T形截面钢骨混凝土偏压柱试验研究

沈阳建筑大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 T形截面钢骨混凝土偏压柱试验研究姓名：李晓丽申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：徐亚丰2009-02硕士研究生学位论文摘要I摘要传统的钢骨混凝土柱一般是矩形截面柱，在高层和超高层建筑中己经得到了大量应用。如将钢骨混凝土柱与钢筋混凝土异形柱相结合，即在钢筋混凝土异形柱中放入一定量的型钢就成为钢骨混凝土异形柱。钢骨混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱相比，在相同截面的条件下，因其含较多的型钢，可大大提高承载力和延性，它同时具备钢骨混凝土柱和钢筋混凝土异形柱的优点，能有效地扩大异形柱的应用范围。本文设计了一种新型实腹式钢骨混凝土异形柱，为进一步研究这种新型构件的力学性能，对9根T形钢骨混凝土异形柱进行单向大偏心、双向大偏心、双向小偏心荷载下的试验研究。文中详细介绍了试件的制作过程、加载设备和加载 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 以及位移量测方法，对不同含钢骨率情况下的异形柱构件的破坏机理、承载力及延性进行了对比分析，试验结果表明，随着含钢骨率的增大，构件的承载力及延性也相应增加。试验研究表明，在偏心荷载的作用下，从开始加载到混凝土开裂直至试件达到极限荷载，型钢与混凝土能保持协同工作，通过试验结果比较及理论分析，进行了T形钢骨混凝土异形柱偏心受压承载力的计算，理论计算值与试验结果吻合较好。计算并比较了各钢骨混凝土异形柱试件的延性系数。得出结论，钢骨和混凝土的协同工作使组合柱具有很好的延性。这种新型实腹式钢骨混凝土异形柱可以在工程中推广使用。关键词：钢骨混凝土异形柱；含钢率；受力性能；破坏形态；承载力硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractTraditionalsteelreinforcedconcretecolumnisusuallyrectangularsection,ithasbeenusedinthehighriseandsuper-highrisebuildingextensively.steelreinforcedconcretecolumncomeintocontactwithreinforcedconcretespecial-shapedcolumn.Ifweputsomesteelintoreinforcedconcretespecial-shapedcolumn,thenitbecomesteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumn.Comparingsteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnwithreinforcedconcretespecial-shapedcolumn,underthesamesectioncondition,steelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnincreasethebearingcapacityandductilitylargelybecauseofcontainingagreatquantitysteel,andithastheadvantageofsteelreinforcedconcretecolumnandreinforcedconcretespecial-shapedcolumntogether.Itcanenlargetheemployedscopesofspecial-shapedcolumneffectively.Thepaperpresentsthedetailofthemanufacturingprocessofthespecimens,theloadingequipmentandtheloadingmethodaswellasthemeasurementofthedisplacement.Anewtypicalsolid-websteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnisdesigned.Inordertoresearchthemechanicalbehaviorofthenewtypicalmemberfurtherdeeply,Makethetestingstudiesundereccentricpressure,andbiaxialeccentricpressurestateabout9steelreinforcedconcreteT-shapedcolumns.MakecomparingoffailuremechanismandaxialpressurebearingcapacityandductilityPerformancebetweensteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnandreinforcedconcretespecial-shapedcolumn.Theresultofthetestingshowthatthebearingcapacityandductilityofthememberincreaseasthepercentofsteelincrease.Theresearchofthetestingshowthatthesteelandreinforcedconcretecankeepworkingtogetherfromloadingandcrackinguntilbreakdownundereccentricpressurestate.Basedthetestingcomparingandtheoryanalysis,CalculatetheeccentricpressurebearingcapacityofsteelreinforcedconcreteT-shapedcolumns,theresultsoftheoreticalanalysisareprovedtofitthoseofthetesting.Computeandcomparetheductilitycoefficientaboutsteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumn.Gaintheconclusionthatsteelandreinforcedconcretecankeepworkingtogetherwellfromloadinguntilbreakingdown.Onaccountofthesteelcooperatewiththeconcrete,thesteelreinforcedconcretecolumnhashighbearingcapacityandexcellentductility.Thenewtypicalsolid-websteelreinforcedconcretespecial-shapedcolumncanbeusedintheengineeringwidely.Keywords:steelreinforcedconcretespecial-shapedcolumns;ratioofsteel;mechanicalproperty;failuremodel;bearingcapacity声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。）学位论文作者签名：导师签名：日期：日期：硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1课题研究的背景高层建筑在我国城市建设中越来越多，为使建筑布局灵活，住宅建设中，将原来的矩形截面柱做成一些适应房屋平面变化的不规则截面，比如角柱用L形，中柱用十字形，边柱用T形，然后填充墙用保温隔热的墙体材料，这样就形成了异形柱框轻结构体系。这种结构体系由于使用了异形柱，使得房间内部不会出现棱角，方便了家具的布置，同时还增强了建筑的美感。轻质薄墙的使用提高了建筑使用面积8%-10%，在有不同使用功能的综合性高层建筑中广泛采用[1-3]。钢筋混凝土异形柱框架结构由于承载能力因素的影响,只适用于多层及小高层住宅。了充分发挥异形柱框架结构的优点,使该结构的应用范围更广,许多专家曾对钢骨混凝土（SRC）异型柱进行了研究。异形柱的肢宽与墙厚相同，避免房间的柱楞露出，能够把建筑美观和使用的灵活性有机地结合起来。截面积相同的异形柱与矩形柱相比刚度加大，异形柱的柱肢长度通常比矩形柱的边长更长，可缩短柱间的梁跨，从而有效增高建筑的净高。在精心设计和保证施工质量的前提下，多层或小高层异形柱框架结构具有较好的抗震性能[4]。框架结构在承受同样荷载的情况下，采用钢筋混凝土异形柱可比一般矩形柱截面积减少5%，混凝土用量减少5%，从而降低工程造价[5]。钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土组成。与钢筋混凝土结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的抗剪承载力和抗压承载力都大大提高,从而有效地减小柱截面尺寸。钢骨翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。它通过钢、混凝土的协同工作使得钢材卓越的抗拉性能和混凝土的抗压性能得以充分发挥，因此有效地解决了钢筋混凝土结构中受拉区混凝土开裂后退出工作的问题,另外混凝土包住型钢可以防止钢骨压曲，增强钢骨的稳定性；同时可以利用混凝土代替钢材受压，经济效果显著。现有的研究主要集中于空腹式(如桁架式骨架)SRC异型柱上[6-9]，而对实腹式的研究较少[10]。虽然空腹式型钢骨架中的腹杆，能够承受型钢与混凝土之间横向剪力，还能有效防止型钢与混凝上之间产生粘结滑移，确保二者协同工作，但配实腹钢板的SRC异形柱构件正截面承载能力、延性均比桁架式配钢构件有明显提高，且加入纵向钢筋和箍筋后，粘结滑移在达到极限承载力后才开始明显。此外，由于翼缘与腹板中配了实腹钢板，延性明显提高，因此其作用在短柱中更为有效[11]。当结构布置对称,荷载分布均匀时,在竖向荷载作用下,中柱承受轴心压力。但由于施工误差等其他原因造成轴心受压构件存在初始偏心的缺欠,以致于完全理想的轴心受压状态几乎是不可能遇到的。而且在地震作用下，受压柱大都为双向偏压构件。严格说来，纯粹的单向偏压构件也是不存在的，只不过在许多情况下可以忽略其中一个方向的弯矩，而近似按单向偏心受压构件计算。可是在另外许多情况下，由于两个方向的相对偏心距相差不大，所以不能忽略其中任何一个，这时，就必须按照双向偏心受压构件计算它的截面承载力。而异形截面柱在外力作用下一般会发生双向弯曲，应按照双向偏压构件来研究异形2第一章绪论硕士研究生学位论文柱正截面承载力。课题组于2006年、2007年对实腹式钢骨混凝土(或称型钢混凝土)异形柱结构进行了一些理论和试验研究[12-16]，在此基础上，本文主要针对偏心荷载作用下的实腹式钢骨混凝土异形柱进行实验研究。1.2钢筋混凝土异形柱结构1.2.1钢筋混凝土异形柱结构体系钢筋混凝土异形柱是指柱截面为L形，T形，十字形，截面高与肢厚之比小于或等于4的柱。如果柱截面高与肢厚之比大于4，则就是实际工程中的短肢剪力墙。仅由钢筋混凝土异形柱作为竖向构件组成的结构体系，称之为异形柱框架结构，它实质上是一种框架结构，但又区别于传统的矩形截面框架结构，它一般可应用于小高层或多层住宅中。以异型柱为特征的结构体系包括以下几种形式：异型柱框架结构、异型柱框架剪力墙结构、异型柱框架-筒体结构等[17][18][19]。在框架结构、中角柱用L形柱，边柱用T形或一字形柱、中柱用十字形柱。如图1.1所示。432A1CBD图1.1异形柱框架布置图Fig.1.1Thearrangesdiagramofspecial-shapedcolumnframe异形柱框架结构的主要特点是采用异形柱以及轻质填充墙，建设部于1996年11月发布的《住宅产业现代化试点技术发展要点》(试行)文件，在其中的“住宅结构体系”中列出了钢筋混凝土异形柱框架结构体系及其结构特点:1)由T形边柱、十字形中柱、L形角柱组成的框架；2)填充墙与柱壁同厚，室内不出现柱棱；3)因墙体减薄，与砖混结构相比较，可以增加使用面积8%～10%；4)填充墙的墙体材料可根据当地保温隔热的要求，因地制宜，就地取材。此外建设部于1995年制定了《2000年小康型城乡住宅科技产业工程——项目实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 》文件，在其中“住宅结构体系成套技术研究”专题中，列出了异形柱框架、大开间住宅体系等。硕士研究生学位论文第一章绪论31.2.2钢筋混凝土异形柱结构的特点采用异形柱的结构体系中，兼有砌体结构和剪力墙结构体系的主要优点，同时尽可能弥补两者的不足，具有下述的技术优势:1.异形柱结构体系，柱壁与填充墙基本同厚。室内不出现柱楞，便于布置家具，比传统采用一般矩形或圆形柱的框架结构增加10%左右的使用面积。2.实现大开间住宅结构。由于采用全框架结构，因此上部可以获得较大空间，而且用户可以随心所欲的拆除或移动墙体，极大限度的满足住户个性化要求，实现建筑多功能的特点。3.可使用新型墙体材料。由于框架承重，墙体采用轻质墙体材料(碎渣砖，粉煤灰加气混凝土砌块等)，可以节约耕地，利用大量工业废料，减少污染，净化环境，实现能源的二次利用以及变废为宝等。4.可以节省能源。填充墙的墙体材料可根据当地的保温隔热要求，因地制宜，就地取材，达到节能节材的效果。5.异形柱结构体系在很大程度上降低了结构自重。在刚度相同的情况下，一般异型柱的柱截面面积小于矩形柱的截面面积，使柱的自重减轻，同时，板梁等构件也专门考虑了减少自重的措施，填充墙采用轻质材料，所以，异形柱结构的自重能够降低到普通砖混结构57%-60%左右。同时混凝土异型柱结构的整体性强，具有剪力墙结构的优点。又由于上部结构的自重减轻，使得基础的受力大为减小，于是地基基础材料的造价和用量也相应降低。异形柱框架结构在实际工程中，已经得到大量应用。自上世纪八十年代以来，这种结构体系在全国己建设实施几百万平方米，仅天津市就建成150多万平方米，在其他城市如兰州、石家庄、合肥、烟台的建筑面积大约在200多万平方米。广东省也有大量的异形柱框架结构建筑。1.2.3国外关于钢筋混凝土异形柱的研究现状美国学者JoaguinMarin在20世纪70年代就进行了第一个钢筋混凝土L形短柱的全过程分析，通过对大量L形短柱试验和理论的研究，给出了承载力相关曲线[20]。之后印度学者L.N.Ramamurthy和T.A.Hafeezham于1982年分别对等肢和不等肢L形截面双向偏压柱进行了理论分析和实验研究[21]。美国学者M.D.Davister于1986年对不规则的双向偏压柱进行了理论研究，提出两种简易的计算分析L形柱的极限承载力的方法，第一种方法通过反逆法分析，给出了L形柱的Pµ-Mµ相互作用线；第二种方法是基于L形柱主轴方向的Pµ-Mµ相互作用线与它的等效柱(矩形或方形柱)的Pµ-Mµ相互作用线相同，用它的等效柱的设计方法来处理L形柱就省略了许多繁杂的过程。以上几种方法都是基于荷载作用线的方法，都需要对主轴方向极限弯矩进行计算，而由于异形柱截面的不规则性，配筋布置形式不同于矩形柱，所以主轴方向的极限弯矩不易求出，因而为以上设计方法带来很大困难，应用于工程设计有一定的缺陷。科学的方法是采用计算机进行计算分析。1985年和19894第一章绪论硕士研究生学位论文年，美国学者Cheng-TzuThomasHsu对L形柱、T形柱进行了计算机分析，给出了决定方形、矩形、L形截面柱极限强度、相互作用线、荷载一弯曲曲线、弯矩一曲率关系的计算机算法，又对T形截面柱进行了研究，通过对12根双偏压T形柱单调荷载作用进行研究，给出了荷载一变形曲线，并编制了计算机程序，试验结果和程序结果两者符合较好[22-23]。土耳其学者C.Dundar和B.Sahin1992年也对双向偏压柱进行了理论研究；1992和1993年印度学者Mallikarjunal和P.Mahadevappa先后对于双向压弯的L形和T形截面的钢筋混凝土柱利用计算机进行系统的计算分析，并给出相应得图表和Fortran程序[24-25]；1996年印度学者Sinha.S.N对双向偏压的十字形柱进行了研究，根据不同截面尺寸和构造配筋的柱绘制出双向压弯构件的相关曲线，分析了不同的配筋形式对承载力的影响[26]。总的来说，国外对异形柱的研究主要集中在计算机程序的理论分析方面，对试验研究较少。在试验研究方面，国内的研究比较多，取得了很多可喜的成果。1.2.4国内关于钢筋混凝土异形柱的研究现状90年代中期，天津大学、大连理工大学、华南理工大学、北京工业大学等单位相继就异形柱课题进行了系列研究，研究成果集中反映在天津市地方 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 《大开间住宅钢筋混凝土异形柱框轻结构技术规程》DB29-16-98[27]、广东省地方标准《钢筋混凝土异形柱设计规程》DBJ/T15-15-95[28]中和安徽省地方标准《安徽省异形柱框架轻质墙结构(抗震)设计规程》DB34/222-2001[29]。1、异形柱双偏压的研究现状广东标准《钢筋混凝士异形柱设计规程》在设计异形柱时，是先将双向偏心弯矩近似地化为作用于对称轴上的当量弯矩，来计算异形柱的正截面承载力，然后查表计算，这是一种近似方法，而且使用的范围较为有限，规程只列出了几种常用截面类型和混凝土强度等级下的计算图表，只适用于L形和T形截面，对十字形和不等肢截面不适用。天津大学对T形、L形、十字形异形柱进行了一系列实验研究[30-38]，由于异形截面柱的正截面承载力较为复杂，由于其在多数情况下为不对称截面，因此截面为平面外弯曲，即弯矩作用平面与弯矩平面不重合，亦不与截面边缘平行；同时在双向偏心受力条件下，截面中和轴一般也不和弯矩作用平面垂直，不和截面边缘平行，它的位置随截面尺寸、混凝土强度等级、加载角、配筋等诸多因素的变化而变化。通过设计了11根T形，6根L形及8根十字形双向受弯构件，对其正截面承载能力进行了试验研究和理论分析，探讨了影响双向受弯构件正截面承载能力的因素和计算承载力的方法，编写了用于配筋计算的电算程序，之后又在试验研究和理论分析的基础上提出了简化计算方法。除此之外，天津大学还对钢筋混凝土异形截面(主要是L形、T形、十字形)双向压弯柱延性性能，单周及低周反复荷载作用下框架柱的受剪性能，框架节点强度，双向拉弯构件正截面承载力等方面进行了研究。大连理工大学[39-42]于1993年对18根异形柱(L形柱10根，T形柱和十字形柱各4根)双偏压性能进行了试验研究，试验结果表明，异形柱双偏压正截面工作机理同单向偏心受硕士研究生学位论文第一章绪论5压构件相似，从开始加载到构件破坏，其截面应变基本上能够符合平截面假定，构件呈大、小偏压破坏形态，但是由于异形柱有其自己的截面形态和配筋方式，因而构件的变形和正截面承载力又有其自己的特点:1)截面形心轴与弯矩作用平面不重合；2)在构件截面中，由于纵筋距中和轴位置不同，故纵筋的应力水平也就不同，弯矩作用平面方向角部纵筋应力最大。华南理工大学于1995年与广东房地产开发设计院合作[43-45]，对11根等肢L形截面双偏压柱进行了试验研究，初步证实了L形截面柱在双向偏心荷载作用下，自开始加载至截面破坏的整个过程中，截面的平均应变仍然符合平截面假定规律;初步揭示了L形截面双向偏心受压柱的破坏形态及特点并根据试验研究结果，提出了L形截面双向偏心受压柱正截面承载力的计算公式及方法。以上是对双偏压异形柱构件正截面承载力各地方规程的研究情况，对其计算方法研究很多，中州大学的李九宏[46]通过推导和分析，说明了影响异形截面受压构件界限偏心矩(?eib)的因素，并给出了考虑混凝土强度等级、钢筋级别及受压翼缘影响的(?eib)min，计算表格，阐述了此类构件正截面受压承载力计算方法；文献[47-49]用非线性有限元数值分析法对双偏压异形柱的设计方法进行了研究，并编制了计算机程序，为异形柱的工程应用奠定了基础。2、异形柱抗震性的研究现状1992年到1994年间，河北工业大学先后完成了对L形、十字形、T形柱抗震性能的试验研究，在压弯实验中，水平力的作用方向除与异形柱工程轴方向一致外，还采用了与工程轴成45。作用的水平力加载方式，这样为进行不同水平地震作用方向下异形柱的抗震性能研究初步奠定了实验基础。1995年，卫园等[50]采用了梁式加载的试验方案研究了轴压比、配箍率、纵筋配筋率对等肢L形截面柱的破坏状态、滞回曲线和延性的影响，其反复荷载方向沿截面对称轴，研究认为，轴压比较小时，属于大偏心受压破坏状态，轴压比较大时属于小偏心受压;延性随轴压比的增大而降低，而且得出用单调荷载下的钢筋混凝土压弯构件承载力计算方法来计算反复荷载下的钢筋混凝土压弯构件是安全的。1995年北京工业大学曹万林[51-54]通过L、T和十形截面柱在三个不同方向(工程轴方向、垂直于工程轴方向、与工程轴成45度方向)水平周期反复荷载下的试验研究，分析了构件的承载力、刚度和延性，试验表明由于L、T形柱截面不对称，出现某一加载方向承载力高，另一方向承载力低的现象，而且延性也不对称。1999年，曹万林[55-57]还研究了暗柱对L、T和十形柱抗震能力的影响，试验研究表明，随着轴压比增加，试件的承载力提高，延性降低，而且暗柱能显著提高异形截面柱的承载力和延性，较相同的普通L形截面柱具有较高的塑性铰区域，发展也较充分，耗能能力较强，暗柱具有明显的钢筋混凝土核心约束作用。西安建筑科技大学共进行了12根T形、6根L形以及6根十字形(1/2比例缩尺)的肢宽比分别为4，5，6的宽肢异形柱低周反复荷载试验。此外，中国建筑科学研究院对国内外进行过的18根L形偏心受压柱的强度实验结果6第一章绪论硕士研究生学位论文进行了统计分析，给出了实用计算公式，但由于实验数据少，难免有局限性。钢筋混凝土异形结构体系以其良好的经济、社会及环境综合效益，在国内各地逐步得到发展，尤其是国家宣布禁用烧制粘土砖后，异形柱结构体系的应用更加受到关注，在国内各地发展势头强劲。在天津、广东、江苏、上海、江西、安徽、福建、湖北，还有山西、沈阳市、陕西、四川、深圳等许多省市，甚至8度抗震设防的甘肃，均已陆续建成一批异形柱结构住宅。据粗略估计，目前全国此类住宅的建成量约达2000万m2左右。特别是近年来因城市用地紧张、地价昂贵而大量发展的十余层的小高层住宅，正是异形柱结构最合适的使用范围，因此，异形柱结构体系在全国必会有更大的发展。1.3钢骨混凝土结构1.3.1钢骨混凝土结构钢骨混凝土结构(SteelReinforcedConcrete简称SRC结构)，是把型钢置入钢筋混凝土中，使型钢、钢筋(纵筋和箍筋)、混凝土三种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构。这种结构在日本称之为钢骨钢筋混凝土(日本英译名为SteelReinforcedconcrete)结构，在英美等西方国家称之为混凝土包钢(SteelEncasedconcrete)结构，而在前苏联则称之为劲性钢筋混凝土结构(?????????????????????????)。受到英、美、日等国的影响，我国对这种结构的名称叫法很不一致。我国认为对应于钢筋混凝土结构而言，在混凝土中主要配置的是型钢，故称之为型钢混凝土结构(SteelReinforcedconcrete，以下简称SRC结构)。SRC结构的型钢可分为实腹式和空腹式两种。实腹式型钢可由钢板焊接而成或直接采用轧制型钢，常见截面形式：I、十字、矩形、圆形钢管、T形。空腹式配钢是由角钢构成的空间桁架式的骨架，一般由角钢、槽钢用缀板或缀条焊接而成，如图1.2所示。(a)实腹式钢骨混凝土柱(a)Steelreinforcedconcretecolumnsofsolidstomachtype(b)空腹式钢骨混凝土柱(b)Steelreinforcedconcretecolumnsoflimosistype图1.2钢骨混凝土柱的基本类型截面Fig.1.2Thecommonsectionalformofsteelreinforcedconcretecolumns目前抗震结构中多采用实腹式型钢混凝土结构。实腹式的强度、刚度、延性很高，远硕士研究生学位论文第一章绪论7比空腹式优越，可用于大型、中型及很高的建筑。但是空腹式比实腹式可更多地节省钢材，其含钢量比钢筋混凝土结构稍大或基本相当，而其强度、刚度、延性则比钢筋混凝土结构有较大提高，所以常在荷载、跨度、高度不是特别大的结构中采用。高强混凝土耐久性好、强度高、变形小，同样适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展的需要。但高强混凝土的延性差，在地震作用下易发生脆性破坏，从而影响其在抗震工程中的应用。1.3.2钢骨混凝土结构的特点1、与钢筋混凝土结构相比，钢骨混凝土结构具有以下特点：(1)变形能力强，抗震性能好[58][59].钢筋混凝土结构由于混凝土材料的脆性特征，构件容易发生脆性破坏，结构的延性较差。钢骨混凝土结构由于钢骨的存在，构件的延性得到了很大的改善。(2)在截面尺寸相同的条件下，可以合理的配置较多的钢材。超高层建筑底层柱的轴力很大，当采用钢筋混凝土构件时，为了满足 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 对轴压比的要求，柱截面尺寸通常很大，而这类短柱的延性往往很差。如果采用钢骨混凝土构件，就可以大大提高柱的含钢率，使柱的承载能力与变形能力有效提高。(3)当基础采用钢筋混凝土结构、上部为纲结构时，采用钢骨混凝土结构作为过渡层可以使结构的内力传递更为合理。(4)在施工时，型钢骨架有较大的承载力，可以作为脚手架使用，如果再利用压型钢板作为混凝土楼板的模板的话，可以大大节省模板用量并加快施工进度。2、与钢结构相比，钢骨混凝土结构具有以下特点：(1)混凝土兼有参与构件受力与保护层功能，经济性较好。(2)结构刚度大，外力作用下变形小，在风荷载和地震作用下，结构的水平位移可严格控制[60][61]。(3)混凝土有利于提高型钢的整体稳定性，钢板的局部屈曲、杆件弯曲失稳及梁的侧向失稳不易发生。如果结构设计合理，就能保证良好的延性[62][63]。1.3.3国内外关于钢骨混凝土结构的研究与应用1.3.3.1国内外关于钢骨混凝土结构的研究钢骨混凝土结构的研究始于20世纪初欧美国家。起初钢结构外包混凝土只是做防火和防腐处理，后来发现钢骨外包混凝土后强度和刚度大大提高，通过一系列的实验研究，取得了许多研究成果。美国混凝土规范ACI-318中写入了钢骨混凝土的设计条款，欧洲规范中有专门的组合结构规范，前苏联电力部于1951年出版了劲性混凝土设计规范，1958年日本出版了第一本钢骨混凝土计算标准，由于钢骨混凝土良好的力学性能，己被广泛采用，尤其是一些多地震国家。在欧美，1908年Burr做了空腹式配钢(即配角钢空间析架)的钢骨混凝土柱的试验，已经发现混凝土的外壳能使柱的强度和刚度明显提高，同时抗震性能也比普通得钢筋混凝土要好，1923年加拿大开始做空腹式配钢的型钢混凝土梁的试验，其后英国的R.P.Johnson,8第一章绪论硕士研究生学位论文美国的JohnPCook等学者进行了大量试验研究。1981年，在理论研究和实践应用的基础上，由欧洲混凝土委员会(CEB)、欧洲钢结构协会(ECCS)、国际预应力联合会(FIP)及国际桥梁与结构工程协(IABSE)共同组成的组合结构委员会颁布了世界上第一本最完整的组合结构规范。在20世纪60年代初，英国改进了柱子设计方法。Bondnal在帝国学院做了一系列的试验后，提出了描述柱子工作性能的强度理论，Basu进行了设计方法的理论研究，于1967年出版了理论分析资料，对不同截面长细比的SRC柱进行了大量试验，发现柱子的工作性能可以通过轴向荷载柱的稳定系数k1和由长细比、截面特性及荷载所决定的系数k2和k3这三个参数来实现。大约在70年代中期，英国进入结构规范的新时代，制定一个国内或国际统一的规范成为当务之急。在这方面，Virdi和Dowiling提出的设计方法起到了里程碑的作用.他们借助于设计曲线与大量SRC柱的理论分析及100多根柱子的试验结果，证明了利用纯钢柱的歇洲曲线并引入新长细比定义这一方法来计算SRC柱的轴向破坏荷载是行之有效的。这种方法不仅提高了设计精度，而且还证明了SRC柱与钢柱的内在联系。前苏联在20世纪30年代就对钢骨混凝土结构进行了较多的研究，并应用于大量的工程中。1951年电力部颁发了SRC结构设计规范，主要涉及空腹式SRC梁和柱及其形成的框架结构的设计规定。1978年又出版了SRC结构的设计指南。主要以实腹式为主要内容，并强调箍筋和纵筋的作用。对SRC梁的正截面计算同样根据中和轴与型钢的相对位置，即中和轴经过型钢腹板、不经过型钢和经过型钢翼缘三种情况而定。日本最早的SRC结构始于1910年，当时从欧洲传入的护壁结构，是用型钢作为骨架埋入砖石护墙的结构，随后用RC外包钢骨代替周围的砖石，此即日本SRC结构的雏形。1928年齐田时太郎做了中心受压柱试验，1929年洪田捻做了偏心受压柱试验。日本对SRC结构的广泛研究是从二战后开始的，在战后的修复中，SRC结构建筑物不断涌现，由于建立设计方法的需要，促进了对结构体系的系统研究。1951-1956年，东京大学生产技术研究所的平井善胜、若林实研究小组为研究SRC结构承载力，进行了SRC梁的弯曲、SRC柱子的偏压、SRC梁、SRC柱剪切、SRC梁柱节点以及粘结等各种试验。此外，东京大学的仲雄尾、高田周三研究小组进行了足尺寸梁的剪切及梁柱节点试验。梅村魁研究小组进行了SRC柱偏压试验。以上研究基本是以空腹式SRC构件为主，以这些研究成果为基础，日本建筑学会于1958年制定了以累加强度为基本体系的《钢骨混凝土规范》。1958年规范制定以后，对SRC结构的研究也基本告一段落，直到20世纪60年代，在一次地震中发现许多钢筋混凝土柱发生了剪切破坏，而SRC结构的损坏极其轻微，由此促进了对SRC构件的剪切性能的进一步研究，并取得了防止剪切破坏的措施。日本从1959年开始生产H型钢，1960年后，横尾义贯、若林实等进行了以H型钢为钢骨的SRC构件的弯曲、轴心及偏心受压、剪切及节点的试验研究，证实了当时的《钢骨混凝土规范》同样适用于采用H型钢的SRC构件。1963年，日本对1958年《钢骨混凝土规范》进行了第一次修改，修改后的内容与第一版基本相同，只是对有关剪力计算条文给出了具体的计算公式，并在柱子部分的说明中给出了钢骨和钢筋为非对称配置时的累加强度计算公式。1995年，日本关硕士研究生学位论文第一章绪论9西大地震倒塌和严重破坏的建筑物中，钢筋混凝土结构占55%，钢结构占38%，而SRC结构及其混合结构仅占7%。经过分析表明，SRC结构的破坏主要为非埋入式柱脚及SRC与钢筋混凝土结构的转换层等薄弱环节。目前，日本已成为对SRC结构研究和应用最多的国家。我国于50年代从前苏联引进了SRC结构。当时主要是根据苏联的设计方法将钢骨混凝土结构应用于工业厂房。后来由于片面的追求节约钢材，这种结构几乎停止了使用。80年代初期，随着我国建筑业的迅猛发展，SRC结构又一次在我国兴起。同时，对其进行了系统的研究。郑州工学院、西安建筑科技大学与原冶金部建筑研究总院最早开始进行研究。继而西南交通大学、东北大学、重庆建筑大学、清华大学、东南大学、中国建筑科学院、沈阳建筑大学等高等院校、科研单位也展开了广泛的研究，研究了SRC受弯构件的正截面和斜截面的受力性能，并建立其正截面受弯承载力和斜截面的受剪承载力的计算公式。同时也研究了SRC构件的抗裂性能，刚度和裂缝等性能，并建立其刚度和裂缝宽度计算公式。对于SRC受压构件，探讨其受压性能，并建立其轴心受压、偏心受压及抗震承载力的计算公式。进入20世纪80年代末、90年代之后各大高等院校和科研单位又对SRC节点的受力机理、抗震性能进行了探讨，并建立了其受剪承载力的计算公式。由于钢骨混凝土结构具有强度高、刚性大、延性及耗能性能优良等特性，由钢骨构件组成的结构具有良好的抗震能力。因此，西安建筑科技大学又进行了钢骨混凝土框架结构的模拟地震振动台试验，拟动力试验，深入研究了结构的静动特性与分析方法。1.3.3.2国内外关于钢骨混凝土结构的应用1921年建成的30m高的兴业银行是日本早期典型的全SRC结构，它在关东大地震中几乎没有受到什么损害，引起了日本工程界的重视。内藤多仲在1924年发表的“钢结构震害调查”一文中指出：层数较多的SRC结构具有良好的抗震性能且震害极小。自此，在日本，6层以上的建筑物开始广泛采用SRC结构并逐渐发展成为日本独特的一种结构体系。1950年公布的日本建筑基本法，作为建筑行政指导方针，要求6层以上的建筑物采用SRC结构。1953年要求7层以上、1970年要求8层以上建筑物采用SRC结构。在日本，SRC结构和木结构、钢结构及钢筋混凝土结构并列为四大结构，到1985年，SRC结构的建筑面积占总建筑面积的62.8%，10-15层高层建筑中SRC结构的建筑物栋数占总数的90%左右。在日本，早期的钢骨混凝土结构以空腹式为主，到20世纪70年代以后，则以实腹式为主要型式。一般的高层建筑，有全部使用钢骨混凝土结构的，也有底部用钢骨混凝土结构、上部用钢结构的。我国从20世纪50年代开始应用钢骨混凝土结构，主要用于工业厂房。80年代以后将型钢混凝土结构用于高层、超高层建筑中。例如北京国际贸易中心、京广大厦和北京长富宫中心几座超高层建筑的底部几层都是型钢混凝土结构。部分建筑还采用了型锅混凝土梁或柱等构件。基于我国的国情，就现阶段来说，钢筋混凝土结构仍是我国多高层建筑的主要结构形式。然而型钢混凝土结构具有良好的发展前景，应用中结构对我国高层建筑的发展，多层建筑在大荷载、大跨度情况下的优化设计，以及改善结构抗震性能提高建筑结构10第一章绪论硕士研究生学位论文的综合经济效益和社会效益都具有重要意义。国内外建成的典型钢骨混凝土建筑有：美国休斯顿第一城市大厦，49层，高207m；休斯顿得克斯商业中心大厦，79层，高305m；休斯顿海湾大楼，52层，高221m；日本北海饭店，36层，高121m；新加坡财政部办公大楼，55层，高242m；雅加达中心大厦，21层，高84m；悉尼款特斯中心，高198m；悉尼款特斯中心，高198m；上海金茂大厦，88层，420.5米；深圳地王大厦，81层，高325米。1.3.4各国规范的比较型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结作用远远小于钢筋(尤其是变形钢筋)与混凝土的粘结作用。国内外的试验研究表明，型钢与混凝土的粘结作用大约只相当于光圆钢筋与混凝土的粘结作用的45%，因此在型钢混凝土结构中，粘结滑移的存在将直接影响到构件的承载能力、破坏形态、裂缝和变形计算等受力性能。而正是由于对型钢混凝土粘结滑移的不同考虑，各国关于型钢混凝土结构的规范和规程存在较大的差异。关于型钢混凝土结构的计算理论，目前国际上主要有三种类型:1.计算理论基于钢结构的计算方法，其代表包括1993年钢结构设计规范AISC-LRFD以及1985年制定的欧洲组合结构设计规范eurocodes，都考虑混凝土的作用，在试验基础上将试验曲线进行修正，突出反映在组合柱的计算上。在1993年钢结构设计规范AISC.LRFD中，采用极限强度设计法来设计SRC结构，将钢筋混凝土部分转换成等值型钢，再以纯钢结构的设计方法进行组合结构设计，并考虑了残余应力和初始位移。此方法最突出的优点是很容易得到构件的弯矩与轴力，但由于它是以考虑初始位移和残余应力的纯钢结构为设计基础，是否符合组合构件的实际受力行为仍有待于进一步探讨。2．计算理论基于钢筋混凝土结构的计算方法,如前苏联《劲性钢筋混凝土结构设计指南》，强调了箍筋和纵筋的作用，认为型钢与混凝土是完全共同工作的，假定型钢与混凝土完全共同作用和型钢完全达到屈服状态，其设计方法几乎是完全套用钢筋混凝土结构的设计方法。用的计算方法与钢筋混凝土结构相同，它将型钢离散为钢筋，认为型钢与混凝土之间具有可靠的粘结力，型钢能与混凝土共同工作直到构件破坏为止，忽略了型钢混凝土结构在受力后期表现相当明显的粘结滑移现象，而按完全协同工作考虑，整个设计方法完全套用钢筋混凝土结构的设计方法，计算偏于不安全。3．建立在叠加理论基础上的方法，日本AIJ-SRC规范，在忽略混凝土抗拉强度，遵从平截面假定及不考虑型钢与混凝土之间的粘结力等条件下，以“强度叠加法”作为理论基础，认为钢骨混凝土结构的承载能力是型钢与钢筋混凝土两者承载能力的叠加，不考虑构件之间的相互作用，计算结果偏于保守，并且当型钢配置不对称时，计算精度不高。计算上较为复杂，但可以得到经济的断面。由于没有考虑到型钢与混凝土之间的相互约束作用，试验比较证明，日本的计算方法过于安全。我国的理论基础与日本相似。其理论也是建立在叠加理论基础上，认为型钢混凝土结硕士研究生学位论文第一章绪论11构的承载能力是型钢与钢筋混凝土两者承载能力的叠加。主要有以下两种:1．钢骨混凝土结构设计规程原冶金工业部1998年颁布了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》。这部规程主编单位是冶金工业部建筑研究总院，该规程主要编制单位大都是设计研究单位，参编人员主要是设计领域的专家，而且主要是钢结构方向的专家，清华大学是唯一参编高校，为规程理论和试验研究提供支持。该规程的特点是以日本规范模式为基础，包括其名称(钢骨混凝土结构)也是基于日本规范。该规程忽略了型钢和混凝土之间的粘结作用，按叠加原理建立承载能力和刚度的计算公式，工程实际应用比较方便，计算简单、可操作性强，带有浓厚的“设计”气息，但设计结果偏于保守，容易造成不经济。2．型钢混凝土组合结构技术规程我国建设部2001年编制了《型钢混凝土组合结构技术规程》。这部规程的主编单位是中国建筑科学研究院，参编单位大都是高等院校，参编人员主要是高校科研人员，而且大都是从事钢筋混凝土结构方向教学研究的专家。该规程的编制主要是依据我国近20年的试验研究结果，主要编制人员也都是当年“劲性钢筋混凝土课题研究组”的主要研究人员，因此该规程的特点是以钢筋混凝土理论为基础、以试验研究成果为依据建立的，在这套规程中引入了平截面假定，采用极限状态设计法设计，基本上反映了我国目前对型钢混凝土结构研究的最新成果，并且其设计思路基本上与我国钢筋混凝土结构的设计方法相一致。该规程理论依据较为充分、考虑因素全面、计算结果比较准确。1.4钢骨混凝土异形柱的研究现状从现在研究的钢骨混凝土柱的截面形式看，基本上是正方形或矩形。而对于特殊形状的钢骨混凝土柱的研究却很少，从检索的文献来看主要有：1.4.1空腹式钢骨混凝土异形柱浙江大学的陈鸣教授[64]对T形型钢混凝土柱正截面强度进行了研究，主要根据国内外现有矩形型钢混凝上柱和钢筋混凝土异形柱单向偏心受压、双向偏心受压下的正截面强度试验与研究成果。在此基础上，利用大型通用有限元软件对上述试验成果进行模拟与计算，分别对T形型钢混凝土柱在单向偏心受压、双向偏心受压情况下的正截面强度进行ANSYS全过程非线性分析，获得构件的应力应变发展、破坏形态、荷载位移曲线、极限荷载等。在此基础上推导得到T形型钢混凝土柱单向偏心以及双向偏心受压下的正截面强度近似计算公式。西安理工大学的李哲教授[65-69]对空腹式L形、T形截面钢骨混凝土异形柱进行研究，其配钢形式只在柱端配置角钢、工字钢，钢骨之间没有用缀板连接(如图1.3所示)。李哲教授主要对异形柱的正截面承载力、在水平周期性荷载下的抗侧刚度、抗剪和抗震性能进行了试验研究，并对异形柱在单双向受压情况下的承载力能力进行编程和数值模拟计算[26-30]。12第一章绪论硕士研究生学位论文-图1.3空腹式钢骨混凝土异形柱Fig.1.3Steelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnsoflimosistype西安建筑科技大学的赵鸿铁教授[70-75]于2006年6月进行了型钢混凝土异形柱的基本力学行为以及抗震性能的试验研究，较为全面地研究了型钢混凝土异形柱正截面承载力、抗剪承载力、粘结滑移、变形以及抗震性能。该试验一共设计了17根试件,截面形式包括了工程中常见的三种截面形式:T形、L形、十字形。配钢形式包括T型钢空腹桁架、槽钢空腹桁架以及实腹式配钢(如图1.4所示)。加载方式采用低周反复加载，对于T形柱沿翼缘、沿腹板及沿450方向加载；对于L形及十字形柱沿工程轴及沿450方向加载。图1-4a实腹式配钢、槽钢空腹桁架以及T型钢空腹桁架异形柱XXXXXX04500YYYYααα00045900450YY00090图1-4bT型钢空腹桁架、实腹式配钢以及槽钢空腹桁架异形柱图1-4cT型钢空腹桁架、槽钢空腹桁架异形柱图1-4c几种异形柱截面Fig.1.4Severalkindsofsectionalofspecial-shapedcolumns硕士研究生学位论文第一章绪论13广西大学的陈宗平、宋怀金、秦玲等在苏益声教授[76-77]的指导下，对桁架式钢骨的混凝土异形柱不对称T形截面、不等肢L形截面和不对称十字形截面进行了试验研究(如图1.5所示)。作者通过在轴心、双向偏心压力作用下的试验研究，揭示了桁架式的钢骨混凝土不对称T形截面、不等肢L形截面和不对称十字形截面异形柱的工作机理、破坏形态和极限承载力，验证了平均应变的平截面假定，初步掌握了钢骨混凝土异形柱构件破坏的一般规律。在此基础上，应用数值迭代的方法，编写了异形柱的正截面承载力计算的计算机程序，得到了钢骨混凝土异形柱正截面承载力的M-N和Mx－My相关曲线，并运用该程序进行了桁架式钢骨混凝土不对称T形截面异形柱的极限承载力计算，并将试验实测结果与程序计算结果进行比较，两者吻合较好。图1.5空腹式钢骨混凝土异形柱Fig.1.5Steelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnsoflimosistype西安建筑科技大学的赵鸿铁教授与广西大学的苏益声教授又联合提出了空腹式钢骨混凝土异形柱的概念体系(如图1.6所示)。比较全面地提出了各类异形柱的形式。(e)(d)(f)(c)(b)(a)图1.6空腹式钢骨混凝土异形柱Fig.1.6Steelreinforcedconcretespecial-shapedcolumnsoflimosistype清华大学的聂建国教授[78-79]提出核心型钢混凝土（CSRC）结构体系,是型钢混凝土(SRC)结构和核芯钢管混凝土结构的发展，并与短肢剪力墙结构和异形柱结构体系相结合，形成核芯型钢短肢剪力墙和核芯型钢异形柱结构体系(如图1.7所示)。CSRC短肢剪力墙CSRC异形柱图1.7核芯型钢短肢剪力墙和核芯型钢异形柱Fig.1.7Coresteelreinforcedshort-legshearwallandcoresteelreinforcedspecial-shapedcolumns14第一章绪论硕士研究生学位论文1.4.2实腹式钢骨混凝土异形柱实腹式钢骨混凝土异形柱的研究，主要是在研究了空腹式钢骨混凝土异形柱的基础上提出来的，本课题组于2005年，在国内外率先提出T形、L形、十字形实腹式钢骨混凝土异形柱的概念并进行研究。随后，浙江大学的陈鸣（2006年）、西安建筑科技大学的赵鸿铁教授（2007年）亦进行了研究。但是研究的内容不同，本课题组现阶段主要进行了T形、L形、十字形实腹式钢骨混凝土异形短柱受力性能的研究；陈鸣进行了T形实腹式钢骨混凝土异形柱的模拟计算；赵鸿铁进行了T形、L形、十字形实腹式钢骨混凝土异形柱的低周反复荷载实验研究。北京工业大学的樊太、曹万林等发表了题为《异型柱空间柜架模型抗震性能的试验研究》的文章，文中提到北京财富中心一期工程结构中的框筒结构的外框柱为钢骨混凝土结构异形柱，其外框柱为形如乒乓球拍的异形截面柱(如图1.8所示)。该文献计算分析了在轴压力相同的情况下，随着含钢率的变化，钢骨混凝土异形柱承载力和延性的变化情况。研究结果表明：在轴压力相同的条件下，钢骨混凝土异形柱正截面承受正向弯矩时的延性比承受负向弯矩时的延性要高；截面几何尺寸的变化，对钢骨混凝土异形柱的延性有很大影响；同时指出，钢骨混凝土圆形柱的延性比钢骨混凝土异形柱的延性好；在钢筋混凝土异形柱中加配钢骨，能明显提高其延性和承载力；适量增大钢骨面积比，对提高钢骨混凝土异形柱的承载力和延性作用明显。图1.8实腹式钢骨混凝土异形柱Fig.1.8Steelreinforcedconcretecolumnsofsolidstomachtype1.5研究钢骨混凝土异形柱的意义一、工程设计的需要，目前工程设计中所遇到的比较突出的问题是：1．柱的轴向力越来越大随着高层、大柱网、大跨结构的发展，柱的轴向力越来越大，如果采用钢筋混凝土结构受轴压比的限制，柱的截面尺寸越来越大。工程设计中出现1．2m×1.2m～1.5m×1.5m的钢筋混凝土柱已经司空见惯，如此大的柱截面大大减少了建筑物的使用空间，业主无法接受。此外，当建筑物的层高选定后，柱截面尺寸过大，可能会形成短柱(Hn/h=4)，短柱在地震时延性较差，应尽量避免。当柱的轴向力越来越大，柱截面尺寸越来越大时，必然会考虑到柱结构形式的改进，钢骨混凝土柱适应了这种需要。2．抗震设计时对结构或构件的延性水准要求提高大量震害的经验说明，结构设计只有强度保证是不够的，延性保证对抗震设计而言是必不可少的，目前关于延性的评定标准和计算方法尚不完善，延性往往是通过构造来保证硕士研究生学位论文第一章绪论15的。钢筋混凝土柱，特别是高强混凝土柱，在高轴压比情况下满足抗震所需要的延性是很困难的，尽管可以提高箍筋的用量，但在高轴压比条件下作用并不显著。如用钢骨高强混凝土，不但可以提高混凝土的强度，而且可以提高混凝土的变形能力。因此，采用钢骨混凝土柱会克服混凝土材料的脆性，大大提高结构的延性。3．结构抵抗偶然事件的能力需要提高结构在第三水准的地震作用下，即当遭受罕遇地震作用时应具有防倒塌的能力；结构在遭遇爆破荷载作用下允许局部破坏或局部倒塌，但应避免产生连锁反应，而形成整幢建筑物倒塌；结构在遭遇火灾情况下，能够保证主体结构的完整性、稳定性。不至于整幢建筑物倒塌。上述结构抵抗偶然事件的能力很大程度上取决于结构形式、结构材料的选择及多道防线的设置。理论分析和灾害实践表明，单纯的钢筋混凝土结构和单纯的钢结构其抵抗偶然事件的能力均低于钢一混凝土组合结构。4．结构耐久性设计已经越来越重要目前结构的耐久性设计已作为正常使用极限状态设计的重要组成部分。现行混凝土结构设计规范GB50010—2002已正式把耐久性设计条文纳入规范。钢筋混凝土结构的耐久性除了环境影响因素之外，应该说主要取决于先天的设计质量和施工质量，比如对混凝上强度、氯离子含量、含气量的要求、对钢筋保护层的要求等。施工质量应保证混凝土均匀、密实、养护良好。钢筋混凝土结构后天的维护也是必要的，但设计质量和施工质量占主要地位。对于钢结构而言，结构的耐久性很大程度上取决于结构的后天维护，钢结构的防腐防锈维护是至关重要的。钢一混凝土组合结构的耐久性应高于钢筋混凝土结构和钢结构。例如钢骨混凝上结构，型钢埋于混凝土内部，混凝土对型钢起了很好的保护作用。又如钢管混凝土结构，其维护工作量不超过钢结构，但钢管内部的混凝土由于不存在混凝土顺筋涨裂的问题，因而，具有很高的耐久性。上述四方面的原因使得在高层、超高层、大柱网、大跨度结构设计中单纯采用钢筋混凝土结构或