钢管混凝土结构地震反应分析研究

钢管混凝土结构地震反应分析研究

宁可云

华北理工大学建筑工程学院唐山063200

摘要：钢管混凝土组合结构具有刚度大、承载能力高及抗震性能卓越的优点，具有广泛的应用前景。抗震性能是决定钢管混凝土组合结构推广的重要因素，国内外对其进行了大量研究。为此本文对钢管混凝土组合结构的抗震研究分析方法及有待解决的问题进行了简要说明和分析。

关键词：钢管混凝土；组合结构；抗震；分析方法

0引言

钢管混凝土结构是继钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砖石结构之后发展起来的第五大结构体系，与传统的钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土具有多方面的优点。在材料方面，钢管混凝土将钢材和混凝土有机地结合起来，既能借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性，又能提高钢管的抗压强度和延性；在施工方面，钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量轻，进度快，用钢量省。

1钢管混凝土结构抗震试验研究现状

目前，我国对钢管混凝土组合结构构件的试验研究取得了显著的研究成果。20世纪70年代，我国开始对钢管混凝土结构进行研究，西安建筑科技大学在1985年和1986年分两批进行了32个钢管混凝土短柱抗震性能的试验研究[1]，同时，还进行了17个钢管混凝土梁的试验，10个钢管混凝土梁柱节点的试验。1989年又进行了12根内含工字钢的钢管混凝土柱的试验，对钢管混凝土柱正截面承载力计算等内容进行了研究，并进行了非线性全过程分析。武敏刚、吕西林进行了三个联肢钢管剪力墙试件及三个钢管混凝土核心筒的伪静力抗震试验[2]，研究对比了各试件的裂缝开展、分布特征，从强度、变形和能量等三个方面判别和鉴定各试件的抗震性能。吕西林通过试验研究了钢管混凝土剪力墙的抗震性能，对16个试件进行了低周往复荷载试验，研究了高宽比等参数对钢管混凝土剪力墙的抗震性能影响，提出一种在截面中部配置型钢的新型钢管混凝土剪力墙截面形式，结果表明，这种新型的钢管混凝土剪力墙具有更好的抗震性能。

我国对于SRC框架节点的研究有1985和1986年西安建筑科技大学进行的10个钢管混凝土梁柱节点试验[3]。随后的研究主要有，薛建阳进行了8个钢管混凝土节点在低周往复荷载作用下的试验，结果表明，钢管混凝土结构节点的主要破坏形式是剪切破坏，钢管混凝土节点的延性优于钢筋混凝土的延性，具有较好的抗震性能[4]。

2钢管混凝土结构的地震分析方法

2.1模态分析

模态分析在线性结构的地震分析中较常见，通过模态分析，以获得结构的振型和自振周期。模态分析除了为静力分析提供有关的结构性能，是反应谱分析和动力分析的基础。SAP2000中为模态分析提供了两种分析方法：精确特征向量法、与荷载相关的Rayleigh-Ritz法。

2.1.1特征向量法

特征向量法可以确定系统振动的频率与振型形状，平衡方程表示为:

（1）

式中：

K——刚度矩阵;

M——对角质量矩阵；

ω——圆频率；

v——特征值对应的特征向量；

2.1.2Ritz向量法

Ritz向量法改进后，构的动态响应可认为是荷载的分布函数。当阻尼比为0时，弹性结构的平衡方程表示为：

（2）

上式中，R（t）为与时间有关的荷载，并施加于结构上，R(t)可表示为：

（3）

其中，荷载模式F与时间无关，G（t）为与时间有关的荷载函数。

2.2振型分解反应谱法分析

反应谱分析的本质是拟动力分析，它采用动力方法得到质点地震响应，形成反应谱曲线，用静力方法对结构进行分析。它的思路是：将自由度为n的结构体系运用振型分解法分解为n个单自由度系统的叠加，分别计算各自的最大地震效应，按一定法则组合得到该体系的整体地震效应。对于地震作用效应的组合，SAP2000中有六种方法，常用的有：CQC法和SRSS法；不常用的有：双求和法、绝对值法、NRC10%法和GMC法。我国规范推荐采用CQC法与完全平方根法组合。对于方向组合的方法，SAP2000有两种方法：SRSS法和ABS法，前者为平方和的平方根法，后者为绝对值相加法。

2.3结构的动力时程分析

2.3.1基本原理

当结构进入了非弹性阶段，结构的反应变为与加载历史有关，上述反应谱法就不再适用。由于结构的阻尼、刚度会随时间变化，以时间增量取的尽可能小(比如t=0.01s)，假定阻尼和刚度在t内为常量，动力方程直接积分，得到动力响应(加速度、速度、位移)，每个t与其对应的动力反应便会形成一条曲线，即可以反映动力反应的时间历程。

2.3.2地震波的选用

当进行动力时程分析时，先需要对结构

输入地震波，地震地面加速度。结构的分析结果受地震波加速度记录的影响很大，所以针对不同的施工场地、不同的抗震设防烈度，需要选择合适的地震波。选取地震波的影响因素有四项：持续时间、频谱特性、有效峰值和波的数量。

《抗震规范》规定，地震波的持续时间

一般为结构基本周期的5~10倍，结构顶点的位移可按基本周期往复5~10次；地震波的频谱特性可采用地震影响系数曲线表征，输入地震加速度记录的平均地震影响系数曲线与反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，各个周期点上相差不大于20%；采用时程分析法时，选用不少于两组的实际强震记录和一组人工地震波，实际地震波的数量不少于地震波总数的2/3。

3钢管混凝土组合结构的工程应用

由于钢管混凝土充分发挥了钢与混凝土两种材料的优点，因而在高层及超高层建筑中得到了广泛应用，如美国达拉斯中枢大厦（73层，280m，SRC框架体系）、美国德克萨斯商业大厦（75层，305m，SRC框一筒体系）、美国米格林一拜特勒大厦（108层，610m，SRC翼柱-RC芯筒体系）、香港中环东北大楼（88层，420m，SRC翼柱-RC芯筒体系）[5]等。国内最高的建筑上海金茂大厦（地上88层，地下2层）采用钢-钢管混凝土-钢筋混凝土混合结构，核心筒为钢筋混凝土结构，四边几根大柱为钢管混凝土柱，角柱为钢柱[6]等。

4发展方向及展望

目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究,主要还是集中在基本构件方面,而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。应充分开展这方面的研究,以提供合理的抗震设计参数,便于程应用。此外，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土的耐疲劳性能和抗震性能需做进一步研究。

参考文献

[1]李俊华.低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2005.

[2]武敏刚，吕西林.钢管连肢剪力墙抗震性能试验研究[J].结构工程师，2004,20（5）：52-56.

[3]贾金青.低周反复荷载作用下SRHC短柱延性的试验研究[J].工业建筑，2002，32（9）：18-26.

[4]薛建阳，赵鸿铁.型钢钢筋混凝土框架振动台试验及弹塑性动力分析[J].土木工程学报,2000,33(2):30-34.

[5]刘大海，杨翠如.型钢、钢管混凝土高楼计算和构造[M].北京中国建筑工业出版社，2003.

[6]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京：科学出版社，2001.