鋼管混凝土柱論文范文

導語：如何才能寫好一篇鋼管混凝土柱論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

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。抗震下根據梁端的受力特征，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。可見，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。

篇2

[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。混凝土瞬態熱應變數值較大,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;cas5eq1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。混凝土采用ABAQUS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。跨中左側鋼管溫度達到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。混凝土縱向壓應力最大為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。混凝土在溫度和外荷載作用下,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。

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篇3

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

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篇4

關鍵詞：鋼結構住宅，綠色生態建筑發展趨勢

 

前言

鋼結構住宅是以工廠化生產的H型鋼梁、鋼柱(包括H型鋼柱、鋼管柱、箱形柱、鋼骨混凝土柱或圓、方或矩形鋼管混凝土柱)為承重骨架，同時配以新型輕質的保溫、隔熱、高強的墻體材料作為圍護結構，并與功能配套的水暖電衛設備和部品優化集成的節能和環保型住宅。同傳統的磚混和混凝土結構住宅相比，鋼結構住宅是一種更符合“綠色生態建筑”特征的結構形式。它具有自重輕、地基費用省、占用面積小、工業化程度高、外形美觀、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環境污染少等優勢，具有較好的綜合經濟效益。

一、輕鋼結構住宅的特點及技術經濟性能

1、重量輕、抗震性能好

鋼結構住宅是以工廠化生產的鋼梁、鋼柱為骨架,同時配以輕質墻板等新型材料作為維護結構和內隔墻建造而成。它與同面積的建筑樓層相比，鋼結構住宅樓的重量可減輕近30%。由于輕鋼結構住宅自重輕,一般情況下不需要做樁基,可減少地基處理的費用,且抗震性能好。因屬于柔性結構、自重輕,因而能有效地降低地震響應及災害影響程度,有利于抗震。我國是一個多地震區國家,在地震區建筑中應推廣應用鋼結構住宅,可以大大減少地震災害和人員傷亡。，綠色生態建筑發展趨勢。。同時,由于鋼材具有較強的延展性,能較好地消除地震波力,放震性能好,尤其適用于高層建筑。

2、占地面積小,具有良好的空間感，凈使用面積大

鋼結構住宅布局靈活,凈使用面積大。利用型鋼優良的承載性能,可以靈活布置大開間、大柱距的建筑平面；非承重輕質墻體的設計為設計師和住戶提供了根據不同用途靈活布置室內空間的可能；型鋼構件接點構造簡潔,在垂直方向可方便地布置躍層和錯層體系,結構構件截面較小,相對于傳統結構方案,其凈使用面積提高5%～8%,得房率高。

3、工業化程度高,設計制造安裝周期短

現代輕鋼建筑的設計、制造和安裝借助網絡計算機技術和工業化生產手段,可實現設計、生產、施工安裝一體化,具有極高的效率和精確度,項目建設周期短可縮短工期1/2～1/3。這樣將極大地減少投資融資成本,使業主或建筑開發商在享受回報上具備很大的優勢。

4、符合產業化和可持續發展的要求

鋼結構配件制作工業預制化和機械化程度高,商品化程度高,減少了施工現場的加工量,現場主要為于作業,能減少施工用水、噪聲、垃圾污染,施工速度快,施工周期可大大縮短。鋼結構在超出正常使用期限后的處理過程,無論是鋼材還是與之相配套的建筑物品,都具有可重復利用性和可降解性,適應現代環保要求。，綠色生態建筑發展趨勢。。

二、鋼結構住宅的結構體系和主要構件

1、結構體系

應用于多層鋼結構住宅的體系可分為:冷彎薄壁型鋼體系、純鋼框架體系、框架--支撐體系、鋼框架--混凝土剪力墻體系、周圍抗側力體系等。

①冷彎薄壁型鋼體系。構件采用薄鋼板冷彎成C形、Z形構件,可單獨使用,也可組合使用,桿件間連接采用自攻螺絲。這種體系節點剛性不易保證,抗側能力較差,一般只用于1～2層住宅或別墅。

②純鋼框架體系。目前,這種體系在多層鋼結構住宅中應用最廣,純框架體系常用于4～8層住宅。縱橫向都設成鋼框架,門窗設置靈活,可提供較大的開間,便于用戶二次設計,滿足各種生活需求。

③框架—支撐體系。該體系主要由焊接工字型梁柱組成,多數情況下,這種體系為橫向承重,梁柱節點在橫向上為剛接,縱向為鉸接。因此,結構在縱向相當于排架,抗側移剛度很低,需設置側向支撐抵抗水平荷載,限制結構的水平變形。

④框架—混凝土剪力墻體系。用鋼筋混凝土剪力墻部分或全部代替鋼支撐,就形成了框架—鋼筋混凝土剪力墻(筒)體系。它適用于小高層住宅,一般將樓梯或電梯間設計成鋼筋混凝土墻(筒),這樣既有效地加強了建筑物的側向剛度,又解決了樓梯間的防火問題。

2、主要構件

鋼結構住宅是以鋼結構作為承重骨架,以輕質體材料作為內外墻,與功能配套的水暖電衛設備和部品優化集成的節能、環保型住宅鋼結構住宅,可采用工業化生產方式,易于實現產業化,符合可持續發展原則。

①梁、柱。，綠色生態建筑發展趨勢。。鋼結構住宅結構一般設計為強柱弱梁形式,梁柱均取等截面形式。梁主要選用高頻焊接和熱軋H鋼,它是工字鋼的升級換代產品,具有抗彎性能好,翼緣寬,側向剛度大,翼緣表面相互平行,構造方便等優點。我國目前采用的H 鋼梁大多為Q235和Q345鋼,翼緣寬度為60～180mm,截面高度為100～800mm。

鋼結構住宅一般為大開間,框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩,同時應該考慮強柱弱梁的要求,目前廣泛使用焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面。對于軸壓比較大、雙向彎矩接近、梁截面較高的框架柱,采用雙軸等強的鋼管柱或方鋼管混凝土柱。

②樓板。樓板結構的選擇至關重要,它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外,更主要的作用是保證與抗側力結構的空間協調作用。所以,樓板必須有足夠的承載力、剛度,并且與鋼框架實現可靠連接,確保結構體系的整體剛度和穩定性。，綠色生態建筑發展趨勢。。另外從抗震角度來看,還應采用相應的技術和構造措施減輕樓板自重。，綠色生態建筑發展趨勢。。同時樓板還要應該滿足住宅功能的要求,如防顫動、隔音、隔熱等。我國鋼結構住宅的樓板,一般采用鋼筋混凝土結構和鋼結構體系的傳統做法。常用的樓蓋結構有:壓型鋼板-現澆混凝上組合樓板,現澆鋼筋混凝土板以及鋼-混凝土疊合板,而以第一種最為常用。

③支撐體系。支撐分軸交支撐和近年發展起來的偏交支撐兩種,前者耐震能力較差,后者在強震作用下具有良好的吸能耗能性能,而且為門窗洞的布置提供了有利條件,目前國內用得還很少,建議在高烈度區首選偏交支撐。

④墻體圍護結構。鋼結構住宅的墻體圍護結構,應采用具有自承重和抗沖擊能力,并能保溫、隔熱、隔音、防火、防滲漏等多種功能輕質的墻體材料。目前,墻體主要分為自承重式和非自承重式兩種。自承重墻體主要包括用于外圍護結構的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍骨加強板等,以及用于內墻的輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。，綠色生態建筑發展趨勢。。外掛的非自承重式的墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強外墻板等。采用非自承重式的墻體材料,需設置墻梁用以懸掛外圍護結構。門窗洞口上下要布置墻梁,多采用C或Z型冷彎薄壁型鋼,尺寸取決于跨度(剛架間距)和墻距(板跨)。

三、鋼結構住宅的應用前景和建議

住宅產業化是我國住宅業發展的必由之路,這將成為推動我國經濟發展新的增長點。鋼結構住宅體系易于實現工業化生產,標準化制作,而與之相配套的墻體材料可以采用節能、環保的新型材料,它屬綠色環保性建筑,可再生重復利用,符合可持續發展的戰略。若是在城市中采用鋼結構住宅,因為其工廠化程度高、施工周期短的優勢,將能很好地解決城市市區,尤其是中心市區人口稠密交通繁忙、施工生產不便的問題。因此鋼結構住宅應該是城市住宅設計的主要方案之一,同時鋼結構體系住宅成套技術的研究成果必將大大促進住宅產業化的快速發展,直接影響著我國住宅產業的發展水平和前途。

四、結語

綜上所述,隨著高科技的發展,人們的觀念與生活的方式也將不斷更新與變化,對住宅總體質量的要求也將不斷提高。鋼結構住宅具有環保、易于產業化、可持續發展的特點,發展鋼結構住宅不僅可加快國家和城市的發展速度,還可提高住宅質量和人們的居住水準,鋼結構住宅必將成為我國建筑業發展的一個發展趨勢。

篇5

關鍵詞：鋼筋混凝土框架；強柱弱梁；抗震

中圖分類號：TU323文獻標識碼： A 文章編號：

引言

鋼筋混凝土框架體系，隨著材料性能和制作工藝的不斷提高和改善，應用范圍逐漸擴大。其建筑布置比較靈活，可以設計成具有較大空間的各類建筑。但是，由于其整體結構剛度小、冗余度低， 造成其抵抗強震和抗倒塌能力弱，在強震中易造成較大損失， 震后修復困難， 修復費用較高。鑒于以上原因，為了在地震區建設符合“小震不壞、中震可修、大震不倒”設防水準的框架結構房屋，《建筑抗震設計規范》做了相應的規定和要求， “強柱弱梁”就是保證“中震可修、大震不倒”的重要技術措施之一。由于框架結構一般不具備多道抗震防線， 因此延性框架塑性鉸要求發生在不影響整體穩定的梁上，使柱得到保護，從而保證整體結構的穩定， 做到“大震不倒”，降低危害。

1國內對“強柱弱梁”理念的研究現狀

“強柱弱梁”是鋼筋混凝土框架結構抗震設計的基本原則之一，即在地震作用下，梁先于柱發生破壞。 因為梁破壞通常是局部的，且如果梁端出現塑性鉸可以消耗掉一部分地震能量，從而更好的保證整個結構的安全。 而柱破壞則可能導致結構整體的倒塌，后果嚴重。我國現行《建筑抗震設計規范》也對“強柱弱梁”的實現做出了具體規定，即除框架頂層和柱軸壓比小于0.15及框支梁與框支柱的節點外，對于考慮地震作用組合的一、二、三級框架柱，柱端組合的設計彎矩應乘以相應的增大系數。

清華大學、西安交通大學、北京交通大學土木工程專家組[1]通過對汶川地震的震害分析指出： 由于樓板的增強作用、框架梁上增加砌體或填充墻的增強作用、增大上部結構的剛度等，使得框架梁或屋蓋的實際剛度增大， 在實際框架結構震害中， 很少看到“ 強柱弱梁”型破壞。由于地震的復雜性，現澆樓板的影響和鋼筋屈服時的超強等因素的影響， 難以實現“ 強柱弱梁”的破壞機制， 這也引出應該根據這些因素來提高柱端彎矩增大系數從而達到梁鉸機制。從單質點體系理想的荷載- 變形關系曲線[2]出發： “ 強柱弱梁”原則是延性框架結構設計的關鍵， 圍繞這個問題來進行“ 強柱弱梁”設計， 那么“ 強柱弱梁”設計原則不是通過增加柱梁剛度比，而是通過降低梁的相對強度、提高柱的相對強度來實現的。從構件層次和結構體系層次對“ 強柱弱梁”進行概率分析[3]：抗震等級越高，柱彎矩增大，系數越大，軸壓比限值越小，梁的界限受壓區高度越小， 從而使柱端形成塑性鉸的概率減小， 梁端出現塑性鉸的概率增大， 從而增大了“ 強柱弱梁”的形成概率。通過對“ 強柱弱梁”的影響因素的分析[4]：為了滿足“ 強柱弱梁”的抗震設計要求，柱端設計彎矩均應按梁端截面實配鋼筋的抗震受彎承載力進行調整放大，而且在進行抗震設計時， 應考慮框架梁的塑性內力重分布，對梁端負彎矩進行適當調幅，同時應采用柱邊緣所對應的梁端彎矩設計值進行截面配筋及裂縫驗算。另外需要合理控制框架梁底部鋼筋伸入框架柱的數量，來避免鋼筋過多帶來的超強剛度的影響，尤其應該考慮現澆樓板及其配筋對梁端截面受彎承載力的影響。

2 影響“強柱弱梁”實現的因素

“ 強柱弱梁”措施作為建筑抗震設計的一項重要設計原則， 在工程設計中占有重要的地位和作用，其最終目的就是形成延性框架設計， 從而為保證生命和財產的安全做貢獻， 將災害損失降到最低。綜上所述，影響“ 強柱弱梁”破壞機制的因素眾多，其中關鍵四個因素如下：

Ⅰ）現澆樓板的影響。在現澆結構中，樓板是與框架梁一起澆筑的， 兩者結合良好，共同工作的能力強，樓板可以顯著的提高框架梁的抗彎剛度和抗彎承載力。

Ⅱ）填充墻的影響。填充墻是一個最復雜因素， 對結構的剛度影響很大，如果是把強柱弱梁作為包括填充墻在內的整體結構抗震的屈服機制設計目標時，那么預期出鉸的框架梁上則不應設置填充墻，或者在填充墻與框架柱之間留有足夠的縫隙。

Ⅲ） 鋼筋超配置的影響。鋼筋超配會引起梁端超強，原因有以下幾點：一是實際采用的鋼筋屈服強度比設計的鋼筋屈服強度高； 二是鋼筋屈服后的應變硬化指標較高； 三是設計配筋構造， 滿足最大或最小構造要求，導致的梁端抗彎承載力提高； 四是設計人員為了保證安全系數，人為地加大梁的配筋率。

Ⅳ）軸壓比的影響。在進行結構設計時，多是根據軸壓比來確定柱的截面尺寸，規范中為保證柱有一定的延性，對柱的軸壓比規定了上限。 在設計中，由于建筑美觀或者降低造價等各方面的要求，設計人員常常在滿足軸壓比的前提下盡量縮小柱截面尺寸，尤其是在結構底層柱。 因此規范中規定的軸壓比限值過高，框架柱截面尺寸偏小，也是造成實際震害中出現“強梁弱柱”的原因之一。

3 實現“強柱弱梁”的討論

通過以上分析可知， 若想實現“強柱弱梁”破壞機制，我們應該綜合各種因素來分析，使“ 強柱弱梁”原則更加明確化、具體化、規范化。

首先，嚴格控制梁端鋼筋的超配。利用概率分析的方法來確定截面超配筋對梁或柱的影響，來具體確定截面的超配筋系數以及控制伸入框架柱鋼筋的數量， 而且還要明確的確定彎矩的調幅系數或參數，以便滿足結構的“ 強柱弱梁”的設計要求， 從而最終確定最佳的柱端彎矩增大系數，減少過多鋼筋在梁柱節點區的錨固，保證節點區的混凝土的質量。

其次，應具體考慮現澆樓板對“ 強柱弱梁”機制的具體影響來提取影響參數。這里主要是綜合考慮剪跨比、軸壓比、橫向梁剛度、板內配筋情況等因素等效來確定板的有效寬度。根據最大層間位移角來計算板的有效寬度，即：T形梁的有效翼緣寬度， 主要通過考慮樓板對梁端抗負彎矩能力的貢獻、對受彎承載力的影響以及結構內力重分布的影響，來確定柱端彎矩增大系數。

此外，增加柱子的非彈性變形和耗能能力。按照現行抗震規范進行框架結構設計，無法保證框架在地震中一定不發生柱鉸破壞，而對“強柱弱梁”的設計規定也主要是為了防止框架發生倒塌。若框架柱有足夠的變形和耗能能力，就可以一定程度上防止框架發生倒塌。 增加框架柱抗震能力的措施有很多，如采用鋼套管或纖維增強復合塑料等材料對框架柱進行側向約束或者采用高強螺旋箍筋，增加對柱核心混凝土的約束，提高柱的抗倒塌能力；另外，在技術條件和工程造價允許的前提下，采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱等組合結構柱，亦可大大提高結構的抗震性能。

參考文獻：

[1] 清華大學、西安交通大學、北京交通大學土木工程結構專家組. 汶川大地震建筑震害分析[ J] . 建筑結構學報, 2008, 29( 4) : 1- 9.

[2] 朱少云, 曹維琪. “強柱弱梁”設計原則在建筑結構設計中的應用[ C] . 中國建筑學會. 第八屆全國混凝土結構基本理論及工程應用學術論文集, 重慶: 重慶大學出版社, 2004: 356- 359.

篇6

關鍵詞：測量；焊接；鋼筋；模板；

中圖分類號： P216文獻標識碼： A

引言：框架結構廠房的在施工技術上主要控制的是框架結構的鋼筋、模板以及混凝土振搗問題，本文針對這幾大問題進行分析，望廣大同行給予指導

一、測量放線

框架結構在廠房應用中柱的設立較多，所以對其測量放樣也是主要技術控制之一。在施工中要根據平面控制網線，在墊層上放出底板控制軸線和暗柱、柱基控制線。平面控制軸線采用投影儀、經緯儀引測建筑物的柱、梁的軸線及邊線（或弧線的控制矢高點）。模板放線時，先清理好現場，然后根據施工圖用墨線彈出模板的內外邊線和中心線，還要在外邊線外側彈出控制線，以便于模板安裝和校正。

二、焊接工程

廠房結構空間較高，柱體鋼筋連接是重點控制項目之一，鋼筋焊接采取電渣壓力焊。在鋼筋焊接上要做到如下幾點控制：首先保證鋼筋的截頭平整，鋼筋端頭要保持齊平，并且上下鋼筋要同心。在焊接過程中不允許搬動鋼筋，以保證鋼筋自由向下正常落下，否則會產生外觀雖好的“假焊”接頭。頂壓鋼筋時，需扶直并且不能動約半分鐘，確保接頭鐵水固化。冷卻時間約2～3分鐘，然后才能拆除藥盒。在焊劑盒能夠周轉的情況下，盡量晚拆焊劑盒，以確保接頭的緩冷。正式施焊前，應先按同批鋼筋和相同焊接參數制作試件，經檢驗合格后，才能確定焊接參數進行施工。鋼筋種類、規格變換或焊機維修后，均需進行焊前試驗。在施焊過程中，如發現鐵水溢出，應及時增添焊藥封閉。當引弧后，在電弧穩定燃燒時，如發現渣池電壓低，表明上、下鋼筋之間的距離過小，容易發生短路；當渣池電壓過高，表明上、下鋼筋之間的距離過大，則容易發生斷路，均需調整。

三、鋼筋工程

框架結構的鋼筋工程主要分為基礎、柱體、頂板三大部分，其大致施工流程如下下料運送綁扎焊接加墊塊。柱體鋼筋綁扎前要針對柱置進行復核。所有的鋼筋材料必須符合工程要求，表面要無油污、無銹蝕。在下料的過程中必須保證下料尺寸的準確性。廠房中的柱體高度都在3.5米以上，這需要進行電碴壓力焊進行焊接，所有的鋼筋焊接人員必須經過培訓，在操作前要對其焊接試件進行檢測。廠房中的受力平臺，在進行負筋綁扎時，要滿口綁扎，并且形成一正一反兩種綁扎形式，禁止使用全順扣綁扎，避免彎鉤的方向發生改變，同時針對保護層的厚度要進行控制，保證負筋的位置準確性，

四、混凝土質量控制

在廠房框架結構中混凝土的工程質量控制主要是針對整體框架結構。首先支立柱體的模板必須保證干凈，整潔，要對有麻面或表明粗糙的麻面進行修復，在澆筑混凝土柱時，要注意控制好下料厚度，如果有較深的柱體還要在在模板加設平板振搗器。柱體在施工中必須保證一次成型不得留施工縫，柱體振搗要分層振搗，要控制好振搗時間，避免離析或過振。柱體較高的情況下，會使混凝土的施工中形成較大的施工荷載，要想避免這種情況，要對高柱體進行加固，并且控制好整體的拆模時間。所有柱體上都不得預留洞口，最大程度的確保洞口混凝土的密實性。

五、模板質量控制

框架結構廠房中，模板工程多為高模板，常見的施工問題有支撐系統不穩定。模板接縫處跑漿，梁頭跑模等。在進行模板支護前要進行模板支撐計算，并且淘汰剛度較差的模板。每個柱體都要設有完整的支撐系統，模板在拼裝過程中要保證平整，并且符合質量標準。模板混凝土中，水平撐要外附剪力撐進行加固，要防止柱體混凝土移位自身問題出現漲模。柱間模板可以使用套管加拉桿的方式進行加固，模板的四周要使用不少于2根鋼管進行加固，以提高模板能夠承受混凝土的壓力性能，對稱模板之間，要根據墻體的厚度使剛性管進行支撐，以保證墻體厚度一致。有防水要求時，應采用焊有止水片的螺栓。為了提高柱體表面的平整度，可以再模板面中刷入乳化膏進行隔離。每個高柱根都要根據柱體尺寸先澆15-22cm高導墻作根部模板支撐，模板上口設欄桿封口。如遇到利用柱直接安裝門口，要保證，應定位準確牢固，保證不因混凝土的澆搗而移位。

模板拼縫處應貼海棉膠條。

六、現澆板裂縫的防治措施

框架結構夠廠房主體為現澆板，其板體的裂縫是主要控制要點，在控制中要保證如下幾點：

首先要保證砂和石子的配合比，所有骨料的含泥量要復核規范要求，水泥在選用上要選擇水化熱適中的水泥，并且水泥必須具備合理的安定性。坍落度要控制在160±20mm的范圍內，現階段施工多使用商品混凝土所以混凝土的塌落度要根據車次進行檢測。其次模板的支撐必須保證足夠的強度和穩定性，板面的標高要復核設計要求。針對鋼筋控制要按照圖紙進行嚴格控制，每個板面的鋼筋在布置形式上，要復核設計圖紙，而且在間距布置上要復核規范和設計要求。底板鋼筋在綁扎完成后，要在底面筋上布置混凝土墊塊，保證每平米不少于四個，在電力管線埋管處要進行加筋處理。上層鋼筋要使用馬凳進行支撐，在澆筑前還要針對面層鋼筋進行檢查，并且做好護筋工作。混凝土在澆筑完成后要及時做好養護，可以根據不同的天氣使用塑料薄膜或草袋進行養護，派專人進行澆水，頂板養護時間不少于14天。頂層如需設置臨時房屋時，要對屋面的混凝土強度進行檢測，要避免鋼管、材料等出現集中的現象。頂板拆模要根據頂板強度而確定，頂板模板強度未達到設計要求時禁止拆模，在拆模過程中還要控制好支撐結構的撤除順序，要避免出現反向受力的情況。

結束語

本文針對框架結構在廠房結構的應用進行分析，并且主要對混凝土、鋼筋、模板等項目進行分析，并制定合理的控制措施，希望框架結構在廠房主體工程施工中能夠發揮更好的作用，最大程度的提高工程建設的經濟效益。

參考文獻

[1]李建新.框架結構模板工程施工技術措施[J].石河子科技.2009年01期

[2]歐振偉.建筑工程模板工程施工技術探討[J].中小企業管理與科技(上旬刊).2011年08期

篇7

關鍵詞：煤礦采空區 高壓輸電線路 鐵塔地基處理

一、引言

煤礦采空區對其上經過的高壓輸電線路的威脅和危害的關鍵決定因素主要包括高壓輸電線路鐵塔地基變形的類型、規模、大小、速度等。通常情況下，煤礦采空區所引起的高壓輸電線路鐵塔地基變形主要包括開裂、傾斜、凹陷、起伏、錯動等，對線路構成最大威脅的是錯動、開裂和傾斜。基于此，接下來將探索煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理。

二、煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基出現問題的主要特點

通常情況下，煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基出現問題使地基的形狀、大小、速度會受到一系列的因素的影響，例如，煤層厚度、開采方式、工藝、埋深、上部巖層強度等等。在煤層埋深大于二百米的情況下，倘若煤層有些薄，引起的高壓輸電線路鐵塔地基變形就會相對小一些；煤層埋深越淺，開采層越厚，引起的高壓輸電線路鐵塔地基變形塌陷就會越大。具體來說，煤礦采空區的高壓輸電線路鐵塔地基變形的主要特點如下所述：

第一，通常能夠預測一個煤礦采空區內地表的變形范圍以及變形趨勢；然而，卻不能夠預測煤礦采空區域內的一個點或者是一個小的范圍的變形性質、狀態、大小、方向等等。

第二，通常能夠確定一個煤礦采空區內高壓輸電線路鐵塔地基變形的最大值和最小值；然而，卻不容易確定煤礦采空區域內的一個點或者是一個小的范圍的變形大小。

第三，通常能夠確定一個煤礦采空區內高壓輸電線路鐵塔地基變形的整體速度和區域穩定的時間；然而，卻不容易確定煤礦采空區域內的一個點或者是一個小的范圍的變形的速度和穩定時間。

第四，通常能夠預測一個煤礦采空區內將會發生的高壓輸電線路鐵塔地基變形、破壞的種類（如開裂、凹凸起伏、傾斜、塌陷等）；然而，卻不容易確定煤礦采空區域內的一個點或者是一個小的范圍的變形的具體發生種類。

三、煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理的治理途徑

根據煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基出現問題的主要特點，可以采取如下的幾種治理途徑：

第一，對于線路鐵塔與煤層的對應位置進行精確地測量，和采礦部門進行協調，雙方形成一致的意見，在煤層開采過程中在鐵塔的對應位置預留足夠大小和數量的煤柱，從而保證各鐵塔的地基不會出現威脅鐵塔安全運行的變形問題以及各種各樣的破壞問題。

第二，結合煤礦采空區的埋深、規模及當地水文地質情況，采取鉆孔灌漿等治理途徑，進行地質加固、巷道回填，并且改造局部地質水文環境、局部地質結構。具體來說，在鐵塔基礎鉆孔后，可以通過鉆孔向鐵塔基礎或需要加固的采空區和巖石松動區灌注水泥漿；在鐵塔基礎鉆較大孔徑的孔后，通過鉆孔向鐵塔基礎或未跨塌的采空區和巖石松動區灌注流沙、砂石混合料；在鐵塔基礎附近采用大孔徑鉆具鉆孔后，下放蜂窩鋼管、灌注混凝土，形成鋼管混凝土柱支撐鐵塔地基不再變形破壞。

第三，結合煤礦采空區的埋深、規模、巷道分布及局部地質條件，可以采取只加固部分地基的治理途徑，進行中、淺層基礎加固、地質構造利用，優化傳力等。具體來說，直接加固鐵塔基礎使之不因采空區的逐步發展而產生塔基開裂、散體等破壞；通過精確的物探測量、區域變形分析計算和經驗判斷，在絕對有把握的基礎上可不對鐵塔基礎做處理。

第四，如果煤礦采空區地質和開采情況非常復雜，存在著安全生產的威脅，那么，應該對于高壓輸電線路進行改線，通過重新建設一段線路來將采空區上的線路進行替換。

四、煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理的治理途徑的分析

在上文的煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理的治理途徑中，部分是專門針對高壓輸電線路鐵塔抗采空變形、破壞而采取的，部分是借鑒采空區上一般建筑物加固處理的主要措施而采取的。接下來，本文進行煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理的治理途徑的分析。

第一，雖然對于線路鐵塔與煤層的對應位置進行精確地測量并且預留煤柱，不會產生技術上、經濟上的困難，然而，在和采礦部門進行協調的過程中不容易實現雙贏的結局，這種治理途徑在具體的采煤過程中很難真正實現。

第二，對于鉆孔灌漿等治理途徑，會面臨著一定程度上的技術困難，并且在經濟方面也并不是非常可行的，可能會消耗掉巨大的財力資本。

第三，對于只加固部分地基的治理途徑，在經濟方面是比較可行的，然而，結合采空區地面變形和破壞規律，會發現在前期評估、預測的過程中存在著非常巨大的技術問題，很難科學有效地判斷出應該對哪一段采空區高壓輸電線路鐵塔地基進行處理。

第四，對于高壓輸電線路進行改線的治理途徑，雖然在技術方面不是非常困難，然而，在經濟方面卻并不是非常可行的，一旦進行改線，就需要投入大量的資金。

五、結束語

綜上所述，本文探索了煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理的研究與應用。通過本文的探索，得到了一些結論，有利于煤礦采空區高壓輸電線路鐵塔地基處理領域的進一步發展。希望通過本文的探索，可以拋磚引玉，引起國內外專家學者對于該領域的進一步的重視。

參考文獻：

[1] 張國軍, 李文靜, 梁偉峰. 煤礦塌陷區高壓輸電線路鐵塔傾斜調正技術[J]. 中州煤炭, 2011,(10)

[2] 張波,崔翔,盧鐵兵,李琳,趙志斌. 超高壓輸電線路鐵塔附近三維電場的數值計算[J]. 電網技術, 2003,(07) .

[3] 張建強,楊昆,王予東,湯躍超. 煤礦采空區地段高壓輸電線路鐵塔地基處理的研究[J]. 電網技術, 2006,(02) .

[4] 楊風利,楊靖波,韓軍科,張子富. 煤礦采空區基礎變形特高壓輸電塔的承載力計算[J]. 中國電機工程學報, 2009,(01) .