钢管混凝土框架结构抗震性能比较研究

摘要：分别对钢管混凝土和钢筋混凝土的五层框架结构的抗震性能进行了分析，通过比较两种结构在不同地震作用下的动力特性和抗震性能的反应，得出钢管混凝土结构的抗震性能要优于钢筋混凝土结构。有进一步研究和推广的价值。

关键词：钢管混凝土；动力特性；抗震性能

中图分类号：TU323.5文献标识码： A 文章编号：

0引言

钢管混凝土就是在钢管中填充混凝土而形成的结构构件。混凝土的抗压强度高，但抗弯能力弱；而钢材的抗弯能力强、弹塑性好，但在受压时容易发生屈曲而丧失稳定性。钢管混凝土是两种材料的组合，能够将两者的优点结合在一起。

随着经济的发展和社会的进步，一些超高层、大跨度结构应运而生。同时，对结构形式和构件材料也有了更高的要求。由于钢管混凝土的抗压强度高、抗弯能力好、抗震性能强等优点，适应了这一发展趋势。本文采用有限元软件SAP2000分析程序，对钢管混凝土和钢筋混凝土结构做了理论上的比较研究，用工程实例验证钢管混凝土结构优越的抗震性能，为结构设计提供了参考依据。

1框架结构模型的选取

1.1 工程概况

建筑物所在地区的设防烈度为8度，地震加速度为0.20g，场地类别为Ⅱ类场地，混凝土强度等级框架柱采用C35，梁及楼板采用C30,钢筋采用HRB400，钢管采用Q345钢。层高为3米。

1.2 有限元分析模型及参数的确定

为了更好的比较分析钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的抗震性能，在此用截面形式和构件尺寸完全相同的两种框架结构进行分析。柱截面尺寸为800mm×800mm，框架梁截面尺寸为300mm×600mm，楼板厚度为130mm。

2不同地震作用下动力特性比较分析

运用SAP2000分析软件对两种框架结构进行动力分析，这里采用El Centro地震波。分别用70gal和400gal大小的地震波进行分析。

在70gal El Centro地震波的作用下，得出钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的自振频率，如表1所示。

表1

在400gal El Centro地震波的作用下，两种结构的自振频率如表2所示。

表2

由表1和表2可以看出，结构的频率和自身的材料有关。钢筋混凝土结构的自振频率要比钢管混凝土结构的自振频率要小，说明钢管混凝土结构的整体刚度要大。刚度大，频率必然大。在大震作用下，两种结构的自振频率对比更加明显。为了进一步比较两种结构的动力特性，这里用等刚度的钢管混凝土代换钢筋混凝土结构，结果发现，钢管混凝土的自振频率要稍低，这是因为钢管混凝土的结构的自重要小一些。

3不同地震作用下抗震性能比较分析

对两种结构进行抗震性能对比同样采用70gal和400gal的El Centro地震波。在70gal El Centro地震波的作用下，钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的顶点最大位移和最大加速度值如表3所示。

表3

在400gal El Centro地震波的作用下，两种结构的顶点最大位移、最大层间位移和最大加速度值如表4所示。

表4

从表3和表4可以看出，在不同大小的地震作用下，钢管混凝土的最大加速度值要小于钢筋混混凝土结构，说明钢管混凝土结构的耗能能力要强。同时，在位移方面，小震作用下虽然两种结构的顶点最大位移都在规范规定的限制范围内，均满足建筑抗震设计规范的要求，但是钢管混凝土的顶点最大位移要小于钢筋混凝土结构，说明钢管混凝土结构的抗震性能要优于钢筋混凝土结构。在罕见的大震作用下，钢管混凝土结构的顶点最大位移为689.5mm，钢筋混凝土结构的位移为1365.2mm，钢管混凝土结构的位移仅为钢筋混凝土结构的50.5%。在考虑在P-Δ效应的情况下，其实钢筋混凝土结构已经倒塌。说明在罕遇的大震作用下，钢管混凝土结构的抗震性能更加优越。

4结论

通过对两种结构在不同地震作用下的动力特性及抗震性能的分析，得出以下结论：

通过对两种结构动力特性的比较可以看出，钢管混凝土结构的自振频率要大，说明钢管混凝土结构的刚度大，自重相对较轻。

混凝土的抗压能力强，但抗弯能力弱，塑性差，钢管混凝土结构的钢管对其包裹的混凝土产生了约束作用，使混凝土处于三轴受压状态，延缓了混凝土裂缝的发生和发展，提高了其抗压强度和变形能力。

钢管在受压时容易发生屈曲而失稳，钢管内的混凝土对钢管起到了支撑作用，可以有效的防止钢管发生失稳现象，提高了结构的整体性和稳定性。

在地震作用下，钢管混凝土结构具有良好的延性和耗能能力，抗震性能明显优于钢筋混凝土结构，特别是在大震作用下，钢管混凝土结构的抗震性能更加优越。

钢管混凝土结构良好的特性，适用于大跨度超高层结构，切施工方便，经济合理。

参考文献

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