方钢管混凝土组合异形柱框架—支撑结构体系力学性能研究

【摘要】：方钢管混凝土组合异形柱(special-shaped column composed of concrete-filled square steel tubes,简称SCFST柱)可隐藏于墙体内部,室内不露柱子凸角,抗震性能优,综合性能好。采用SCFST柱技术的钢结构住宅建筑效果美观,施工便捷,绿色环保,具有良好的应用前景,将SCFST柱技术成功应用于高层钢结构建筑,具有良好的工程应用价值和社会经济效益。本文提出适用于高层住宅建筑的SCFST柱框架-支撑结构体系,并针对该体系的抗震性能、SCFST柱结构设计计算方法以及SCFST柱的耐火性能等方面进行相关研究,具有重要的科学意义和工程参考价值。本文主要研究内容如下:为研究SCFST柱框架-支撑结构的抗震性能,完成了相关拟静力试验,该结构支撑率先发生屈曲,之后钢梁出现扭转现象,至试验结束SCFST柱也未发生破坏,支撑、钢梁和柱的应变值依次变小,结构体现出合理的破坏机制。结构滞回曲线呈梭形,耗能性能较好,骨架曲线下降较为平缓,体现出良好的延性和变形能力。结构侧向线刚度存在一定下降现象,而强度退化现象并不明显。随着轴压比的提高,支撑框架延性和耗能能力有所下降,抗侧能力和线刚度有所提高;SCFST柱截面加强后,延性、抗侧能力和耗能能力均有所提高。SCFST柱框架-支撑结构变形与框-剪结构变形相一致。在地震作用下SCFST柱各单肢之间存在弱扭转效应,但变形控制在合理范围内,SCFST柱体现出较高的承载能力。支撑框架整体结构抗震性能良好。完成了SCFST柱框架-支撑结构抗震性能有限元分析,数值分析的破坏现象、破坏机制与试验相吻合,且承载力、刚度以及滞回变化规律与试验结果基本一致,验证有限元模型的正确性。针对SCFST柱轴压比、柱截面形式以及支撑刚度等因素进行有限元参数化分析,整体而言,SCFST柱框架-支撑结构的抗震性能对于轴压比的变化并不敏感;加强SCFST柱有利于整体结构抗震性能的提高,且对于抗震第二道防线的加强有重要作用;加强支撑截面对提高结构弹性阶段的整体抗侧刚度作用明显,但是应注意避免结构在大震作用下过“刚”引发脆性破坏。在抗震性能试验研究及有限元分析的基础上,通过线性回归方法建立了SCFST柱框架-支撑结构的三折线骨架模型,明确了滞回及退化规律,建立了简化滞回模型,对实际工程设计具有一定的指导意义。依托现有结构设计软件,确定SCFST柱结构安全、有效的设计计算方法对于该体系工程应用推广具有重大意义。本文提出实建截面、自建截面和等效截面三个方法对SCFST柱结构进行设计分析。经研究发现,在整体结构宏观指标计算层面,三种方法均可行,且具有一定安全储备;在SCFST柱构件验算层面,仅实建截面方法可行。福康家园项目是全国第一个异形柱高层钢结构住宅,本文对该工程进行风荷载分析、多遇地震弹性分析以及罕遇地震下静力弹塑性分析,分析表明结构破坏机制合理,具有较高的承载能力和较好的延性。耐火问题是钢结构工程普遍要面临的一项重要课题,SCFST柱的耐火研究目前尚属空白。本文提出对SCFST柱采用50mm厚蒸压轻质加气混凝土板包裹的防火保护措施,并进行耐火性能试验,耐火极限满足《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)要求。研究表明,试验中试件的轴向压缩变形量微小,柱构件轴压比增大后,轴向压缩变形量变大,耐火极限变小。SCFST柱的钢管柱截面虽较小,但其内填混凝土仍具有一定的吸热作用。防火板包裹后,SCFST柱各单肢柱间形成空腔,空腔对内部板件有一定隔热保护作用。试验得到SCFST柱的温度场分布,截止至试验结束,SCFST柱结构的温度在310℃以下,随着测点距受火表面的距离增大,温度逐渐降低,柱结构一直处于较低温度状态下,体现出良好的耐火性能。最后,结合相关研究成果对实际工程中SCFST柱框架-支撑结构体系的柱、节点、防火与防腐等设计关键技术进行总结,对该结构工程造价进行统计分析,并提出结构优化改进建议,本文研究成果对于实际工程具有直接指导意义。