算及分析；地震荷載；風荷載
Key words： high-rise steel residential；structure calculation and analysis；seismic load；wind load
中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）02-0131-03
0 引言
鋼框架結構與混凝土框架結構相比，有很多不同之處。一方面鋼材比混凝土材質更為均勻、各方向的力學性能幾乎一樣，這些有利于結構的分析計算；另一方面，鋼材強度較高，在相同承載力下鋼構件的截面可以減小很多。這是鋼結構的一個優點，但同時也產生一些問題：構件截面的抗彎剛度EI、抗扭剛度GIt、抗翹曲剛度EIw均小于混凝土構件的各個剛度值。剛度小就意味著抗變形的能力比較差，容易產生較大的變形。[1-5]
1 荷載效應的計算
我國《鋼結構設計規范》對框架結構的內力計算作規定，但公式只限于彈性分析，而且一般采用一階彈性分析。由于鋼框架結構P-Δ效應較大，采用一階彈性分析顯得保守，這時宜采用二階分析。國內外學者對鋼框架結構二階效應進行了研究，比較成熟的分析方法有兩種：塑性區法和塑性鉸法。這兩種方法都對材料進入塑性階段給出了研究結果。但由于計算工作量大，難于在實際結構設計中推廣。
本文按照我國鋼結構設計規范（GB50017-2014）中的設計方法，通過PKPM軟件，對常用的鋼結構體系進行分析，從而找出結構性能比最好的結構體系。[1-2]
2 PKPM計算分析
2.1 結構模型
現以昆明某小區12層鋼結構住宅為背景，建筑方案為：（高層）地下1層，地上12層，出屋面樓梯、電梯間1層；層高為地下3.6m，地上12層每層均為2.9m，出屋面4.1m；室內外高差：0.45m；地上結構總高度：0.45+2.9×12=35.25m；結構方案為：樓板采用現澆混凝土平板，預應力槽形疊合板，樓面預留70mm建筑做法，輕骨料混凝土填充；主體結構材料為鋼材：Q235；混凝土強度等級：鋼管混凝土柱C40，其他C30；鋼筋：HPB300級、HRB400級?；A采用鋼筋混凝土樁基礎；填充墻采用200mm厚加氣混凝土砌塊?？拐鹪O防烈度分別考慮7度和8度，設計基本加速度值為0.10g和0.20g，設計地震分組為第二組，場地土特征周期值選取0.40s。
結構類型分別考慮鋼框架-支撐結構和鋼框架-混凝土筒體結構兩種，結構平面布置如圖1和圖2所示，其三維模型如圖3和圖4所示。柱子采用方鋼管柱和鋼管混凝土柱兩種類型。
2.2 計算結果比較
通過PKPM計算，將兩種結構計算結果進行比較，期中用鋼量對比如表1所示，層間位移角對比如表2所示，應力比對比如表3所示。
通過以上分析可以看出，無論是7度設防區還是8度設防區，采用鋼管混凝土柱的結構用鋼量少，在水平荷載作用下的層間側移也比較小。說明鋼管混凝土柱的使用效果更好，在高層鋼結構中表現更好。此外，從應力比對比結果來看，鋼框架-混凝土筒體結構各類構件的應力比比較高，說明構件的承載力更能夠充分發揮。
3 結論
本文對高層鋼結構常用的結構體系進行了分析與對比。從分析結果可以得出以下結論：
3.1 用鋼量
無論是鋼框架-支撐結構還是鋼框架-混凝土筒體結構，采用鋼管混凝土柱的用鋼量都比較小。7度時兩種結構的用鋼量比為1：0.96，8度時兩種結構的用鋼量比為1：0.92，兩種結構的用鋼量相當。若是考慮經濟性，在結構中采用鋼管混凝土柱可以大大降低成本。
3.2 抗側移性能
7度、8度時，兩種結構類型都可以滿足水平側移要求，鋼框架-混凝土筒體結構更優。兩者的側移不僅滿足了規范規定的限值，而且滿足了住宅精裝修的要求。
3.3 安全性能
鋼框架-支撐結構和鋼框架-混凝土筒體結構都能滿足安全性能的要求，兩種結構的構件應力比都比較大，構件的承載力能夠充分發揮。
綜上所述：鋼管混凝土柱的受力性能要強于方鋼管柱，在8度區，用鋼梁比后者少了8%左右，優勢相當的明顯。對于鋼框架-混凝土筒體結構，在兩個方向上筒體都屬于強支撐體系，所以安全性能全面高于其他結構類型。
參考文獻：
[1]中華人民共和國國家標準.GB50017-2014，鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社.
[2]鄭添，王恒華.多高層鋼結構住宅結構體系的優選研究[D].東南大學碩士學位論文，2005.
[3]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2003.
[4]崔欽淑，歐新新.PKPM系列程序在土木工程中的應用[M].北京：機械工業出版社，2006.
關鍵詞：鋼管混凝土；抗火；設計方法；國外新趨勢
中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：
隨著我們進入21世紀以來，鋼管混凝土已被大家熟知。這種具有良好性能的新技術頗受廣大學者以及工程師們的喜愛。
1 鋼管混凝土柱的優點：
⑴承載能力高鋼管混凝土柱軸心受壓時，混凝土外層鋼管對其產生緊箍效應，其內部核心混凝土的強度有很大提高，鋼管也發揮了自身的強度作用，所以柱的抗壓承載力高。
⑵良好的塑性及韌性如采用單一的混凝土柱進行受壓，常屬于脆性破壞，而鋼管混凝土的管內混凝土受鋼管的約束作用，使混凝土的彈性工作段增大，且破壞時有很大的塑性變形，而且這種構件在水平荷載的反復作用下顯示出良好的延性。
⑶工程耐腐蝕性優于純鋼結構鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結構少得多，抗腐和防腐所需費用也比鋼結構節省。
⑷工程造價降低，建筑物的使用面積增大由于鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，同時用于防腐的費用減少，因此相應降低地基基礎、 主體等多項分部的工程造價。除此之外,因為鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱要減少 60 %以上，截面尺寸也比鋼柱小，所以擴大了建筑物的使用空間和面積。
2抗火研究內容
在我國從20世紀80年代后期，鋼管混凝土的應用就進入了高層領域，在實際的應用中更是發現了上述的優點，所以發展十分迅速。高層建筑中采用鋼管混凝土結構已為廣大工程技術界所重視，越來越顯示出它在高層和超高層建筑中的優勢。由于高層結構的抗火問題一直是受到關注的，所以高層建筑鋼管混凝土的抗火問題就值得研究。以下介紹抗火研究的內容。
2.1材料特性的研究
鋼管混凝土所用材料無非是鋼與混凝土這兩類材料，與抗火有關的材料特性主要包括彈性模量、強度（屈服強度、極限強度）、應力—應變本構關系及熱傳導系數、熱膨脹系數、密度和比熱等熱工參數。因此確定鋼和混凝土的高溫性能（物理特性和力學性能）是解決火災下鋼結構的結構性能問題的必要條件。
2.2單個構件抗火性能研究
由于鋼結構抗火較混凝土結構差，所以主要對鋼結構抗火性能進行理論和試驗研究，早期主要是以單個構件為研究對象。鋼柱分析主要基于常溫下的受力、變形性能分析，采用高溫下的結構材料特性進行，研究對象包括鋼梁、鋼柱、節點等。目前國內外研究者基本都采用數值模擬分析鋼構件在火災中的反應，結果表明：熱膨脹是影響鋼構件抗火性能的一個重要因素之一，其影響的大小與構件兩端的約束條件有關系，對應鋼梁，梁端鉸接的梁耐火時間最長。
2.3結構整體抗火性能研究
鋼結構的材料性能隨火災升溫發生非線性變化，另外在溫度內力，材料幾何非線性，應力非線性等的影響下，使得火災下整體鋼結構的全過程分析很困難。但是要進行整體結構的抗火設計，就必須進行結構整體火災反應分析，近期主要利用成熟的商業有限元軟件包（ANSYS、ABAQUS等）進行數值模擬。
3結構抗火設計的方法
目前通常采用的結構抗火設計方法主要有三種：
3.1 基于試驗的結構抗火設計方法
這種方法以試驗為設計依據，通過進行不同類型構件在標準升溫條件和規定荷載分布下的耐火試驗，確定在采取不同的防火措施后構件的耐火極限。建筑物的耐火等級大小、構件在建筑物中所處的位置以及構件的重要性決定了構件所需的耐火極限大小。最后設計構件的截面尺寸，根據試驗所確定的構件實際耐火極限大小來校核，若不滿足耐火極限要求，則需重新設計構件，直至滿足耐火極限要求。我國現行的《高層民用建筑設計防火規范》和《建筑設計防火規范》采用的就是這種設計方法。這種抗火設計方法的優點是簡單直觀，便于應用。但試驗費用昂貴，且缺乏理論性和合理性，不能從根本上考慮材料性能隨溫度的劣化過程，不能模擬結構的端部約束情況和各種荷載形式。
3.2 基于計算的結構抗火設計方法
隨著理論基礎和計算機技術的高速發展，己有可能實現結構抗火的數值計算。采用數值計算方法進行結構抗火研究可以更真實地模擬實際情況中結構的火災力學性能。從20世紀70年代，國際上開始研究基于計算的結構抗火設計方法，這些方法可以考慮結構的真實受力和約束情況。目前，很多學者都開始采用基于計算的構件抗火設計方法，主要是經典算法和有限元計算方法。考慮構件的截面尺寸、受力形式與受力大小、構件的約束形式對構件抗火能力的影響，利用熱傳導理論和結構理論通過分析確定構件的抗火能力，更符合客觀實際，是對傳統方法中結構抗火能力確定進行的改進方法。
3.3 性能化結構抗火設計方法
由于性能化方法以結構抗火需求為目標，最大程度地模擬結構的實際抗火能力，因此是一種科學先進的抗火設計方法。對結構抗火需求進行改進，根據具體結構對象，直接以人員安全和火災經濟損失最小為目標，確定結構抗火需求；同時考慮實際火災升溫及結構整體性能對結構抗火能力的影響。
以上3種方法中基于試驗的抗火設計方法基本上已不再使用，現在的試驗一般用來檢驗理論研究的結果。基于計算的結構抗火設計
方法是以高溫下鋼結構整體反應為目標的設計方法，是目前抗火設計的整體發展趨勢。性能化結構抗火設計方法考慮火災隨機性，目前研究和工程實踐還很少，是新的研究課題。
4國外鋼—混凝土結構抗火設計的新方法
國外抗火設計的一種趨勢是以設計火災的溫度－時間曲線為基礎的抗火設計。這種方法的關鍵是找出導致結構破壞的火災效應的極限值，對于給定的受外荷載作用的構件，其火災效應隨不同火災密度而變化。
國際標準化組織(ISO-834)建議的建筑構件抗火試驗曲線，表達式如下：
式中：t為時間(min)； Tg為t時刻的溫度；Tg（0）為初始溫度。
加拿大國家標準曲線CAN4-S101如下：
式中t以小時計。
美國和加拿大采用的為ASTM-E119標準升溫曲線，可近似地用下式表示：
歐洲規范采用的建筑室內火災標準升溫曲線為ISO-834標準升溫曲線，同時歐洲規范對烴類可燃物火災另建議了一條升溫曲線為：
式中t以秒計。
下圖為ISO-834、CAN4-S101、烴類可燃物火災、ASTM-E119火災升溫曲線的對比示意圖。
圖一 四種標準升溫曲線
5結語
該文簡要介紹了一些鋼管混凝土抗火研究所遇到的一些問題，希望以此可以為后來作進一步的抗火研究奠定一些基礎。管內核心混凝土相對鋼材具有較大的熱容量, 能吸收大量的熱量。所以在遭受火災時, 外部鋼管雖然升溫較快, 但內部混凝土升溫滯后, 仍具有一定的承載力, 因而增加了鋼管的耐火時間,相對傳統鋼結構可以大量節約防火涂料。所以說由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間相互貢獻、協同互補、共同工作的優勢，使這種結構還是具有較好的耐火性能。
參考文獻
[1] 韓林海.鋼管混凝土結構.北京:科學出版社,2000
[2] 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構.北京: 科學出版社,2001
[3] 鐘善桐.鋼管混凝土結構.清華大學出版社,2003
[4] 過鎮海、李衛.混凝土耐熱力學性能的試驗研究總結.清華大學土木工程系，1991
[5] 鐘善桐.高層鋼管混凝土結構.黑龍江科學技術出版社,1999
[6] 李國強、蔣首超.鋼結構抗火計算與設計.中國建筑工業出版社，1999
[7] 徐蕾.方鋼管混凝土柱耐火性能及抗火設計方法研究.哈爾濱工業大學博士學位論文.2002
【關鍵詞】鋼管RPC；實驗制備；軸壓短柱；受力性能
1、研究背景
RPC（活性粉末混凝土）是20世紀90年代由法國開發的一種新型的水泥基復合材料，它具有普通高強混凝土無法比擬的優越性能。主要表現為高強度、高韌性、高耐久性等。它的基本原理是： 通過減小原材料顆粒尺寸，采用合理的級配增加了材料的堆積密度，使混凝土的微裂縫和孔隙等缺陷最少化，就可以獲得由其組成材料所決定的、最大的承載能力，并具有優異的耐久性。粉煤灰的摻入在一定程度上改善了RPC漿體的和易性，進一步增加了RPC 的密實程度，成本也有所降低， 更加適合我國工程的實際情況。
由于RPC 的超高強度，對其進行一般的配筋設計是困難而不經濟的，雖然它的韌性較一般混凝土要好得多，但同鋼材相比也還有較大的差距，因此也不宜獨立用于荷載較大的結構構件。如何在工程中有效地使用這種新材料，鋼管RPC（鋼管活性粉末混凝土）作為一種新的結構形式，展現出了更好的工程實用性，其性能集合了鋼管混凝土與活性粉末混凝土兩者的優越性。鑒于以上背景，我們對鋼管RPC 的制備和力學性能進行一個初步研究，雖然之前國內也有相關研究，但目前鋼管RPC的運用一直尚處于開始階段，因此僅就鋼管RPC 的軸壓短柱的極限抗壓強度進行了研究。
2、實驗材料、配合比及制備
1、實驗材料
RPC實驗原材料盡量選擇現階段工程運用較為廣泛的材料，爭取其制備和推廣的實用性及經濟性。
（1）水泥 湖南洞庭P.O42.5普通硅酸鹽水泥；
（2）硅粉 上海埃凱微硅粉，SiO2含量89.56%，平均粒徑在0.1～0.15 μ m，比表面積為18200/kg，密度2.21g/ cm3；
（3）粉煤灰 湖南大唐湘潭電廠Ⅰ級粉煤灰；
（4）砂 天然河砂，粒徑0.3mm～0.6mm；
（5）減水劑 北京慕湖外加劑有限公司生產的高濃型萘系高效減水劑FDN，褐黃色粉末，主要成分為β-萘磺酸甲醛縮合物，摻量2%時，減水率20%以上。
（6）水 自來水
2、配合比及制備
在對RPC的研究中，我們采用三元膠凝體系（水泥-粉煤灰-硅灰體系）來確定配合比，在理論配合比的基礎上，結合本地相關材料和未來施工工藝普遍化的需求，進行了多次配合比調整，最終確定的配合比為：
（1）水膠比（質量比） = 水/ （水泥+ 粉煤灰+ 硅粉） =0.18；
（2）砂灰比（質量比） = 砂/（水泥+ 粉煤灰） = 1.25；
（3）硅粉摻量（質量比） = 硅粉/（水泥+ 粉煤灰） = 0.2；
（4）粉煤灰摻量（質量比） = 粉煤灰/ （水泥+ 粉煤灰） =0.3。
根據以上配合比及與普通混凝土相同的養護條件和實驗齡期，對三組尺寸為40mm×40mm×160mm的試件進行抗壓強度實驗，實驗數據見表1所示。
根據實驗數據表明，利用湖南省常見材料和普通混凝土的常規養護能成功配制出強度達C120以上的RPC，但因為原材料與養護條件等的制約，RPC的超高性能優勢并沒有充分發揮出來。
3、鋼管RPC軸壓短柱抗壓強度實驗
試件設計： 試件采用直徑100mm，高度300mm、壁厚4mm的Q235 普通低碳鋼鋼管，數量為3根，先按上述配合比要求完成RPC的攪拌，然后澆筑于預先設計好的鋼管內，用振動臺振實，然后覆蓋塑料膜防止水分流失，成型24小時后，進行常規養護。28天齡期達到后，在湖南城市學院結構實驗室5000KN液壓式壓力機上進行軸壓短柱抗壓強度試驗。同時在相同配合比相同材料相同環境下制備了3組立方體RPC試塊。
為了準確地測量試件的應變，沿每個試件周邊布設縱向4對電阻應變片，應變片數據分別通過靜態電阻應變儀自動采集。試驗采用分級加載，每級荷載為預估極限荷載的1/10，每級荷載持荷2～3 min，當達到極限荷載后，則采用慢速連續加載，以獲得鋼管RPC完整的荷載縱向應變曲線，試件的極限荷載是指試件的最大承載能力。
4、試驗結果分析
本文試驗結果表明：沒有側向約束的RPC試件在達到極限荷載時，都呈爆裂式脆性破壞。在鋼管RPC中RPC經鋼管約束后，整個組合試件不但承載力有較大的提高，延性也有很大的改善。從圖1可以看出鋼管RPC軸壓短柱的受力性能可分為4個階段：
第一階段：彈性階段（OA段），在此階段荷載一縱向應變基本呈線性變化，鋼管和RPC之間的相互作用較弱。
第二階段：彈塑性階段（AB段），在這一階段，由于鋼管進入彈塑性狀態，彈性模量不斷減小，而RPC在此時仍呈現線彈性狀態，引起鋼管和RPC之間的應力重分布，導致試件的荷載縱向應變關系曲線逐漸呈明顯的非線性變化。但此階段很短，約占極限荷載的5%～10%。
第三階段：承載力下降段，這是在鋼管活性粉末混凝土的承載力達到極限后鋼管和核心活性粉末混凝土發生復雜相互作用的階段。
第四階段：強化階段，此階段鋼管進入強化工作狀態，試件的承載力呈現出回升的趨勢，回升的幅度也同樣取決于試件本身的套箍系數，套箍系數越大，回升的幅度也越大。
以上結果分析表明：鋼管RPC短柱在軸心受壓時，具有很好的彈性和彈塑性力學性能，破壞形式屬于延性破壞。
5、結論
通過以上分析可以看出，在鋼管RPC中RPC經鋼管約束后，整個組合試件不但承載力有較大的提高，延性也有很大的改善，鋼管RPC短柱在軸心受壓時，具有很好的彈性和彈塑性力學性能。因此將這種材料應用于大型結構工程具有一定的前景，但如何在利用常規原材料，常規施工工藝及養護條件下，既達到鋼管RPC的超高性能又能有它的廣泛適用性和經濟性等方面值得進一步的研究。
參考文獻：：
[1]孟世強 鋼管活性粉末混凝土初步研究 混凝土與水泥制品 2003.01
[2]林震宇. 圓鋼管RPC軸壓柱受力性能研究[D]. 福州： 福州大學， 福州大學碩士學位論文， 2004
[3]吳炎海 鋼管活性混凝土軸壓短柱受力性能試驗研究 中國公路學報 2005.01
[4]馮建文 鋼管活性粉末混凝土柱的力學性能研究 碩士學位論文 北京：清華大學 2008
【關鍵字】建筑混凝土，鋼組合柱，施工技術，控制要點
中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：
一．前言
建筑行業關系到國計民生，其質量的好壞將直接影響到整個行業的健康發展，伴隨著我國建筑行業的快速發展，施工工藝也在不斷的完善，建筑混凝土型鋼組合柱是現代建筑行業中采用最多的建筑結構體系之一。在建筑結構體系中，建筑混凝土型鋼組合柱是運用最為普遍的一種，其結構的梁柱節點是整個主體建筑結構中的關鍵和核心部分，一般而言，當一些自然災害或者還是地質災害來臨時候，建筑主體發生一些破壞或者是損害的時候，多半是發生在梁柱節點部位，對于結構梁柱節點的破壞一般都是指剪切破壞和鋼筋的錨固發生了破壞，當這種破壞程度達到所能夠承受的極限時候，很可能造成整個主體建筑的坍塌，從而引起嚴重的建筑質量問題和人身安全事故，不僅僅很大程度的造成了整個建筑工程的資源浪費，也對相關人員的生命財產安全造成嚴重的損害，破壞了社會的和諧，因而，加強對建筑混凝土型鋼組合柱施工技術的分析，對保證混凝土型鋼組合柱的施工質量，保證整個建筑工程的整體穩定性，有著深遠的影響。
二．工程概況
該建筑位于市中心城區，由主樓和裙樓兩部分組成。地下一層，裙樓地上5 層，主樓地上 15 層，建筑高度 64.85 m，總面積 達2 萬多平方米，結構形式為框架剪力墻結構。
該建筑從基礎至七層樓面通長設置型鋼混凝土組合柱，共計 7 根，分層安裝施工。鋼柱的地下部分由于層高 5.7 m，分兩次安裝，地上部分每層樓面以上 1.3 m 安裝 1 次，總高度 42.5 m。勁性鋼柱形式為 H 型鋼交叉焊接，即兩根 H 型鋼由腹板沿長度方向中心線切開后交叉焊接，形成腹板與 H 型鋼交叉的鋼柱，截面尺寸為 300 mm×700 mm，遇樓層與梁相交處根據設計增加鋼牛腿。梁柱節點處梁內 8 根鋼筋打孔穿過型鋼柱，部分鋼筋從牛腿上下兩方向穿過，剩余鋼筋錨固在鋼柱中。
三．施工技術
1．制作勁性鋼柱
根據建筑物特點，在建筑的每一層分別制作勁性鋼柱，具體操作方法是：根據建筑的樓層高度，以每一六層高度為一個施工段，來制作勁性鋼柱。但是由于現場實際施工操作和檢查，因此在每層樓板板面以上 1.3 m 處安置鋼柱接頭，這樣就為施工人員留置了很大的工作空間，同時，還要對各個工序嚴格進行控制，保證鋼柱的質量。
在16Mn 鋼板進廠時，需要檢查是否具有合格證、檢驗報告等這些質量標志，同時還需要對材料進行復查，直到全部材料合格以后，才能進行加工。在制作鋼柱時，一般都是用切割機將鋼板進行切割，切割以后，還要保證鋼板的平直，對其進行矯正，使局部撓曲矢高控制在1.0m 范圍內。焊接在勁性鋼的制作過程中是十分重要的環節，通常采用的是交叉對稱焊接的方式進行。同時，鋼柱的長焊縫質量必須達到 GB 50205－2001 B 級標準。
2．鋼柱的安裝技術
（一）在加工好的型鋼柱四面彈出中心線，提前在鋼柱的安裝位置測量好安裝邊線并引出兩條交叉的控制軸線。用塔吊進行型鋼柱的安裝，同時必須要有專人進行指揮起吊安裝，在起吊之前，還要檢查索具是否完好符合安全要求，這樣才能開始安裝。起吊后，要慢慢將鋼柱吊裝到位，對準安裝控制線下落，初步就位。施工人員還要根據控制線用工具對鋼柱根部的位置進行調整，從而將鋼柱調整到準確的位置，接著在上層樓板處將鋼柱進行固定，再確保鋼柱的位置正確并且安裝固定后才能脫勾。
（二）鋼柱就位后，在引出十字交叉的兩條控制軸線上架設經緯儀進行型鋼柱的就位調整，使柱上彈出的中線與經緯儀的豎絲重合。按中線的垂直度，塔吊起吊就位后，人工用撬棍調節對鋼柱進行校正，就位后垂直度偏差≤2 mm。
（三）經過測量確認鋼柱的安裝位置和垂直度符合要求后，就要在鋼柱底部四周作點焊臨時固定，接著要再次檢查鋼柱軸線的位置及垂直度，確認正確后才能進行下一步。
（四）為了使鋼柱在焊接的時候不發生變形，在將鋼柱的臨時焊點固定后，用兩根 d48 mm 鋼管作拉桿在柱端兩側翼板上焊接，使其連成整體。
3．中間節的安裝技術
安裝勁性鋼柱時，必須要在每層樓板的混凝土澆筑完成，并且在適當進行養護具備一定條件后方可進行， 在安裝過程中，要對鋼柱的位置和垂直度進行不斷的調整。在施工中自行設計安裝的調節錨栓就起了很大的作用，另外利用焊接收縮來調整其垂直偏差。在將勁性鋼柱吊裝就位后，先進行點焊臨時連接，接著就觀察并糾正其垂直度差，最后就要觀察并糾正因焊接收縮而導致的垂直度差。同時為了使安裝上層勁性鋼柱垂直偏差積累不超過允許值而影響到整個結構，可以對勁性鋼柱的下部進行校正準確，還應該講上部的安裝垂直中心線對準。
4．鋼筋施工技術
樓層梁柱節點處梁設計為 1100mm×500mm 的寬扁梁，梁配筋較多，要求梁部分鋼筋要從鋼柱中打孔穿過，部分鋼筋焊接在 H 型鋼牛腿上，部分鋼筋從 H 型鋼牛腿上下方向穿過。
該節點處施工工藝復雜，施工難度大，因此，控制好鋼柱的標高和軸線的位置是節點處的施工的前提條件。根據施工經驗，為了使鋼筋在牛腿上的焊接質量符合要求，在安裝完鋼柱后，根據設計和施工的規范在鋼牛腿上焊接同規格的連接鋼筋，接著用直螺紋套筒連接相鄰跨的梁鋼筋。
5．模板與混凝土施工技術
（一）模板施工技術
柱模選用竹膠模板，每側柱面模板加工成整塊950mm 寬，高度為層高一梁高。由于型鋼混凝土柱在澆筑過程中發生“跑?！焙茈y處理，因此模板外柱箍采用槽鋼固定，用雙螺帽固定緊死，避免了澆筑過程中“跑模”的發生，提高了混凝土的外觀質量。
（二）混凝土施工技術
型鋼混凝土柱的混凝土設計等級為 C50，屬高強混凝土，因此在施工中必須嚴格管理。施工時派專人進駐混凝土生產站，嚴格監督按實驗室給定配合比進行下料，以保證拌制的同時滿足強度要求。
由于型鋼混凝土柱對混凝土流動性的要求高，選擇運輸距離短的混凝土拌制站，容易確保混凝土的施工質量。施工時試驗人員應對進場的每罐混凝土進行塌落度檢測，達到要求后方可用于施工。
四．結束語
建筑混凝土型鋼組合柱是我國建筑行業最主要的建筑結構體系之一，其獨特的施工工藝使得質量控制需要規范性操作，在施工過程中，由于施工人員的專業技術水平的限制和各種原料質量的影響，使得整個建筑混凝土型鋼組合柱的施工質量控制起來更為艱難，因而，經常會遇到由于建筑混凝土和鋼組合柱的強度不同而產生各種問題，不僅僅使得一些施工工藝難以得到全面的貫徹落實，也造成了很多浪費，因此，在進行建筑混凝土施工過程中，要嚴格執行各種技術標準，規范操作，保證工程質量，促進整個建筑行業的快速健康發展。
參考文獻：
[1]王清湘; 朱美春; 馮秀峰 型鋼-方鋼管自密實高強混凝土軸壓短柱受力性能的試驗研究建筑結構學報2005-08-10期刊
[2]陳百玲; 王連廣; 秦國鵬 玻璃纖維增強材料管勁性鋼筋混凝土組合柱軸心受壓試驗研究工業建筑2011-10-20期刊
[3]張志權; 張玉芬; 趙均海 型鋼增強型鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算江南大學學報(自然科學版)2009-06-15期刊
[4]林立巖; 李慶鋼 混凝土與鋼的組合促進高層建筑結構的發展東南大學學報(自然科學版)2002-10-20期刊
[5]肖緒文; 陳迎昌; 田寶吉 鄭州藍碼大廈工程型鋼混凝土組合柱、墻施工首屆全國鋼結構施工技術交流會論文集2006-12-09中國會議
