地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能3完整.docx
《地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能3完整.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能3完整.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能3完整
成绩
中国矿业大学
2010级硕士研究生课程考试试卷
考试科目高等工程结构
考试时间2011.06
学生姓名叶亚飞
学号ZS10030127
所在院系建筑工程学院
任课教师袁广林
中国矿业大学研究生院培养管理处印制
地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能
摘要
本文描述了选取的部分钢管混凝土柱的动态分析结果，此钢管混凝土柱用作高速公路高架桥的桥墩。
作为2004年中越大地震中在主震时衡量地面运动的地震荷载，以及作为一个余震作用的地震荷载而被应用。
这两个振动具有不同的冲击模式，因此可以对地震荷载作用下这两种不同冲模式的影响进行调查研究。
通过研究分析发现，比余震具有的地面加速度要较小的主震所引起的钢管混凝土柱的位移更大，这是因为主震的频率分量比钢管柱的固有频率要小。
关键词
钢管柱；地震荷载；地震；动态性能
1、引言
钢管混凝土柱用作高速公路高架桥的桥墩。
此种桥墩在底部常填充混凝土，来预防车辆的碰撞。
在这种情况下，充填的混凝土被设计成没有强度且对钢管柱性能没有影响的材料。
然而，在1995年的神户大地震中，发现充填的混凝土对钢柱性能具有一定的影响，并且它能增强钢管柱的强度。
因此，在经历了神户大地震之后，很多专家做了许多致力于填充混凝土作用的研究，神户大地震的地震烈度是日本气象厅的最大地震烈度7度（7度是日本气象厅标准中的最大值），并且据观测而得到的818加仑地表运动是最大的。
宇佐美等作出了一系列研究。
后藤等人和Sakimoto等人也进行了循环荷载下的数值研究。
本文的作者也进行了一系列钢管混凝土柱性能的数值分析研究。
在参考文献[6]中，其作者研究填充混凝土厚度对钢柱强度和变形能力的影响；在参考文献[7]中，研究钢与混凝土分界面出现分层现象的影响。
尽管这两篇文章都主要研究在静荷载作用下钢管混凝土柱的强度，而忽略了钢管柱的动态性能。
因此，在作者先前的论文[8]动态分析中已经提出阐明了钢管柱的动态性能。
在参考文献[8]中，考虑了在简单往复荷载作用下钢与混凝土交界面出现分层的影响。
然而，在研究地震作用下钢管混凝土柱的强度和性能时，实际地震运动的影响是应该被考虑。
2004年，另一个被称为中越大地震的地震波袭击了日本的中越地区。
尽管中越大地震比神户大地震具有更大的地面加速度，在这个阶段，很少有将中越大地震的地震作用运用于实验的研究。
在本研究中，顺着作者之前的研究，运用中越大地震中的地震荷载进行了钢管混凝土柱的动态性能分析。
然而，未考虑钢与混凝土界面上的分层（或剥离）的简化分析。
2、地震荷载的选用
在这项研究中，选用了两种地震荷载：
中越大地震中的主震和中越大地震中的最大余震。
这两种地震荷载的特点在日本新泻的川口镇的镇办公室被观察到的，它们的特性被列于表1中。
正如表1中所示，中越大地震的主震发生在2004年10月23日下午五点五十六分，地震烈度是日本气象厅的最大地震烈度7度，同时观测到最大的地面加速度的东-西向分量达1676加仑。
中越大地震的最大余震发生在同一天的下午六点三十四分，余震的最大地震烈度是日本气象厅的地震烈度6+度，且余震的最大地面加速度的东-西向分量达2036加仑。
这些中越大地震的地面加速度的数据几乎是神户大地震的两倍（甚至更大）。
在本文的研究中，这两种地震类型的地面运动东-西向的分量作为试验荷载被应用于试验中。
如图1所示，这两种地面运动（中越大地震的主震和最大余震）在分析时被加以运用。
这两种地面运动是在日本新泻的川口镇的镇办公室被记录下来的。
在分析时，由百分之一秒间隔取样测得数值数据作为地面加速度的数据被采用。
如图2所示，这两种地震运动的傅里叶光谱表明了地面振动的频率分量。
正如从图中得到的，主震的光谱有其自己的周期分量，主要为一秒或更多（频率为1Hz或更小）；在余震中，大约为0.1至1秒（1至10Hz）的周期是占主要地位的。
也就是说，这两种地震波具有不同的特性，并且中越大地震中的主震包含的是低频波，而余震中包含的是高频波。
表1
中越大地震地震波在目前研究中的应用
发生时间
震级
最大地震
烈度
最大地面加速度（加仑）
南—北
东—西
上—下
主震
2004年10月23日17:
56
6.8
7
1142
1676
870
余震
2004年10月
23日18:
34
6.5
6+
1640
2035
549
（a）
主震
加仑
余震
（b）
加仑
图1中越大地震中测得的地表运动
（a）
（a）主震；（b）余震
加仑
周期
（b）
加仑
周期
图2中越大地震中的傅里叶地表运动
（a）主震；（b）最大余震
3、数值模型
本文中用于分析的数值模型和加载模型在图3中已有说明。
如图3（a）所示，柱的高度为10000mm，断面尺寸为3000×3000
。
选用这种形状和尺寸是根据实际用作高架桥桥墩的钢管柱来确定的。
柱由四片厚度为35mm的钢板组成，在其底部填充混凝土。
在一些柱的类型中，钢板上安装了加劲肋。
如图3（a）所示，尽管为了减轻工作量每片钢板只安装了两根加劲肋，但是在实际分析时考虑安装了五根加劲肋。
在分析时，钢片和混凝土是与ISO参量20-节点固体元素离散的，并且加劲肋是4-节点的贝型元件。
在本研究中，填充混凝土的高度为3000mm。
最新的分析研究中运用的材料性能参数有：
钢构件的杨氏模量
；钢构件的泊松比
；钢构件的屈服应力
；混凝土构件的杨氏模量
；混凝土构件的泊松比
；混凝土构件的屈服应力
。
其中
是指日本公路桥梁说明中列出的混凝土的耐压强度。
本研究中运用的加载模型如图3（b）所示。
图3（b）表明了在地面动态位移y（换言之，加速度
）下的结构简化模型。
当结构顶部的相对位移为x时，以下的等式成立：
（1）
式中
表示上部结构的质量；
表示阻尼系数；
表示结构的刚度。
等式
（1）可转换成下式
（2）
等式
（2）表明地面加速度
相当于一个动力荷载
作用于结构的顶部，如图3（b）所示。
因此，在本次研究中，假定作用在柱顶的集中动力荷载是由图1中所示的地面加速度与质量相乘所得。
作用在柱顶的集中力中，8500吨的质量相当于高架桥上部结构的质量。
有如此质量且不加加劲肋的柱的固有振动周期估计大约为1s，然而，在目前的研究分析中，假定重力加速度
，因此质量不能引起柱的压应力。
也就是说，垂直方向的荷载在目前的研究分析中并没有考虑。
本次研究分析中的时间间隔为1/100s。
（a）
填充
混凝土
填充
混凝土
不设置加劲肋
设置加劲肋
（b）
图3数值模型和加载模型
（a）数值模型；（b）加载模型
4、无加劲肋钢管混凝土柱的性能
4.1变形
初期，在地震荷载作用下钢管混凝土柱的性能与不设加劲肋的钢管柱的性能一致。
由两次地震荷载作用引起的柱顶水平方向位移已经在图4中绘出。
图4中十字符号的点的状态对应的是图5和图6中的五种状态。
如图4所示，主震引起的最大位移在
时最大，达
，钢管混凝土柱在大约
的周期内，变形在
和
之间交替方向变化。
（a）
（b）
图4柱顶水平方向的位移
（a）主震；（b）余震
在余震作用下，位移比主震引起的位移要小得多。
在
时，变形引起的位移为
，然后柱在正方向上快速变形，引起的最大位移在
时，达
。
在一系列小振动之后，超过这个阶段位移再一次在
时达到最大，为
。
因此，余震引起的位移的最大绝对值仅是主震引起的位移的最大绝对值的8%。
正如在第二部分中描述的余震的地面加速度要比主震的地面加速度大很多。
然而，这个结果表明主震引起的位移比余震引起的位移要大12倍。
这是由钢管柱的固有周期所引起的。
这个数据也表明由主震引起的位移是由平滑曲线构成，尽管由余震引起的位移有短周期震动的部分。
（a）
（b）
图5位移模式
（a）主震；（b）余震
如图5所示，钢管柱在图4中标有十字符号位置的阶段的变形形态已经作了图解。
荷载作用的方向从左低到右高，因此，在此图中左前片钢板作为翼缘，右前片钢板作为腹板。
因为由余震引起的变形比由主震引起的变形小，主震的变形量是余震的两倍。
在
时，由主震引起的柱的位移最大，柱向左侧弯曲并且这巨大的两个半波长钢板平面外变形在图5（a）中可以观察到。
当时间在
时，尽管图4表明柱在相反方向上的变形，一个大半波长钢板平面外变形还是可以观察到的。
在余震作用下，两个半波长也是在
时被观察到的。
尽管，此波的振幅比主震波的振幅小得多。
在这两种情况下（主震引起的变形和余震引起的变形），在柱底部填充混凝土的部分，仅发生很小的变形。
（a）
（b）
图6等效应力等高线（MPa）
（a）主震；（b）余震
4.2应力
图6表示的是图4中十字符号位置的阶段钢管柱中的应力等高线。
在此图中可以看到从钢板平面内组成算得的换算应力。
此图还表示出，通过分析可以观察到底部填充混凝土的部分有更小的应力。
在主震情况下，在时间
时，高应力等高线环与低应力等高线环交替出现在钢板相应翼缘部位（也就是，左前钢板）。
在时间
时，即最大位移发生时，在钢板的几乎所有部位应力达到315MPa除了底部。
如图6（b）所示，在余震情况下，在时间
时，一个达到315MPa的较大应力发生在填充混凝土部分的上面区域。
然而，余震中应力为315MPa的区域比主震中应力为315MPa的区域要小。
在时间
时，在上部的钢板腹板部分可以看到对角指示的应力等高线。
图6显示的结果表明了组成柱的钢板在早期阶段的屈服情况，同时也表明了加载状态与非加载状态下钢管柱的变形是一样的。
对角指示的应力等高线出现在钢板的腹板部分，表明钢板的腹板部分可能会发生弯剪屈服的情况，从而导致柱的弯曲。
然而，在目前的研究分析中这点的内容不是很明确。
5、结论
本文用数据结果说明了部分填充混凝土的钢管柱在两种类型的地震荷载作用下的应力和变形性能。
本文的研究结果表明变形性能是由地震的特点和组成差异很大的地震荷载所决定的。
也就是说，地震荷载拥有自己的频率组成类似于结构的固有频率，如果地震荷载由一个很大的地面加速度，结构的固有频率会导致更大的变形。
分析表明填充混凝土部分的应力更小，因为填充混凝土承受了一部分的荷载，组成柱的钢板在早期阶段发生屈服。
由于文章页数的限制，本文中没有关于设有加劲肋的柱的分析结果。
然而，结果显示加劲肋显著降低了钢管柱钢板的应力，尽管钢管柱顶部水平方向位移没有降低，并且在有些情况中钢管柱顶部水平方向位移反而增长，因为加设加劲肋以后钢管柱的固有频率发生了改变。
在目前的研究分析中，没有考虑钢与混凝土界面上的分层现象。
然而，参考先前的研究，分层的影响不可以被忽略。
因此，作者正在进行关于考虑分层影响的进一步研究，在相当长一段时间后才能得到研究结果。
读书报告
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,按截面形式的不同,分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土。
它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用,充分发挥两种材料的优点,即不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善,而且可以避免或延缓钢管发生局部屈服,从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益好和施工方便等优点。
本文中的钢管混凝土柱用作高速公路高架桥的桥墩。
描述了部分钢管混凝土柱的动态分析结果。
选用中越大地震中在主震时衡量地面运动的地震荷载，以及作为一个余震作用的地震荷载的冲击模式，。
对地震荷载作用下这两种不同冲模式的影响进行调查研究。
通过研究分析发现，比余震具有的地面加速度要较小的主震所引起的钢管混凝土柱的位移更大，这是因为主震的频率分量比钢管柱的固有频率要小。
本文用数据结果表明部分填充混凝土的钢管柱在两种类型的地震荷载作用下的应力和变形性能。
同时也表明变形性能是由地震的特点和组成差异很大的地震荷载所决定的。
也就是说，地震荷载拥有自己的频率组成类似于结构的固有频率，如果地震荷载由一个很大的地面加速度，结构的固有频率会导致更大的变形。
分析表明填充混凝土部分的应力更小，因为填充混凝土承受了一部分的荷载，组成柱的钢板在早期阶段发生屈服。
钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能和经济效果良好等优点。
近年来,钢管混凝土的研究获得了迅猛的发展,相应的钢管混凝土构件也被广泛的应用在工程建设中的诸多领域。
在我国,圆钢管混凝土、方钢管混凝土和矩形钢管混凝土柱都有应用,国内外对其的研究也较多,国内矩形钢管混凝土规程也已出台。
目前,对方钢管混凝土结构的研究已经取得了很多成果。
然而,对方钢管混凝土滞回性能的研究还不够充分,相关试验数据不够丰富。
对钢管混凝土抗震性能的研究主要集中在基本构件上,近年来有人开始研究钢管混凝土梁柱节点,但是主要是针对钢管混凝土柱和钢梁组成的结构,而对与由钢管混凝土和钢筋混凝土组成的环梁节点研究较少。
因钢管混凝土-钢筋混凝土环梁节点受力可靠、施工方便、节省投资,受到建设方及施工单位的欢迎,已在一些高层建筑中采用。
钢管混凝土结构能够适应现代化工程结构向大跨度、高耸、重载发展和承受恶劣环境的需要，符合现代施工技术和工业化要求，因而越来越广泛地应用于工业厂房、高层、超高层建筑。
升级会员 