钢管混凝土结构技术探究

李博文+李康

【摘 要】钢管混凝土作为今年来的新型结构，具有很好的力学性能，对于类似我国这种地震频发的国家来说，具有很好的经济效益。所以近几年来在实际工程，钢管混凝土组合结构尤其是在高层、超高层建筑和大跨度结构中中得到广泛地推广和使用。然而由于钢管混凝土组合结构兴起时间较短，对其研究尚在初期，尤其对其抗震性能的研究有很多不足之处。由于钢管混凝土结构具备很多的特点，正被越来越多的用于我国的厂房、高层和超高层建筑及地下构造中，钢管混凝土结构相对于传统的钢结构和混凝土结构而言是一种新型结构，其抗震性能的研究还有很多不足之处，并且我国对钢管混凝土结构还未有统一的规范要求。因此，本文对钢管混凝土结构技术进行了初步探究。

【关键词】钢管混凝土；框架结构；弹塑性；时程分析

一、钢管混凝土研究不足

钢管混凝土是一种新型的组合材料，目前，对其抗震性能的研究较为活跃，也取得了许多成果，但这方面的研究仍是不完善的，还存在着许多不足之处，主要有以下几个方面：

1.到目前为止，大多是对节点处的理论计算和研究，并且是在静载和反复荷载作用下的探究，所以今后的研究方向应着眼于对于钢管混凝土结构体系的整体抗震性能的研究。

2.钢管混凝土截面分为圆形和方形，但后者研究较少。圆钢管混凝土相对方形钢管混凝土而言约束效果明显，但方形钢管混凝土具有施工简便、节点便于加工、较大的截面惯性矩及更好的稳定性能等优点，在实际工程应用前景广阔。

3.目前钢管混凝土抗震性能研究时，主要在层数和跨数两个标准下对钢管混凝土框架结构进行反复加载，其研究的层数和跨数较少，应加大数量级的研究，才具有更大的实际工程参考价值。

4.实际地震中是地震动对结构的多维影响，但实际研究中，只考虑单向地震对钢管混凝土结构体系抗震性能的影响，这样的研究不能准确表现出钢管混凝土结构体系的抗震性能，因此必须考虑到多向地震的影响。

5.钢管混凝土结构是由钢和混凝土两种不同材料组合而成，由于两者阻尼特性差别较大，导致钢管混凝土整体的阻尼变化规律很复杂。阻尼是抗震性能评判的一个重要指标，直接反应结构的损伤程度的评估，因此要加大这方面的研究。

二、钢管混凝土结构有限元分析

对于以上等问题，可采用ANSYS软件建立了结构的有限元模型对钢管混凝土结构地震反应进行分析，并进行了以下几个方面的研究：

1.进行结构模型的模态分析，进而掌握结构模型的动力特性

2.结构的抗震性能的考察，应在多遇地震下进行才更加准确。主要作了如下三方面的对比研究：

（1）从不同方向单向输入同一地震波时，此时结构的内力位移响应的对比

（2）不同单向地震波输入时，此时结构的内力位移响应的对比

（3）单向地震波和双向地震波输入时，此时结构的内力位移响应的对比

3.阻尼对钢管混凝土结构弹性时程分析研究，应采用不同阻尼比、不同阻尼模型及不同阻尼模型下钢管内混凝土取不同强度等级进行研究。

（1）采用瑞利阻尼、刚度比例阻尼、材料相关刚度比例阻尼三种阻尼模型时，结构在单向地震波下的内力位移响应的对比

（2）结构在单向地震波下采用同一阻尼模型不同阻尼比时的内力位移响立的对比

（3）结构在地震作用下和不同阻尼模型地震作用下钢管内混凝土强度等级变化对的力位移差值的影响分析

三、国内外钢管混凝土结构存在问题

结合国内外钢管混凝土发展的历史和经验，不难发现一些急需解决的问题：

（1）理论研究相对滞后，没能广泛应用钢管混凝土这种特殊的组合材料，尤其对受力中钢管对混凝土的紧箍力考虑不足

（2）钢管混凝土的有限元计算理论缺乏统一性，计算模型太少

（3）由于对核心混凝土收缩徐变的研究尚不成熟，对于管内混凝土徐变更是没有一个普遍认可的计算模式。在对徐变影响的分析中，不应只着眼于应力变化，刚度、变形与稳定等也应进行深入的研究

（4）钢管混凝土受力性能在温度变化下的研究缺乏， 对于合拢温度尚在研究之中，没有统一的规范要求

（5）钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题，研究尚浅

四、钢管混凝土结构深入探究

钢管混凝土因其优越的力学性能和良好的经济效果，在高层超高层结构中将到越来越多的应用。抗震性能应作为一个重要指标进行研究，但研究起来较为复杂。具体需要攻克的疑难研究，作者认为可进行以下几个方面的着手探究：

（1）如何更真实的模拟钢管混凝土构件，比如考虑钢管和混凝土之间的粘结，钢管和混凝土的泊松比和弹性模量随时间的变化等。

（2）在对钢管混凝土组合框架结构的弹性时程分析时，应对钢管混凝土组合框架结构在多遇地震下节点的抗震性能、罕遇地震下整体抗震性能以及核心混凝土在弹塑性阶段恢复力模型等进行探究。

（3）不应只进行结构模型在两个主轴方向的地震响应的研究，应进行地震作用下结构在其他方向的内力位移反应及最不利方向如何确定等方向的研究。

（4）不同阻尼模型得到的结构的内力位移反应具有很大差别，构造合理的阻尼模型是结构抗震分析中的一个难点。而如何采用更简便合理的方法确定钢管混凝土组合结构的弹性阶段和弹塑性阶段的整体阻尼比需进一步研究。

五、结语

钢管混凝土结构较好的力学性能对我国建筑行业发展尤为重要。未来建筑行业工业化的发展方向一定朝着大跨度、高耸以及优秀的承载力方向发展，而钢管混凝土结构正具有这样的优点。钢管混凝土结构正逐步广泛地应用于工业厂房、高耸建筑、大跨度结构中，不仅取得了很好的经济效益，而且建筑特色鲜明美观，是今后建筑行业一个重要的发展方向。相信随着钢管混凝土理论不断深入的研究，钢管混凝土将大规模地用于各类建筑结构中。钢管混凝土结构在实际中已有应用，比如用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒结构已经广泛应用于高耸结构中，并且取得了很好的经济效益。尽管钢管混凝土结构发展还不够完善，在许多方面存在着不足和弊端，但是其优点 远远大于缺点，是传统结构形式所不能比拟的。随着科技水平的不断提高及新材料的出现，我相信钢管混凝土结构会进一步被优化，弥补不足，优点将更大被展现出来，成为一种完美的结构形式。

参考文献：

[1]韩林海.钢管混凝土结构.北京：科学出版社，2000. 1-8.

[2]李玉楼.方钢管混凝土和圆钢管混凝土结构抗震性能对比研究：〔硕士学位论文」.广州：广州大学，2007.

[3]趙干荣.钢管混凝土框一筒结构动力特性研究：[硕士学位论文」.成都：西南交通大学，2007.

[4]韩林海，陶忠，闰维波.圆钢管混凝土构件弯矩一曲率滞回特性研究.地震工程与工程振动，2000.

[5]陶忠，韩林海.方钢管混凝土压弯构件滞回性能的试验研究.地震工程与工程振动，2001.endprint