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[摘 要]钢管混凝土框架结构具有许多优点，其在高层建筑和桥梁建设中有重要的应用。但是，对于钢管混凝土框架结构的抗震性能，还没有进行深入的研究，不利于钢管混凝土框架结构的推广。因此，为更好的将此结构应用于地震区，就需要先对结构的抗震性能有足够的了解。本文通过试验的方式，对钢管混凝土框架结构的抗震性能进行研究。
[关键词]钢管混凝土；框架结构；抗震性能
中图分类號：TU233 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0093-01
钢管混凝土结构具有较强的承载力，不仅塑性和韧性比较好，还具有很好的抗震性能，施工工艺也不复杂，其在建筑施工中的应用，可带来良好的经济效应。对钢管混凝土框架结构的抗震性能进行研究，对于结构的应用和推广有重要的意义。
1 试验
1.1 制作模型
将某钢结构住宅体系的试点工程作为原型，设计制作一个1/3的缩尺框架模型。将两跨之间的跨度设置为1.5m，三层的楼层高度设计为1m。所采用的钢管混凝土结构为框架柱，截面是边长为15cm的正方形，钢管壁的厚度为6mm，并在钢管的内部浇筑C40的混凝土。而框架梁所使用的钢材为I18的工字型钢，其等级为Q235。在制作模型时，选用的混凝土为C30小粒径碎石混凝土，采用的钢管尺寸为φ68*3，所设计的模型是以几何相似比为依据的，在钢梁和钢管间是通过外加强环式节点进行连接的。柱脚是为板式的，楼板使用的缓凝土板厚度为20mm，为现浇C20混凝土板。而在楼板中所使用的钢筋，则是利用φ2.2的镀锌铁丝进行模拟的。在试验模型的每层中，都附加56kg的质量，整个模型的质量为760kg。
1.2 确定相似常数
在本试验中，要确保试验结果的可信度，就需要合理控制模型的大小，在模型尺寸比较大的情况下，试验结果会更加精准。因此，需要在试验条件合适的情况下，尽量选择尺寸比较大的结构模型。
1.3 试样
在制作模型时对其进行试样，分别测试钢材和混凝土的力学性能指标。经过测试发现，在钢管内部、楼板的混凝土立方体，抗压强度基本保持在38.46MPa和23.85MPa；钢管钢材、钢梁钢材、加强环板钢材、镀锌丝的屈服强度分别为284.36MPa、282.46MPa、286.32MPa、279.96MPa。
1.4 布置测点
在试验过程中，将测试方向确定为y向，其刚度比较小。测试的内容主要包括以下几方面：第一，结构的位移；第二，加速度和梁端；第三，柱端的动应变。同时，在试验过程中要对柱顶的核心混凝土变化情况进行观察，并将观察结果记录下来。在钢管产生裂缝，裂缝逐渐变化时，也要将变化过程记录下来。而梁端和柱端的屈服会在试验中被破坏，要注意对破坏情况进行观察。在布置好位移计以后，其所测量到的数据就代表结构相应层y方向上的绝对位移；加速度计所测得的数据则代表结构中每层y方向上的绝对加速度。在整个模型中，总共布置有24片应变片，分别布置在最下面三层和第七、第八层的中柱上端和下端。
1.5 选用地震波
在对结构的地震反应进行分析时，所采用的方法为过程分析法，所选用的地震波有两种，一种是人工模拟地震波，需要1组；一种是实际记录地震波，需要2组或以上。在本试验中，总共输入三种地震波，三种地震波的频谱特性不同，这样才能够反映出其对结构地震反应所造成的影响。以时间相似常数为依据，沿着时间轴，将原始的地震波进行压缩，使其为原来的1/10，输入地震波时是沿着结构的y方输入的。
2 试验结果及分析
2.1 应变反应
在输入地震波时，经过测试发现，全部的梁端和柱端应变测点所测量出的钢材应变峰值，都在钢材的屈服应变范围内。当其中一束地震波的加速度峰值为0.96g的时候，结构的第二层中跨梁端所产生的应变是最大的，能够达到28.9*10-6。柱端所产生的最大应变是在结构最底层的柱下，其值能达到8.9*10-6，其余的楼层中跨梁端应变反应表现出递减趋势，也就是说，底层的应变反应最大，顶层的应变反应最小。由此可见，试验中的钢管混凝土框架结构是处于弹性阶段的。
2.2 位移反应
在地震波的作用下，钢管混凝土框架结构的位移比较小，不超过3mm，这说明结构是处于弹性阶段的。如果对结构输入7级罕遇地震波，则可测得结构的最大位移接近16mm，顶层的位移值能够达到15mm，是多遇地震下位移的5倍。然后，对三种地震波作用下各层的位移反应进行比较，可以发现当各种地震波处于不同的加速度工况作用时，顶层的最大的位移反应能够达到±3.84mm。当不同的地震波作用于钢管混凝土框架结构时，结构中每个楼层的位移反应呈现出倒三角分布。虽然地震波中的频谱成分并不会对结构位移的反应曲线造成太大的影响，但却能在很大程度上影响结构的位移反应。另外，结构位移所表现出的形式为一边倒，接近于结构一阶振型，这就说明在影响位移的因素中，音频的影响力是不容忽视的，结构的变形形式为弯剪型。当增加输入地震波的峰值加速度时，结构中的各层位移值也会随之而增加。但由于地震波不同，所以结构中各层的最大位移反应值也会有差别，其中一束地震波的最大位移值是最小的，为0.32mm。而最大的最位移值则为1.1mm，各层之间最大的相对位移为1/318。由于结构各层间的相对位移比较小，所以结构层间的刚度比较大。
2.3 动力特性
动力特性是钢管混凝土框架结构自身拥有的特性，结构本身的动力特性与地面的运行性质，共同决定结构的地震反应。在试验过程中，在输入振动台中输入白噪声，然后对其进行扫描，可以得到一个结构模型，并对模型的加速度反应进行频谱分析，以获取模型结构的动力特性。
3 结论
通过试验，可以得到以下结论：第一，低阶振型会对位移产生比较大的影响，并沿着结构高度的方向呈现出倒三角的分布，结构的变形方式为弯剪型。当地震波最大时，无论是整体的位移值还是层间的位移值，都在规范的弹性值范围内，表明结构的抗震性能良好。第二，地震波频谱不仅会影响结构的最大地震作用，还会影响层间剪力。当增加地震波的峰值加速度时，高阶振型的主导作用会表现得更加明显。第三，试验测得的数据与数值模拟结构匹配度很高，所以可利用模拟系统对钢管混凝土框架结构的地震反映进行模拟。
结束语
综上所述，钢管混凝土框架结构的抗震性能影响着其应用和推广，对其抗震性能研究，有利于对结构进行优化，充分发挥结构的各项优势性能，从而提高整个建筑的稳定性。总的来说，通过相关试验表明，钢管混凝土框架结构的抗震性能良好，将其应用于建筑物的建设中，能够提高整个建筑的抗震能力，从而延长建筑的使用寿命。因此，上述这种结构在未来建筑行业的发展中应用领域会更加广泛。
参考文献
[1] 闻洋，孟春才，郭红玲等.基于性能的三层全钢管混凝土框架试验研究[J].西南交通大学学报，2017，52（1）：45-53.
[2] 孟二从，伍小萍，杨震等.钢管再生混凝土框架抗震性能试验研究[J].广西大学学报（自然科学版），2016，41（4）：964-972.
[3] 张国伟，詹远，陈博珊等.变轴力钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J].工程抗震与加固改造，2016，38（6）：70-77，84.
[4] 赵向儒，聂少峰，周天华等.钢管约束型钢混凝土节点的抗震性能分析[J].建筑工程技术与设计，2016，（34）：569.
[关键词]钢管混凝土；框架结构；抗震性能
中图分类號：TU233 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0093-01
钢管混凝土结构具有较强的承载力，不仅塑性和韧性比较好，还具有很好的抗震性能，施工工艺也不复杂，其在建筑施工中的应用，可带来良好的经济效应。对钢管混凝土框架结构的抗震性能进行研究，对于结构的应用和推广有重要的意义。
1 试验
1.1 制作模型
将某钢结构住宅体系的试点工程作为原型，设计制作一个1/3的缩尺框架模型。将两跨之间的跨度设置为1.5m，三层的楼层高度设计为1m。所采用的钢管混凝土结构为框架柱，截面是边长为15cm的正方形，钢管壁的厚度为6mm，并在钢管的内部浇筑C40的混凝土。而框架梁所使用的钢材为I18的工字型钢，其等级为Q235。在制作模型时，选用的混凝土为C30小粒径碎石混凝土，采用的钢管尺寸为φ68*3，所设计的模型是以几何相似比为依据的，在钢梁和钢管间是通过外加强环式节点进行连接的。柱脚是为板式的，楼板使用的缓凝土板厚度为20mm，为现浇C20混凝土板。而在楼板中所使用的钢筋，则是利用φ2.2的镀锌铁丝进行模拟的。在试验模型的每层中，都附加56kg的质量，整个模型的质量为760kg。
1.2 确定相似常数
在本试验中，要确保试验结果的可信度，就需要合理控制模型的大小，在模型尺寸比较大的情况下，试验结果会更加精准。因此，需要在试验条件合适的情况下，尽量选择尺寸比较大的结构模型。
1.3 试样
在制作模型时对其进行试样，分别测试钢材和混凝土的力学性能指标。经过测试发现，在钢管内部、楼板的混凝土立方体，抗压强度基本保持在38.46MPa和23.85MPa；钢管钢材、钢梁钢材、加强环板钢材、镀锌丝的屈服强度分别为284.36MPa、282.46MPa、286.32MPa、279.96MPa。
1.4 布置测点
在试验过程中，将测试方向确定为y向，其刚度比较小。测试的内容主要包括以下几方面：第一，结构的位移；第二，加速度和梁端；第三，柱端的动应变。同时，在试验过程中要对柱顶的核心混凝土变化情况进行观察，并将观察结果记录下来。在钢管产生裂缝，裂缝逐渐变化时，也要将变化过程记录下来。而梁端和柱端的屈服会在试验中被破坏，要注意对破坏情况进行观察。在布置好位移计以后，其所测量到的数据就代表结构相应层y方向上的绝对位移；加速度计所测得的数据则代表结构中每层y方向上的绝对加速度。在整个模型中，总共布置有24片应变片，分别布置在最下面三层和第七、第八层的中柱上端和下端。
1.5 选用地震波
在对结构的地震反应进行分析时，所采用的方法为过程分析法，所选用的地震波有两种，一种是人工模拟地震波，需要1组；一种是实际记录地震波，需要2组或以上。在本试验中，总共输入三种地震波，三种地震波的频谱特性不同，这样才能够反映出其对结构地震反应所造成的影响。以时间相似常数为依据，沿着时间轴，将原始的地震波进行压缩，使其为原来的1/10，输入地震波时是沿着结构的y方输入的。
2 试验结果及分析
2.1 应变反应
在输入地震波时，经过测试发现，全部的梁端和柱端应变测点所测量出的钢材应变峰值，都在钢材的屈服应变范围内。当其中一束地震波的加速度峰值为0.96g的时候，结构的第二层中跨梁端所产生的应变是最大的，能够达到28.9*10-6。柱端所产生的最大应变是在结构最底层的柱下，其值能达到8.9*10-6，其余的楼层中跨梁端应变反应表现出递减趋势，也就是说，底层的应变反应最大，顶层的应变反应最小。由此可见，试验中的钢管混凝土框架结构是处于弹性阶段的。
2.2 位移反应
在地震波的作用下，钢管混凝土框架结构的位移比较小，不超过3mm，这说明结构是处于弹性阶段的。如果对结构输入7级罕遇地震波，则可测得结构的最大位移接近16mm，顶层的位移值能够达到15mm，是多遇地震下位移的5倍。然后，对三种地震波作用下各层的位移反应进行比较，可以发现当各种地震波处于不同的加速度工况作用时，顶层的最大的位移反应能够达到±3.84mm。当不同的地震波作用于钢管混凝土框架结构时，结构中每个楼层的位移反应呈现出倒三角分布。虽然地震波中的频谱成分并不会对结构位移的反应曲线造成太大的影响，但却能在很大程度上影响结构的位移反应。另外，结构位移所表现出的形式为一边倒，接近于结构一阶振型，这就说明在影响位移的因素中，音频的影响力是不容忽视的，结构的变形形式为弯剪型。当增加输入地震波的峰值加速度时，结构中的各层位移值也会随之而增加。但由于地震波不同，所以结构中各层的最大位移反应值也会有差别，其中一束地震波的最大位移值是最小的，为0.32mm。而最大的最位移值则为1.1mm，各层之间最大的相对位移为1/318。由于结构各层间的相对位移比较小，所以结构层间的刚度比较大。
2.3 动力特性
动力特性是钢管混凝土框架结构自身拥有的特性，结构本身的动力特性与地面的运行性质，共同决定结构的地震反应。在试验过程中，在输入振动台中输入白噪声，然后对其进行扫描，可以得到一个结构模型，并对模型的加速度反应进行频谱分析，以获取模型结构的动力特性。
3 结论
通过试验，可以得到以下结论：第一，低阶振型会对位移产生比较大的影响，并沿着结构高度的方向呈现出倒三角的分布，结构的变形方式为弯剪型。当地震波最大时，无论是整体的位移值还是层间的位移值，都在规范的弹性值范围内，表明结构的抗震性能良好。第二，地震波频谱不仅会影响结构的最大地震作用，还会影响层间剪力。当增加地震波的峰值加速度时，高阶振型的主导作用会表现得更加明显。第三，试验测得的数据与数值模拟结构匹配度很高，所以可利用模拟系统对钢管混凝土框架结构的地震反映进行模拟。
结束语
综上所述，钢管混凝土框架结构的抗震性能影响着其应用和推广，对其抗震性能研究，有利于对结构进行优化，充分发挥结构的各项优势性能，从而提高整个建筑的稳定性。总的来说，通过相关试验表明，钢管混凝土框架结构的抗震性能良好，将其应用于建筑物的建设中，能够提高整个建筑的抗震能力，从而延长建筑的使用寿命。因此，上述这种结构在未来建筑行业的发展中应用领域会更加广泛。
参考文献
[1] 闻洋，孟春才，郭红玲等.基于性能的三层全钢管混凝土框架试验研究[J].西南交通大学学报，2017，52（1）：45-53.
[2] 孟二从，伍小萍，杨震等.钢管再生混凝土框架抗震性能试验研究[J].广西大学学报（自然科学版），2016，41（4）：964-972.
[3] 张国伟，詹远，陈博珊等.变轴力钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J].工程抗震与加固改造，2016，38（6）：70-77，84.
[4] 赵向儒，聂少峰，周天华等.钢管约束型钢混凝土节点的抗震性能分析[J].建筑工程技术与设计，2016，（34）：569.