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1、型钢混凝土异形柱的基本力学行为及轴压比限值的研究 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1 型钢混凝土异形柱的研究意义异形柱结构柱肢宽度与隔墙等厚,具有避免室内柱楞凸出、美观适用、得房率高等优点，倍受欢迎。在中国异形柱结构得到了大量的应用.异形柱在具有以上优点的同时，也存在着其截面特性带来的先天不足。承载能力不足。轴压比限值过低。抗震性能也不理想。在梁柱节点处，钢筋较密集，施工困难。因此，学者们研究改善RC异形柱的不足，提出了加暗柱RC异形柱、CFST异形
2、柱、SRC异形柱、钢结构异形柱等新型异形柱结构。u 工程实践表明，目前应用的钢筋混凝土（RC）异形柱存在着以下主要问题 型钢混凝土（SRC）异形柱 SRC异形柱截面中主要配置型钢并配有适量的纵向钢筋和箍筋，然后浇筑混凝土把型钢包裹在里面的异形柱。根据配钢形式的不同，SRC异形柱可以分为两种，实腹式配钢SRC异形柱和空腹式配钢SRC异形柱，空腹式配钢中又可分为配T型钢桁架和配槽钢桁架两种。u SRC异形柱示意图异形柱示意图 SRC异形柱保护层厚度及配钢分析SRC异形柱与矩形柱相比:具有柱肢细长肢宽薄的特点,常采用200mm及240mm两种。SRC结构与RC结构的一个显著区别是钢与混凝土的粘结性能
3、差。现有规范对SRC结构的保护层厚度要求高，宜采用150mm，最小不得小于50mm。显然SRC异形柱没法满足规范要求，确定保护层厚度是研究的重要问题。u 保护层混凝土的作用保护层混凝土的作用 维持型钢与混凝土之间的握裹力，提供钢与混凝土之间的粘结力。约束型钢，防止型钢屈曲失稳，提高防火、防腐、防锈能力，提高构件刚度。影响构件受力的有效高度。混凝土保护层厚度越小、力臂越大、抗弯性能越好。u 混凝土保护层厚度的确定原则混凝土保护层厚度的确定原则 不发生失稳的最小保护层厚度。不发生失稳的最小保护层厚度。把混凝土保护层视为一块薄板，根据板的弹塑性屈曲理论，推导出混凝土在达到受压强度以前，不会发生失稳的
4、最小保护层厚度。n图2.1 计算简图 u 板的弹塑性屈曲理论推导公式板的弹塑性屈曲理论推导公式混凝土板的弹塑性屈曲应力为：l上式中，弹塑性系数 的取值是核心问题。不发生失稳破坏的最小保护层厚度计算式为：l（2-1）（2-2）u混凝土临界保护层厚度 力的平衡条件：图2.2 计算简图（2-3）（2-4）（2-5）u耐久性、防火、刚度等确定保护层厚度 耐久性角度考虑混凝土保护层厚度。耐久性角度考虑混凝土保护层厚度。从防火性能角度考虑，保护层从防火性能角度考虑，保护层60mm时，可耐时，可耐火火3h,50mm时，可耐火时，可耐火2h。从提高结构刚度的角度出发，英国规范规定了从提高结构刚度的角度出发，英
5、国规范规定了保护层厚度不小于保护层厚度不小于40mm。结论：分别从上述各方面考虑，取其中的一个结论：分别从上述各方面考虑，取其中的一个最大值作为最大值作为SRC异形柱的混凝土最小保护层厚异形柱的混凝土最小保护层厚度。度。u SRC异形柱的配钢分析 配配T型钢桁架型钢桁架 配槽钢桁架配槽钢桁架 实腹式配钢实腹式配钢u 斜截面配钢斜截面配钢 空腹式配钢在各肢型钢之间焊接腹杆或腹板，形成空间钢构，腹杆也起到栓钉的作用，有利于提高受力性能。地震区的结构，考虑到地震作用具有往复性，配置交叉斜腹杆的形式效果更好。缀件的截面积和间距确定，应满足确保纵向型钢与混凝土协同工作以及构件的抗剪要求。3 SRC异形柱
6、力学特性分析SRC异形柱由于截面不规则，导致了其不同于传统的矩形、圆形柱的一些特有性质。边界条件不同的SRC异形柱的力学特性不同，铰接及一端铰接一端固接的异形柱具有双偏压特性，而两端固接异形柱是单偏压特性。框架结构中SRC异形柱滞回曲线对称，破坏主要由承载力薄弱一侧的上下端控制。u两端铰接异形柱的力学特性两端铰接异形柱的力学特性 任意取截面上一点dA为研究对象，在外荷载作用下产生的应力为 图3.1 L形柱截面示意 当仅有绕 x 轴弯矩作用时，由于异形柱截面不对称 必定会发生双偏压破坏现象 u两端刚接异形柱的力学特性两端刚接异形柱的力学特性 框架结构中异形柱的力学模型为两端刚接。当楼盖只发生沿x
7、轴方向的刚体平移时，相应的各框架柱将只发生绕x轴方向的弯曲变形。是由楼盖平面内刚度无穷大，楼盖给各柱端强力的约束所决定。根据常识，楼盖发生x轴方向的刚体平移，相应的各框架柱也将只发生x轴方向的弯曲变形。u 反证法证两端固接异形柱单偏压特性反证法证两端固接异形柱单偏压特性命题：假定异形柱在楼盖产生x轴方向的刚体平移时，发生双向弯曲。l式中：、分别表示框架柱x、y 方向的水平位移。l求解得：l代入边界条件得：由于 ，必定有 、，显然与命题只发生 x 轴方向位移的假定矛盾，命题不成立。因此，楼盖发生轴x方向的刚体平移时，柱当且仅当发生绕 y轴方向的弯曲变形，即：结论：这就证明了两端固接异形柱的单偏压
8、特性。u 低周反复荷载作用下刚接异形柱的受力特性低周反复荷载作用下刚接异形柱的受力特性图3.4 异形柱框架弯矩示意图 由图可见，正反向荷载作用时，弯矩图对于反弯点反对称，对于T形柱，反复荷载作用下，腹板上下端部交替压碎，同一根柱子上下部分的混凝土、配筋完全相同，承载能力也相同，因此，滞回曲线形状应该是对称的。4 SRC异形柱的轴压比限值异形柱的轴压比限值异形柱由于截面不规则，与矩形柱相比，延性差，轴压比限值更为严格。RC异形柱的轴压比限值较低，影响了其适用范围。研究如何提高异形柱的轴压比限值，已成为一个亟待解决的问题。加暗柱RC异形柱、钢管混凝土异形柱、SRC异形柱，目的之一就是提高轴压比限值
9、。u轴压比限值的确定轴压比限值的确定一般认为SRC结构的轴压比限值的确定，以位移延性系数=3为界。日本规范则以极限转角具有0.01弧度为界。综上可以认为：当SRC异形柱同时满足位移延性系数3，和极限转角0.01弧度，对应的轴压比安全可行。uSRC异形柱的轴压比实验异形柱的轴压比实验编号轴压比位移延性极限转角 破坏形态 备注T60.1772.280.018剪切粘结 不满足L10.1932.030.033剪切粘结 不满足T10.2363.710.035剪切斜压T20.4083.440.026剪切斜压T30.5844.770.034弯曲破坏十20.6514.780.037弯曲破坏L30.5263.4
10、70.032弯曲破坏u试验结果分析试验结果分析发生剪切粘结破坏的试件，即使轴压比限值很低，也不能满足的3的延性要求。采取有效措施防止剪切粘结破坏十分必要。SRC异形柱的设计轴压比限值可以达到0.65。u基于界限破坏计算基于界限破坏计算SRC异形柱的轴压比限值异形柱的轴压比限值计算思路：根据界限破坏的定义（受压混凝土达到极限压应变的同时受拉型钢屈服），求出对应的轴压比。由于截面不规则，需要编程实现。程序的关键是：不同方向荷载作用下，截面中最大混凝土应变点和最大受拉型钢应变点的确定。编写了计算程序SRCZYABu程序计算结果分析程序计算结果分析同一试件，不同加载方向轴压比限值相差很大。对T、L形柱
11、：90度加载（腹板受压、翼缘受拉时），轴压比限值最小。对十形柱，45度加载时，轴压比限值最小。由于截面及配钢不对称，按界限破坏的方法计算SRC异形柱的轴压比有可能出现负值（也就是根本不可能发生界限破坏）u试验检验界限破坏理论的计算结果试验检验界限破坏理论的计算结果部分试件（T2、T9、L3）试验实加轴压比明显大于理论计算结果时，延性仍大于3。采用界限破坏的计算方法计算SRC异形柱的轴压比限值存在缺陷。没法真正反映出型钢分担轴力的作用。计算结果出现负值或很小的值，明显与实际不符。u基于叠加法计算基于叠加法计算SRC异形柱的轴压比限值异形柱的轴压比限值日本规范及我国规程采用了叠加法计算SRC矩形柱的轴压比限值。由于异形柱截面不对称，需要简化。u基于叠加法计算的技术处理基于叠加法计算的技术处理把不对称的异形柱简化成矩形柱。与加载方向一致柱肢的矩形柱。把型钢对称化，并且以含钢量最小的一侧对称。u试验检验叠加法的计算结果试验检验叠加法的计算结果试验实加的轴压比均小于按叠加法计算的轴压比限值，且延性均达到3的要求。按叠加法计算，并通过试验检验的轴压比限值：抗震等级一级二级三级SRC-L形柱0.40.50.6SRC-T形柱0.40.50.6SRC-十形柱0.60.70.8谢谢！谢谢！