时间：2023-03-08 15:32:52
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关键词：结构设计抗震
一.抗震设计思路发展历程
随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。
最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。
由以上可以看出，结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。
二.现代抗震设计思路及关系
在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：
1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。
2.制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。
现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是关系，关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。
60年代开始，研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下，通过对不同周期，不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析，得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律：对T大于1.0秒的体系适用“等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12－0.5秒之间的结构，适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时，随着R的增大，位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出，如果以结构弹性反应为准，把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低，即R越大，则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大，位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。规律初步揭示出不同弹性周期的结构，当其弹塑性屈服水准取值大小不同时，在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。
之所以存在上诉的规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。
随着对规律认识的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，对结构的延性要求就可放松。
目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现（damageonset）、正常运作（operational）、能继续居住（countinuedoccupancy）、可修复的（repairable）、生命安全（lifesafe）、倒塌（collapse）。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标（常遇地震下完全正常运作，少遇地震下正常运作，罕遇地震下保证生命安全，极罕遇地震下接近倒塌）、必要目标（少于地震下完全正常运作，罕遇地震下正常运作，极罕遇地震下保证生命安全）、对安全其控制作用的目标（罕遇地震下完全正常运作，极罕遇地震下正常运作）。对重要性不同的建筑，如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计，此外，也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求，选择不同的性态目标。
三.保证结构延性能力的抗震措施
合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：
1.“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。
2.“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。
3.抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。
这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。
新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰，而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。为此，这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。
美国抗震界则认为新西兰取的柱弯矩增强系数过大，根据经验取了较小的柱弯矩增强系数，这一做法使结构在大震引起的非弹性变形过程中，梁端塑性铰形成较早，柱端塑性铰形成的相对较迟，梁端塑性铰形成的较普遍，柱端塑性铰形成的相对少一些，从而形成“梁柱塑性铰机构”。
新西兰抗震措施的好处在于“理想梁铰机构”完全利用了延性和塑性耗能能力较好的梁端塑性铰来实现框架延性和耗散地震能量，同时因为除底层柱底外的其它柱端不出现塑性铰，也就不必再对这些柱端加更多的箍筋。但是这种思路过于受塑性力学形成理想机构概念的制约，总认为底层柱底应该形成塑性铰，这样就对底层柱底提出了较严格的轴压比要求，同时还要用足够多的箍筋来使柱底截面具有所需的延性，此外，底层柱底如果延性不够发生破坏很容易导致结构整体倒塌。这些不利因素使该方法丧失了很大的优势。
因此很多研究者认为不需要被塑性力学的机构概念所限制，只要能在大震下实现以下的塑性耗能机构，就能保证抗震设计的基本要求：
1.以梁端塑性铰耗能为主；
2.不限制柱端塑性铰出现（包括底层柱底），但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量；
3.同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。
我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路，采用了“梁柱塑性铰机构”模式，而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理想梁铰机构”模式。
抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生，采取了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是，与非抗震抗剪破坏相比，地震作用下的剪切破坏是不同的。以梁构件为例，在较大地震作用下，梁端形成交叉斜裂缝区，该区混凝土受斜裂缝分割，形成若干个菱形块体，而且破碎会随着延性增长而加剧。由于交叉斜裂缝与塑性铰区基本重合，垂直和斜裂缝宽度都会随延性而增大。抗震下根据梁端的受力特征，正剪力总是大于负剪力，正剪力作用下的剪压区一般位于梁下部，但由于地震的往复作用，梁底的混凝土保护层可能已经剥落，从而削弱了混凝土剪压区的抗剪能力；交叉斜裂缝宽度比非抗震情况大，以及斜裂缝反复开闭，混凝土破碎更严重，从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应退化；混凝土保护层剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的销栓作用有一定退化。可见，地震作用下，混凝土抗剪能力严重退化，但是试验发现箍筋的抗剪能力仍可以维持。当地震作用越来越小时，梁端可能不出现双向斜裂缝，而出现单向斜裂缝，裂缝宽度发育也从大于非抗震情况到接近非抗震情况，抗剪环境越来越有利。此外，抗震抗剪要求结构构件应在大震下预计达到的非弹性变形状态之前不发生剪切破坏。因为框架剪切破坏总是发生在梁端塑性铰区，这就不仅要求在梁端形成塑性铰前不发生剪切破坏，而且抗剪能力还要维持到塑性铰的塑性转动达到大震所要求的程度，这就需要更多的箍筋。同时，在梁端塑性变形过程中作用剪力并没有明显增大，也进一步说明这里增加的箍筋不是用来增大抗剪强度，而是为了提高构件在发生剪切破坏时所达的延性。
综上所述，与非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能与剪力作用环境，塑性区延性要求大小有关。我们可以采取以下公式来考虑抗震抗剪的强度公式：
其中为混凝土抗剪能力，为箍筋抗剪能力，为由于地震作用导致的混凝土抗剪能力下降的折减系数，且随着剪力作用环境、延性要求而改变。我国的抗震抗剪强度公式也以上面公式为基础的，但是为设计方便，不同的烈度区取用了相同的公式，均取为0.6，与上面提到的混凝土抗剪能力随地震作用变化而不同的规律不一致，较为粗略。
延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好（但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性）；对柱子这类偏压构件，轴压力的存在会增大混凝土受压区高度，减小延性；箍筋可以提高混凝土极限压应变，从而提高延性，但对于高强度混凝土，受压时，其横向变形系数较一般混凝土明显偏小，箍筋的约束作用不能充分发挥，所以对于高强度混凝土，不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外，箍筋还有约束纵向钢筋，避免其发生局部压屈失稳，提高构件抗剪能力的作用，因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律，在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。
四.我国抗震设计思路中的部分不足
我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。
其中，最值得我们注意的是，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数（“中震”的地面运动加速度与“小震”的地面运动加速度之比）来划分延性等级，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则并未按关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致同一个R对应了不同的，从而制定了不同的抗震措施，这与关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。
另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。这种笼统的设防目标也不符合当今国际上的“多层次，多水准性态控制目标”思想，这种多性态目标思想提倡在建筑抗震设计中应灵活采用多重性态目标。甲类建筑指重大建筑工程和地震时可能发生严重此生灾害的建筑，乙类建筑指地震时使用不能中断或需要尽快修复的建筑，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标（设防目标），此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。
五.常用抗震分析方法
伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。
在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值，这三种方法都是弹性分析方法。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数，再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用，然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构，常常需要进行弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。以上方法主要针对结构在地震作用下的弹性阶段，保证结构具有一定的屈服水准。
关键词：翼墙；钢管混凝土；Abaqus有限元；加固
0引言
近年来，我国频繁发生地震灾害，比如2008年，汶川大地震；2010年，青海玉树大地震；2013年，四川的芦山县大地震；2014年，新疆省于田大地震，我们对现有建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。很多建筑物和构筑物在我们的长期使用中会出现各种各样的问题，如承载力不足、地基沉降、出现裂缝等[1]。为了能够正常使用，防止结构出现严重的损害，给人们带来财产、精神和生命上的危害，应该对建筑物及时的进行可靠度鉴定，并采取相应的措施对建筑物进行加固维修。钢筋混凝土框架结构加固的方法主要包括：外包钢法、粘贴纤维复合材料加固法、粘钢加固法、增大截面法、增设翼墙加固等[2]。本文将通过Abaqus非线性有限元模拟来探究钢管混凝土翼墙的受力性能。
1构件尺寸及模型建立
1.1构件的尺寸
本文模拟中选取如下的模型作为研究对象：混凝土柱尺寸500×500mm，柱高1.8m，纵向钢筋12B16，箍筋B8@ 200mm，底端加密箍筋B8@100mm（B为钢筋直径），两侧的翼墙为钢管混凝土翼墙，用钢套箍将钢管混凝土翼墙的端部与钢筋混凝土柱固结在一起，其它部位没有连接，钢套箍为高度300mm，厚度为5mm。其中的一个构件的截面如图1.1所示。
图1.1 构件的截面尺寸
有限元数值模拟分别以钢管的厚度为参变量，对不同组的构件分别进行低周反复荷载作用下的模拟。其中L表示钢筋混凝土柱的长，B表示钢筋混凝土柱的宽；l表示钢管混凝土翼墙的长度，b表示钢管混凝土翼墙的厚度；n表示轴压比；t表示钢管的厚度。构件尺寸如表1.1。
表1.1 钢管混凝土翼墙加固构件模拟试件表
试件编号 L（mm） ×B（mm） l（mm） ×b（mm） n t（mm）
JGZ-1 500×500 300×200 0.5 3
JGZ-2 500×500 300×200 0.5 5
JGZ-3 500×500 300×200 0.5 7
1.2模型的建立
运用创建部命令件创建混凝土柱、混凝土翼墙、钢管、纵筋和箍筋各部件，其中混凝土柱、 混凝翼墙和钢管为实体单元，而纵筋和箍筋为桁架单元。如图1.2所示。
图1.2 模型建立
2不同试件的有限元分析
2.1试件的滞回曲线
在轴压比0.5时，翼墙中钢管的厚度为3mm、5mm、7mm的钢管混凝土翼墙加固柱的构件滞回曲线如图2.1所示。
图2.1 JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3滞回曲线
从图2.1能够看出，在这组模拟中任何一个滞回曲线形状都表现为比较饱满的梭形，这反映了钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱具有良好的耗能能力以及抗震性能[3]。
从这组的滞回曲线可以看出，钢管厚度t=7mm的加固构件的滞回曲线的峰值最大，t=3mm的加固构件滞回曲线峰值最小，说明钢管厚度越大钢管混凝土翼墙加固柱的极限承载力越大。随着加载的继续进行，滞回曲环的峰值出现了下降，不同钢管厚度下降的趋势也不同，钢管厚度为3mm的加固柱下降趋势比钢管厚度为7mm的加固柱下降趋势大，说明随着钢管厚度的增大钢管混凝土翼墙加固柱的延性增加[4]。
2.2试件的骨架曲线
在轴压比为0.5时，翼墙中钢管厚度为3mm、5mm、7mm的钢管混凝土翼墙加固柱的构件骨架曲线如下图2.2所示。
图2.2JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3骨架曲线
从图2.2可以看出，钢管混凝土翼墙中钢管厚度为7mm时加固构件的极限承载力值最大，钢管厚度为5mm次之，钢管厚度为3mm最小，说明了随着钢管厚度的增加钢管混凝土翼墙加固柱的极限承载力增大。
在骨架曲线的前期弹性阶段，钢管厚度为7mm的钢管混凝土翼墙加固的钢筋混凝土柱的斜率最大，说明随着钢管厚度的增加构件的弹性阶段的刚度增大，加载后期骨架曲线均有一段保持水平，表现出钢管混凝土翼墙加固柱具有良好的塑性性能；随着荷载继续加载，骨架曲线出现下降趋势，说明钢管混凝土加固钢筋混凝土柱的延性降低；钢管厚度为3mm的加固构件下降趋势大于钢管厚度为7mm的加固构件，说明了钢管厚度越大加固构件的延性越好[5]。
3结论
利用有限元软件ABAQUS以钢管厚度为参数建立的3个钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱模型，并进行了模拟分析，从提取的滞回曲线和骨架曲线上可以看出，钢管混凝土翼墙加固柱均具有较好的耗能能力及抗震性能。钢管厚度增加则构件的极限承载力增大，刚度增大，耗能能力良好。由于篇幅有限有些参变量没有考虑进来，在以后的研究中将重点关注。
参考文献
[1] 魏闯.增设翼墙加固功能混凝土柱受力性能研究[D]沈阳建筑大学硕士论文，2011
[2] 柳炳康，吴胜兴，周安.工程结构鉴定与加固[M].北京：中国建筑工业出版社，2008
[3] 张心令，王财全，刘洁平. 翼墙加固方法对框架结构抗震性能的影响分析[J].土木工程学报，2012
[4] 景悦.方钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析[D].河北工业大学学位论文，2008
目前国内超高层均大量采用大截面钢管混凝土柱，并且在不同部位设置水平横隔板，故钢管混凝土柱大体积混凝土浇筑质量、均匀性，特别是横隔板部位混凝土的密实性，以及混凝土终凝后与钢管内壁和外壁之间的粘结性能对大截面钢管混凝土柱的承载力和延性等力学性能具有重要影响。混凝土质量以及界面粘结性能的损伤和缺陷的存在对结构性能造成负面影响，必须采取新手段对钢管混凝土柱中混凝土的浇筑质量以及钢管混凝土柱钢管与混凝土的粘结性能进行必要的监测与评估。笔者通过在长沙市天心区保利国际广场项目上应用压电应力波测量和压电机电耦合阻抗测量的监测方法有效地解决了钢管混凝土柱界面与混凝土质量检测的难题。
【关键词】
超高层建筑、钢管混凝土柱、混凝土质量检测方法。
中图分类号： TU208 文献标识码： A
一、项目概况和背景
保利国际中心（B3栋）为保利国际广场中的超甲级写字楼，它耸立于长沙市南湖路与湘江大道交汇处，与橘子洲头雕像正对。建筑效果图如图1.1所示。该工程的建筑物主体结构设计使用年限为50年。塔楼标高+0.000（绝对标高40.600米）以上采用混合框架-钢筋混凝土核心筒-伸臂体系，其中梁以H型钢梁为主，柱由方钢管混凝土为主，角部为8个圆钢管混凝土柱，核心筒区域外楼面采用钢筋桁架楼承板组合楼板；标高+0.000以下采用混合框架-钢筋混凝土核心筒结构体系，其中梁为混凝土梁，柱变成型钢混凝土柱（其中方钢管混凝土柱变成十字形截面柱，圆钢管混凝土柱变成圆钢管混凝土组合柱）。楼板均为混凝土楼板。剪力墙和柱在标高+88.950以下采用C60混凝土，+173.550以下采用C50混凝土，+173.550以上采用C40混凝土浇筑。不同标高位置钢管混凝土柱平面布置示意图如图1.2-1.4。
图1.1 塔楼效果图
图1.2 塔楼标高+0.000以下框架柱平面示意图
图1.3 塔楼标高+0.000~119.230框架柱平面示意图
图1.4 塔楼标高119.230以上框架柱平面示意图
二、监测主要方法选择
2.1基于压电应力波测量的监测方法
本工程的监测过程采用32通道比利时进口LMS-SCM05振动测试分析集成系统。该系统自带信号发生功能，可以产生高频激励信号，并且各通道间完全独立高频采样。该系统可以产生简谐信号、扫频信号、随机信号以及触发信号等各种类型信号，可用于直接驱动压电功能块，在混凝土内部产生应力波。同时，该系统具有高效、稳定的采样能力，其最大采样频率可达100KHz，能有效的采集到压电传感器以及压电功能块接收到的高频信号。而且该系统配备有功能强大的数据分析系统，其LMS Test.Lab Time Recording Add-in模块具有时间历程记录功能，并与特征数据采集、阶次跟踪分析、谱采集或实时倍频程保持同步。记录的时间数据可利用Test.Lab特征数据通程处理模块做进一步的后处理。该系统集发出信号、采集信号以及后处理分析信号于一身，极大地满足了本次监测的需要。如图2.1所示。
图2.1 现场测试状况以及比利时LMS测试系统
2.2基于压电机电耦合阻抗测量的检测方法
在机电耦合阻抗法中，通过测量粘帖于钢管外壁的压电智能材料与钢管壁所构成的机电耦合系统的机电阻抗来评估界面性能，其测量原理见图2.2。图2.3表示的是用于测量机电阻抗的宽频带惠普阻抗分析仪以及一个带模拟界面剥离的钢管混凝土构件。运用机电阻抗测量法对此带模拟界面剥离的钢管混凝土构件的剥离状况进行了监测。图2.4显示的是界面完好与剥离区域的压电智能材料的阻抗测量结果的比较以及多定义的界面损伤指标。实验结果表明，基于机电阻抗测量可以很好识别出钢管混凝土构件中无法观测到的界面剥离损伤。根据试验构件的性能选取相应频段，分别测量了界面损伤发生前后的阻抗值，通过比较阻抗峰值的偏移和峰值对应频率的变化，有效的识别结构的损伤。基于阻抗的方法能够有效地反映局部损伤，由于其测量频率较高，因此对初始微小损伤比较敏感。
图2.2 基于压电陶瓷的机电阻抗测量原理
图2.3 带模拟界面剥离的钢管混凝土构件以及阻抗测量装置
图2.4 界面完好与剥离区域的比较以及界面损伤指标
此方法主要针对钢管混凝土柱的柱身在易于出现混凝土缺陷和界面缺陷的部位进行抽样检测，重点关注关键部位混凝土浇筑质量、横向加劲板以下范围钢管壁与核心混凝土的界面粘结状态。
三 、钢管混凝土构件监测
利用两种监测方法对浇筑后的钢管混凝土柱中最易于发生核心混凝土缺陷以及核心混凝土与钢管内壁和横隔板下表面界面缺陷的部位进行检测，重点关注横隔板下部位内部核心混凝土完整性、核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态。
（1）对于基于应力波的检测，采用一发一收以及一发多收的方式进行。通过对应力波传递距离相等的一组传感器的输出信号的分析来对核心混凝土的完整性以及界面状态进行评价。
（2）对于压电耦合阻抗法，采用对粘帖在钢管外壁的压电陶瓷片或者嵌入式压电功能块的机电耦合阻抗测量对界面粘结性能进行监测与评价。
3.1 监测对象以及测点布置
为了实现以上监测目的，采用应力波法和压电耦合阻抗法两种方法相结合的方法，将在标高+0.000以上塔楼B3栋周边的每层24根Q345B钢管混凝土柱中的选择关键截面进行抽样检测，采用技术压电功能块、压电传感器（PZT）进行。
图3.1方形钢管柱横截面及立面示意图
图3.2 圆形钢管柱横截面及立面示意图
标高+0.000以上高235.5米，共50层，钢柱采用自密实混凝土分段浇筑，其中1-10层每2层钢管整体吊装并浇筑一次混凝土，10层以上每3层钢管整体吊装并浇筑一次混凝土。24根钢管柱中16根为方钢管混凝土柱，8根为圆钢管混凝土柱。横截面及立面示意图如图3.1-3.2所示。
选取矩形截面柱与圆形截面柱与型钢梁的连接节点处最容易出现缺陷的部位，即三层横隔板中的最上层以下的部位进行监测。总抽检构件数为总吊装节段数的约30%。
在上层横隔板下表面安装压电功能块，在钢管外壁粘帖压电片。结合应力波法和机电耦合阻抗法进行监测与分析。
3.1.1方形截面钢管混凝土柱
（1）嵌入式与表面粘帖相结合
在上层横隔板下表面上每边布置3个压电功能元，其中1个位于每边的中间位置，其中PZT的方向为竖直且垂直于该钢管内壁。另外2个压电功能元布置在该边的1/4和3/4处，该压电功能块与钢管内壁留20mm距离，其PZT平面竖直但平行于该内壁。每个构件供设置12个压电功能块。此外，每边对应位置设置4个PZT，每个构件共设置16个PZT片。方形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面的压电功能块以及外壁PZT片布置示意图如图3.3所示。在每个吊装层中，选取一个方钢管柱采取该方式布置。
（2）外部粘帖压电陶瓷片
对于部分方钢管柱，采用外部粘帖压电片的方法。方形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面外壁PZT片布置示意图如图3.4所示。核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态通过压电阻抗法评估，核心混凝土采用应力波方法检测与评估。在钢管已经安装就位其靠建筑外侧的表面无法在保证安全的情况下粘贴压电陶瓷片的情况下，可以只在方柱的两个相对的侧面上进行粘贴。
图3.3方形钢管混凝土柱上层横隔板下表面压电功能元以及PZT片布置示意图
图3.4方形钢管混凝土柱上层横隔板下钢管表面粘帖PZT片布置示意图
3.1.2 圆形截面钢管混凝土柱
（1）嵌入式与表面粘帖相结合
对于部分圆形截面钢管混凝土柱，在上层横隔板下表面上沿钢管内壁均匀布置6个压电功能元，该压电功能块与钢管内壁留20mm距离，其PZT平面竖直且与钢管内壁保持相切。此外，钢管外壁对应位置设置6个PZT。圆形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面的压电功能块以及外壁PZT布置示意图如图3.5所示。在每个吊装层中，选取一个方钢管柱采取该方式布置。
（2）外部粘帖压电陶瓷片
另外的圆钢管柱采用外部粘帖压电片的方法。圆形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面外壁PZT片布置示意图如图3.6所示。核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态通过压电阻抗法评估，核心混凝土采用应力波方法检测与评估。考虑到嵌入式压电功能元的施工耗时较多，主要采取表面粘帖压电陶瓷片的方法进行。在钢管已经安装就位其靠建筑外侧的表面无法在保证安全的情况下粘贴压电陶瓷片的情况下，可以只在圆柱的相互垂直的两个相对位置上进行粘贴。
图3.5方形钢管混凝土柱上层横隔板下表面压电功能元以及PZT片布置示意图
图3.6方形钢管混凝土柱上层横隔板下钢管外壁粘帖PZT片布置示意图
3.2监测方法
3.2.1基于应力波的钢管混凝土监测
运用方形截面以及圆形截面构件内部对称位置的压电功能块进行信号发射和接受信号，对信号进行小波包能量分析，进而对钢管混凝土内部核心混凝土的均匀性进行评估。激励信号采用扫频信号、正弦信号和脉冲信号，测量两次。用收发信号距离等同的一组传感器的输出信号来评定监测结果。
对于方钢管混凝土柱的四个角区的缺陷的监测，选取每边中间位置的压电功能块作为激励器，采集对应钢管外壁的两个PZT的响应。
对于方钢管混凝土的四边钢管内壁与核心混凝土的截面粘结情况，分别采用嵌入式压电功能元作为激励，对于外壁PZT片接受信号的方式进行监测。
3.2.2基于机电耦合阻抗的钢管混凝土界面性能监测
钢管壁与核心混凝土的粘结状况，分别对于嵌入式压电功能元和表面粘帖压电陶瓷片进行机电耦合阻抗测量，通过阻抗结果的分析对界面粘结性能进行评估。
3.2.3混凝土界面性能监测
分别基于应力波和机电耦合阻抗测量，在混凝土浇筑后1-2周内测量一次。
选取嵌入和粘贴方案的方形截面和圆形截面钢管混凝土试件各一个（图3.7中位置1与2），进行多次监测。混凝土浇筑后3天，7天，14天，28天，3月，6月分别进行测试。
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[关键词]钢管混凝土柱抗火分析防火措施
钢管混凝土柱在工程中的应用日益广泛,其耐火性能和防火措施问题受到了人们的关注。在火灾作用下,钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场,同时材料性能在高温下会不断恶化,其温度效应和结构效应是同时存在的。因此热力耦合分析是比较接近实际的方法,但是处理难度较大。在一般情况下,结构构件的温度分布主要受到外界火焰温度、材料热工性能、构件形状和尺寸等的影响,而结构内力状态和变形等的影响非常小[1],因此可以先求出构件温度场,然后将温度场结果用于受力性能的计算,这在以往的理论研究中采用较多,例如韩林海[2]、Lie和Denham[3]、郑永乾[4]、王卫华[5]等。
纤维模型法、分段积分法和有限元法在常温下钢管混凝土构件的分析中已得到较为广泛的应用,通过考虑热工参数和力-热本构关系等,可以将上述方法用于高温分析中。作者通过在以往福州大学组合结构课题组中的学习研究以及现在的探索,对上述分析方法及其特点进行了介绍,并对钢管混凝土柱的防火措施进行了探讨,以期为有关理论研究和工程实践提供参考。
1温度场分析方法
1.1 自编截面温度场有限元程序
钢管混凝土构件在四面受火时可近似地认为温度沿着构件长度方向不变化,因此可简化为沿截面的二维温度场问题。根据孔祥谦[6]描述的方法编制了分析钢管混凝土构件在高温下截面温度场的非线性有限元程序。材料热工参数暂取用Lie和Denham[3]建议的钢材和混凝土热工参数表达式,并考虑了混凝土中水分的影响,对混凝土热工参数进行了修正[7]。在受火面同时存在着对流和辐射两种换热,采用第三类边界条件求解,对流传热系数取25W/m2K;综合辐射系数取0.5[8]。计算时暂不考虑钢材与混凝土之间的接触热阻,假设完全传热,截面划分采用三角形单元。采用上述方法编制了计算火灾下构件截面温度场的MATLAB程序,该程序适用性强,计算速度快,改变截面等重要参数亦能迅速得到温度结果,程序计算结果可在后文纤维模型法和分段积分法计算耐火极限中采用。
1.2 有限元软件ABAQUS分析
图1温度-时间关系计算结果与实验结果对比
采用有限元软件ABAQUS在进行结构分析时必须调节各节点温度,因此建立的三维温度场分析模型和结构分析模型一致。混凝土和刚性垫块采用八节点三维实体单元DCC3D8D,钢管采用四节点壳单元DS4。钢管内壁与混凝土采用束缚(Tie)约束。
为验证程序的正确性,本文对方钢管混凝土柱截面温度实验曲线[9]进行计算,如图1所示,可见,采用MATLAB和ABAQUS的计算结果与实验结果吻合良好。其中,构件截面尺寸为B×ts=203×6.35mm,B为方钢管外边长,ts为钢管壁厚,d为测点距钢管面的距离。实验按照加拿大设计规程CAN4-S101规定的升温曲线进行。
2火灾下受力性能分析方法
2.1 纤维模型法
钢材在温度和应力共同作用下的总应变(s)由三部分组成,即应力作用产生的应变(s)、自由膨胀应变(sth)和高温瞬时蠕变(scr)。混凝土在温度和应力共同作用下的总应变(c)由四部分组成[7],即应力作用产生的应变(c)、自由膨胀应变(cth)、高温徐变(ccr)和瞬态热应变(tr)。钢材和混凝土的自由膨胀应变、高温下钢材的应力-应变关系均采用Lie和Denham[3]给出的表达式,高温下受压区混凝土的应力-应变关系采用韩林海[2]提供的约束混凝土模型,受拉区混凝土采用Rots等[10]提出的模型,具体表达式参考Cai等[11]。
计算时采用如下基本假设:(1)构件在变形过程中始终保持为平截面;(2)钢材和混凝土之间无相对滑移;(3)忽略剪力对构件变形的影响;(4)构件两端为铰接,挠曲线为正弦半波曲线。由于对称性,取一半截面计算,单元划分如图2所示。
根据截面上任一点的应变i,可确定对应的钢管应力si和混凝土应力ci,则可得截面内弯矩Min和内轴力Nin为
(1)
(2)
其中,Asi和Aci分别为钢管单元面积和混凝土单元面积,yi为计算单元形心坐标。
火灾下,具有初始缺陷uo和荷载偏心距eo钢管混凝土柱的荷载-变形关系及耐火极限的计算步骤如下:①计算截面参数,进行截面单元划分,确定钢管混凝土横截面的温度场分布;②给定中截面挠度um,计算中截面曲率,并假设截面形心处应变o;③计算单元形心处的应变i,计算钢管应力si和混凝土应力ci;④计算内弯矩Min和内轴力Nin;⑤判断是否满足Min/Nin=eo+uo+um的条件,如果不满足,则调整截面形心处的应变o并重复步骤③～④,直至满足;⑥判断是否满足作用在构件上荷载=Nmax(t)的条件,Nmax(t)为t时刻温度场情况下,钢管混凝土柱荷载-变形关系曲线上峰值点对应的轴力,如果不满足,则给定下一时刻的截面温度场,并重复步骤③～⑤,直至满足,则此时刻t即为构件的耐火极限。
采用纤维模型法对火灾下钢管混凝土构件的荷载-变形关系和耐火极限进行计算,概念明确,计算方便,但是纤维模型法是一种简化的数值分析方法,在进行力学性能分析时,不能准确分析高温作用下钢与混凝土的应力状态、应变发展和相互作用等,同时,采用纤维模型法时难以获得构件在整个受火过程中的变形,而且计算时只能取计算长度。
2.2 分段积分法
高温下材料应力-应变关系与纤维模型法相同,钢材的高温蠕变较为明显,可采用AIJ[12]给出的表达式及系数。混凝土瞬态热应变数值较大,在高温分析中应合理考虑,本文选取Anderberg和Thelandersson提出的模型[13]。对于混凝土的高温徐变,可选择应用较多的Anderberg和Thelandersson模型[13]。
分析时采用的基本假设去掉纤维模型法基本假设中的(4),其余相同。为了反映材料在构件长度和截面两个方向上性能的变化,在对钢管混凝土柱进行单元划分时,考虑两个层次的划分。在构件长度方向上划分若干个梁-柱单元,将构件视为通过结点相连的梁-柱单元的集合。截面采用切线刚度法,类似于纤维模型法中的直接迭代法。将截面分割为若干微单元,确定微单元形心的几何特性和相应的材料切线模量,然后利用合成法求得的材料切线模量和相应的单元几何特性确定各个单元的贡献,最后将各单元的贡献叠加,从而获得截面切线刚度距阵。由于对称性取半个截面进行计算。钢管混凝土构件截面单元划分与纤维模型法截面划分一致,沿长度方向单元划分如图3所示,其中N为作用在构件上的荷载,e为荷载偏心距。
本文采用近似的UL表述(即AUL表述),利用虚功原理可得AUL表述的局部坐标系下非线性梁-柱单元增量平衡方程为[14]:
(3)
其中,代表单元在直线位形的体积;和分别为应力和应力增量;eL和eNL分别为轴向应变的线性分量和非线性分量;{d}为单元的结点位移增量向量;{r}和{r}分别为单元结点力向量和结点力增量向量;结点力和位移向量定义详见郑永乾[4]。
参考Jetteur等[14]可得局部坐标系下改进的AUL表述的单元增量平衡方程为:
(4)
式中,为梁-柱单元的切线刚度矩阵,可分为两部分:,其中,为材料非线性的小位移刚度矩阵,为反映大位移效应的几何刚度矩阵;{f}为梁-柱单元的结点力向量,具体表达式详见郑永乾[14]。
在进行程序编制中,采用了两个级别的积分策略。在截面上采用合成法,即在截面上划分足够数目的微单元,将每个单元的贡献采用直接迭加的办法来实现积分的运算;在长度上采用六点Gauss积分法。温度流动路径可参考过镇海和时旭东[1]推导确定。
采用分段积分法能够获得受火全过程的变形曲线及其耐火极限,能够考虑钢材高温蠕变、混凝土瞬态热应变和高温徐变,能够直接利用杆长和边界条件计算。与纤维模型法一样,分段积分法也难以准确分析高温下钢与混凝土相互作用等受力特性。
2.3 有限元软件ABAQUS
以往不少学者已采用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土柱在常温下的受力性能进行了系统的分析[2],但对于高温下的ABAQUS分析比较少,王卫华[5]对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析,计算结果与实验结果比较总体偏于安全,计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变。
有限元模型中,钢材采用ABAQUS软件中提供的等向弹塑性模型,满足Von Mises屈服准则。高温下钢管的应力-应变关系、蠕变表达式同分段积分法。混凝土采用ABAQUS软件中提供的塑性损伤模型,模型中基本参数取值根据HKS[15]确定。高温下受压区混凝土的应力-应变关系采用韩林海[2]ABAQUS分析的常温表达式,并参考韩林海[2]的高温模型进行了修正。受拉区混凝土模型、瞬态热应变关系同分段积分法,参考Li和Purkiss[13]将混凝土瞬态热应变考虑到应力-总应变关系曲线中。需要说明的是,采用塑性损伤模型较难考虑混凝土高温徐变,ABAQUS分析中暂不考虑其影响。
以Lie和Chabot [16]中构件C21为例,截面尺寸B×ts=273.1×5.56mm,钢材屈服强度350MPa,混凝土圆柱体强度29MPa,硅质骨料,构件两端固结,作用在构件上的荷载525kN。图4所示为1/4构件的有限元分析模型,其中,钢管采用四节点减缩积分格式的壳单元S4R,混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元C3D8R。端部设置刚性很大的垫块施加轴向荷载,垫块采用三维实体单元C3D8R模拟。刚性垫块与钢管采用Shell to Solid Coupling进行约束,与混凝土之间采用法向硬接触约束。根据构件实际受力情况,设置两个分析步骤,首先在构件加载位置施加荷载N,保持外荷载不变,调用温度场分析结果计算。初始弯曲取1/1000杆长。
图4有限元模型
利用上述方法,可以得到该钢管混凝土柱的计算轴线变形()-受火时间(t)关系曲线,如图5所示,其中向上轴向变形为正,构件压缩为负。可见,计算结果与实验结果总体趋势接近,计算的耐火极限偏于安全。在轴压比不大的情况下,升温初期,由于钢管温度较高,热膨胀也比核心混凝土大的多,构件膨胀大于外荷载引起的轴向压缩,变形曲线上升,荷载主要由钢管承担,随着钢管温度的提高,钢材强度和弹性模量将大大退化,轴向变形曲线下降。当变形值下降到一定程度,核心混凝土继续承受外荷载,随着高温下混凝土材料属性的降低,轴向变形曲线逐渐下降直至构件破坏[17]。在轴压比较大的情况下,前期上升的轴向变形则不明显或不出现。
图5轴线变形-时间关系曲线
图6给出构件的破坏形态以及最终的应力状态,其中变形放大了10倍。可见,构件跨中有较大的弯曲变形,左侧与右上受火部位的钢管与混凝土之间明显脱开。跨中左侧钢管温度达到931℃,Mises应力19.44MPa。端部未受火,承受较大外荷载,Mises应力最大为52.33MPa。混凝土纵向压应力最大为14.69MPa,在顶部,对于跨中和离顶部约1/6杆长位置,混凝土纵向应力也较大,约达到13.85MPa。
(a) 破坏形态 (b) 钢管Mises应力 (c) 混凝土纵向应力
图6破坏时形态及应力分布
图7所示为不同时间下构件跨中截面混凝土纵向应力的分布情况,为便于分析,在图5中定出A~E点。可见,在常温加载后,即0min时,跨中截面混凝土应力基本呈现带状分布,混凝土全截面受压,由于初始弯曲,在外荷载作用下一侧压应力较高,如图7(a)所示。升温初期,荷载主要由外部钢管承担,截面混凝土温度外高内低,高温区的热膨胀变形受到低温区的约束,因此高温区混凝土为压应力,内部低温区混凝土为拉应力,截面应力分布云图与温度分布类似,如图7(b)所示。随着截面内外温差的减小,混凝土压应力和内部拉应力有所减小,在C点位置,核心混凝土又开始承受外荷载,如图7(c)所示。混凝土在温度和外荷载作用下,压应力增加,在D点位置,混凝土中心点压应力6.96MPa,右边缘点压应力6.07MPa,如图7(d)所示。随着混凝土温度的进一步升高,材料属性恶化较为严重,跨中挠度增加较快,破坏时压应力最大区域在截面中心偏下,即偏向构件弯曲内侧,压应力为13.85MPa,此时整个截面混凝土为受压状态,如图7(e)所示。
(a) A点(0min) (b) B点(23min) (c) C点(33min)
(d) D点(68min) (e) E点(100min)
图7不同时间下跨中截面混凝土纵向应力
采用ABAQUS软件结果后处理形象直观,能够进行火灾全过程的应力、应变、相互作用等受力特性分析。采用ABAQUS的建模、参数分析及计算的速度不如前面两种,目前ABAQUS研究钢管混凝土耐火性能尚不完善,例如适合于ABAQUS分析的混凝土高温本构模型、混凝土高温徐变、接触热阻取值、高温下钢与混凝土的粘结滑移等还需要进一步研究。
3防火措施
(1)根据韩林海[2]的研究结果,火灾荷载比、截面尺寸、长细比和防火保护层厚度是影响钢管混凝土柱耐火极限的主要因素。因此,为提高耐火极限,可在设计中降低荷载比、增大截面尺寸、改变长细比或采取防火保护措施。在钢管混凝土外部采用防火保护是非常有效的方法,在不少工程中应用,例如深圳赛格广场大厦、杭州瑞丰国际商务大厦、武汉国际证券大厦等[2]。防火保护可采用厚涂型钢结构防火涂料、金属网抹水泥砂浆、外包混凝土和采用防火板。
厚涂型钢结构防火涂料效果明显,在工程中应用较多。喷涂前,首先应将钢管表面处理干净,然后打底,底层材料由干料(图8(a))、专用胶黏剂和水按一定比例搅拌均匀,如图8(b)所示。接着利用空压机(图8(c))和喷枪在钢管表面打底,一次搅拌的混合料宜在2小时内用完,图8(d)所示为打底后的情况。待底层材料完全凝固硬化后可开始采用手工涂抹。取袋装干料和水按一定比例搅拌均匀,在钢管表面分层涂抹,如图8(e)和(f)所示。
(2)配钢筋。以往已有一些学者对钢管配筋混凝土柱的耐火性能进行研究,取得了部分研究成果[2]。本文作者采用分段积分法计算了火灾下钢管配筋混凝土柱的变形和耐火极限,结果表明,对于专门考虑抗火作用钢筋的构件,配筋率1～5%可比钢管素混凝土柱耐火极限提高约10%～60%,配筋率每增加1%约增加11%。随着钢筋屈服强度的增加,构件的耐火极限稍有增加。对于火灾荷载比包含钢筋受力作用的构件,配筋率和钢筋屈服强度对耐火极限的影响很小,该内容将另文发表。
(3)为保证火灾时核心混凝土中水蒸气能够及时散发,确保结构安全工作,需在钢管混凝土柱上设置排气孔,直径一般为20mm[2]。
(a)袋装干料 (b) 搅拌均匀 (c) 空压机
(d) 喷底层材料后 (e) 圆钢管混凝土涂抹 (f) 方钢管混凝土涂抹
图8防火涂料施工
4结语
4.1 采用自编有限元程序和有限元软件ABAQUS计算钢管混凝土柱在火灾下的温度场,均可以取得较好的结果,同时为火灾下构件受力性能的计算分析提供基础。
4.2 纤维模型法、分段积分法和有限元法是火灾下钢管混凝土柱受力性能分析的常用方法。纤维模型法概念明确,计算方便,但它是一种简化的数值分析方法,难以准确考虑钢材的高温蠕变、混凝土的瞬态热应变和高温徐变。分段积分法将构件沿着长度方向分为若干单元,将数值积分点处的截面分为若干面积单元,在单元分析中采用改进的AUL 表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,程序中可合理考虑钢材高温蠕变、混凝土瞬态热应变和高温徐变。采用纤维模型法和分段积分法均难以准确分析高温作用下钢与混凝土的应力状态、应变发展和相互作用等受力特性,采用有限元法可以很好地解决这些问题,但是有限元方法建模和计算速度较慢,适合有限元软件分析的材料高温本构、参数取值等研究尚不完善。
4.3 为提高钢管混凝土柱的耐火极限,可在采用厚涂型钢结构防火涂料、金属网抹水泥砂浆、外包混凝土、防火板或配置专门考虑防火的钢筋,其中在钢管混凝土表面涂抹防火涂料是非常有效的保护措施。
随着科学技术的发展,新型钢管混凝土结构逐渐得到人们的重视,例如带肋薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管高性能混凝土等,他们的耐火性能及其抗火设计、施工等问题还需要进一步探讨。
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论文摘要:随着房屋抗震要求的提高，以及墙体新材料的推广使用，传统的住宅砖混结构已逐渐被框架结构所替代，竖向承重构件混凝土柱对房屋结构来说就显得尤为重要了，但通过我们对现场质量搭检查以及平时质量监督检查时发现，目前混凝土柱质量状况较混凝土梁板要差的多，一些混凝土质量通病在混凝土柱子上反映也比较集中。钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注，混凝土结构加固技术是一门新兴的学科，结构试验研究、理论分析及规范编制等基础理论工作，近年来均有很大进展。
钢筋混凝土柱是指用钢筋混凝土材料制成的柱。是房屋、桥梁、水工等各种工程结构中最基本的承重构件，常用作楼盖的支柱、桥墩、基础柱、塔架和桁架的压杆。按照制造和施工方法分为现浇柱和预制柱。现浇钢筋混凝土柱整体性好，但支模工作量大。预制钢筋混凝土柱施工比较方便，但要保证节点连接质量。
钢筋混凝土柱按配筋方式分为普通钢箍柱、螺旋形钢箍柱和劲性钢筋柱。普通钢箍柱适用于各种截面形状的柱是基本的、主要的类型，普通钢箍用以约束纵向钢筋的横向变位。螺旋形钢箍柱可以提高构件的承载能力，柱载面一般是圆形或多边形。劲性钢筋混凝土柱在柱的内部或外部配置型钢，型钢分担很大一部分荷载，用钢量大，但可减小柱的断面和提高柱的刚度；在未浇灌混凝土前，柱的型钢骨架可以承受施工荷载和减少模板支撑用材。用钢管作外壳，内浇混凝土的钢管混凝土柱，是劲性钢筋柱的另一种形式。
一、常见柱质量通病原因分析
（一）混凝土强度偏低，匀质性差，低于同等级的混凝土梁板，主要原因是随意改变配合比，水灰比大，坍落度大；搅拌不充分均匀；振捣不均匀；过早拆模，养护不到位，早期脱水表面疏松。
（二）混凝土柱“软顶”现象，柱顶部砂浆多，石子少，表面疏松、裂缝。其主要原因是：混凝土水灰比大，坍落度大，浇捣速度快，未分层排除水分，到顶层未排除水分并第二次浇捣。
（三）混凝土的蜂窝、孔洞。主要原因是配合比不正确；一次下料过多，振捣不密实；位分层浇筑，混凝土离析，模板孔隙位堵好，或模板支撑不牢固，振捣时，模板移位漏浆。
（四）混凝土露筋，主要原因是混凝土浇筑振捣时，钢筋的垫块移位，或垫块太少，甚至漏放，钢筋紧贴模板致使拆模后露筋；钢筋混凝土结构截面较小，钢筋偏位过密，大石子卡在钢筋上，水泥浆不能充满钢筋周围，产生露筋；因混凝土配合比不准确，浇筑方法不当，混凝土产生离析；浇捣部位缺浆或模板严重漏浆，造成露筋；本模板湿润不够，混凝土表面失水过多，或拆模时混凝土缺棱掉角，造成露筋。
（五）混凝土麻面，缺棱掉角。主要原因是模板表面粗糙或清理不干净；浇筑混凝土前木模板未湿或湿润不够；养护不好；混凝土振捣不密实；过早拆模，受外力撞击或保护不好，棱角被碰掉。
二、可采取的控制措施
（一）混凝土强度偏低，匀质性差的主要控制措施
1、确保混凝土原材料质量，对进场材料必须按质量标准进行检查验收，并按规定进行抽样复试。
2、严格控制混凝土配合比，保证计量准确，按试验室确定的配合比及调整施工配合比，正确控制加水量及外加剂掺量。加大对施工人员宣传教育力度，强调混凝土柱结构规范操作的重要性，改变其认为柱子混凝土水灰比大，易操作易密实的错误观念。
3、混凝土应拌合充分均匀，混凝土坍落度值可以较梁板混凝土小一些，宜掺减水剂，增加混凝土的和易性，减少用水量。（二）混凝土柱“软顶”的主要控制措施
1、严格控制混凝土配合比，要求水灰比、坍落度不要太大，以减少泌水现象。
2、掺减水剂，减少用水量，增加混凝土的和易性。
3、合理安排好浇筑混凝土柱的次序，适当放慢混凝土的浇筑速度，混凝土浇筑至柱顶时应二次浇捣并排除其水分和抹面。
4、连续浇筑高度较大的柱时，应分段浇筑，分层减水，尤其是商品混凝土。
（三）混凝土柱蜂窝孔洞的主要控制措施
1、混凝土搅拌时，应严格控制材料的配合比，经常检查，保证材料计量准确。
2、混凝土应拌合充分均匀，宜采用减水剂。
3、模板缝隙拼接严密，柱底模四周缝隙应用双面胶带密封，防止漏浆。
4、浇筑时柱底部应先填100厚左右的同柱混凝土级配一样的水泥沙浆。
5、控制好下料，保证混凝土浇筑时不产生离析，混凝土自由倾落高度不应超过2m。
6、混凝土应分层振捣，在钢筋密集处，可采用人工振捣与机械振捣相结合的办法、严防漏振。
7、防止砂石中混有粘土块等杂物。
8、浇筑时应经常观察模板、支架墙缝等情况，若有异常，应停止浇筑，并应在混凝土凝结前修整完毕。
（四）混凝土露筋的主要控制措施
1、混凝土浇筑前，应检查钢筋和保护层厚度是否准确，发现问题及时修整。
2、混凝土截面较小，钢筋较密集时，应选配适当的石子。
3、为了保证混凝土保护层厚度，必须注意固定好填块，垫块间距不宜过稀。
4、为了防止钢筋移位，严禁振捣棒撞击钢筋，保护层混凝土要振捣密实。
5、混凝土浇筑前，应用清水将模板充分湿润，并认真填好缝隙。
6、混凝土也要充分养护、不宜过早拆除。
（五）混凝土麻面缺棱掉角的主要控制措施
1、模板面清理干净，不得粘有干硬水泥沙浆等杂物。
2、板模在混凝土浇筑前应充分湿润，混凝土浇筑后应认真浇水养护。
3、混凝土必须按操作规程分层均匀振捣密实，严防漏浆。
4、拆除柱模板时，混凝土也具有足够的强度；拆模时不能用力过猛、过急，注意保护棱角。
5、加强成品保护，对于处在人多运料等通道时，混凝土阳角要采取相应的保护措施。
三、有关钢筋混凝土结构的加固问题
钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注。美国学者用“五倍定律”形象地说明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。除了耐久性外，还有施工质量问题，许多新建的建筑工程也存在较严重的工程质量问题和质量事故，这些建筑的加固在整个加固工作中，也占有相当大的比例。
对老化或有病害的钢筋混凝土结构进行加固是提高其耐久性、延长其使用寿命较有效的办法，其主要方法有以下几种：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、增设支撑加固法、粘钢加固法、托梁拔柱技术、增设支撑体系及剪力墙加固法、增设拉结连系加固法、裂缝修补技术等。
Abstract： Due to steel housing with a high technological content， construction and installation cost is higher than other classes corresponding housing. However， considered in conjunction occupancy， land use efficiency and other factors； steel residential genus worthy new residential architecture. Based on the high-rise steel residential architecture in what a useful research and exploration， considering in the calculation process seismic loads and wind loads， research for the promotion of development and improvement of steel housing has a guiding significance and reference value.
关键词：高层钢结构住宅；结构计算及分析；地震荷载；风荷载
Key words： high-rise steel residential；structure calculation and analysis；seismic load；wind load
中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0131-03
0 引言
钢框架结构与混凝土框架结构相比，有很多不同之处。一方面钢材比混凝土材质更为均匀、各方向的力学性能几乎一样，这些有利于结构的分析计算；另一方面，钢材强度较高，在相同承载力下钢构件的截面可以减小很多。这是钢结构的一个优点，但同时也产生一些问题：构件截面的抗弯刚度EI、抗扭刚度GIt、抗翘曲刚度EIw均小于混凝土构件的各个刚度值。刚度小就意味着抗变形的能力比较差，容易产生较大的变形。[1-5]
1 荷载效应的计算
我国《钢结构设计规范》对框架结构的内力计算作规定，但公式只限于弹性分析，而且一般采用一阶弹性分析。由于钢框架结构P-Δ效应较大，采用一阶弹性分析显得保守，这时宜采用二阶分析。国内外学者对钢框架结构二阶效应进行了研究，比较成熟的分析方法有两种：塑性区法和塑性铰法。这两种方法都对材料进入塑性阶段给出了研究结果。但由于计算工作量大，难于在实际结构设计中推广。
本文按照我国钢结构设计规范（GB50017-2014）中的设计方法，通过PKPM软件，对常用的钢结构体系进行分析，从而找出结构性能比最好的结构体系。[1-2]
2 PKPM计算分析
2.1 结构模型
现以昆明某小区12层钢结构住宅为背景，建筑方案为：（高层）地下1层，地上12层，出屋面楼梯、电梯间1层；层高为地下3.6m，地上12层每层均为2.9m，出屋面4.1m；室内外高差：0.45m；地上结构总高度：0.45+2.9×12=35.25m；结构方案为：楼板采用现浇混凝土平板，预应力槽形叠合板，楼面预留70mm建筑做法，轻骨料混凝土填充；主体结构材料为钢材：Q235；混凝土强度等级：钢管混凝土柱C40，其他C30；钢筋：HPB300级、HRB400级。基础采用钢筋混凝土桩基础；填充墙采用200mm厚加气混凝土砌块。抗震设防烈度分别考虑7度和8度，设计基本加速度值为0.10g和0.20g，设计地震分组为第二组，场地土特征周期值选取0.40s。
结构类型分别考虑钢框架-支撑结构和钢框架-混凝土筒体结构两种，结构平面布置如图1和图2所示，其三维模型如图3和图4所示。柱子采用方钢管柱和钢管混凝土柱两种类型。
2.2 计算结果比较
通过PKPM计算，将两种结构计算结果进行比较，期中用钢量对比如表1所示，层间位移角对比如表2所示，应力比对比如表3所示。
通过以上分析可以看出，无论是7度设防区还是8度设防区，采用钢管混凝土柱的结构用钢量少，在水平荷载作用下的层间侧移也比较小。说明钢管混凝土柱的使用效果更好，在高层钢结构中表现更好。此外，从应力比对比结果来看，钢框架-混凝土筒体结构各类构件的应力比比较高，说明构件的承载力更能够充分发挥。
3 结论
本文对高层钢结构常用的结构体系进行了分析与对比。从分析结果可以得出以下结论：
3.1 用钢量
无论是钢框架-支撑结构还是钢框架-混凝土筒体结构，采用钢管混凝土柱的用钢量都比较小。7度时两种结构的用钢量比为1：0.96，8度时两种结构的用钢量比为1：0.92，两种结构的用钢量相当。若是考虑经济性，在结构中采用钢管混凝土柱可以大大降低成本。
3.2 抗侧移性能
7度、8度时，两种结构类型都可以满足水平侧移要求，钢框架-混凝土筒体结构更优。两者的侧移不仅满足了规范规定的限值，而且满足了住宅精装修的要求。
3.3 安全性能
钢框架-支撑结构和钢框架-混凝土筒体结构都能满足安全性能的要求，两种结构的构件应力比都比较大，构件的承载力能够充分发挥。
综上所述：钢管混凝土柱的受力性能要强于方钢管柱，在8度区，用钢梁比后者少了8%左右，优势相当的明显。对于钢框架-混凝土筒体结构，在两个方向上筒体都属于强支撑体系，所以安全性能全面高于其他结构类型。
参考文献：
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关键词：钢管混凝土；抗火；设计方法；国外新趋势
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我们进入21世纪以来，钢管混凝土已被大家熟知。这种具有良好性能的新技术颇受广大学者以及工程师们的喜爱。
1 钢管混凝土柱的优点：
⑴承载能力高钢管混凝土柱轴心受压时，混凝土外层钢管对其产生紧箍效应，其内部核心混凝土的强度有很大提高，钢管也发挥了自身的强度作用，所以柱的抗压承载力高。
⑵良好的塑性及韧性如采用单一的混凝土柱进行受压，常属于脆性破坏，而钢管混凝土的管内混凝土受钢管的约束作用，使混凝土的弹性工作段增大，且破坏时有很大的塑性变形，而且这种构件在水平荷载的反复作用下显示出良好的延性。
⑶工程耐腐蚀性优于纯钢结构钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。
⑷工程造价降低，建筑物的使用面积增大由于钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，同时用于防腐的费用减少，因此相应降低地基基础、 主体等多项分部的工程造价。除此之外,因为钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱要减少 60 %以上，截面尺寸也比钢柱小，所以扩大了建筑物的使用空间和面积。
2抗火研究内容
在我国从20世纪80年代后期，钢管混凝土的应用就进入了高层领域，在实际的应用中更是发现了上述的优点，所以发展十分迅速。高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所重视，越来越显示出它在高层和超高层建筑中的优势。由于高层结构的抗火问题一直是受到关注的，所以高层建筑钢管混凝土的抗火问题就值得研究。以下介绍抗火研究的内容。
2.1材料特性的研究
钢管混凝土所用材料无非是钢与混凝土这两类材料，与抗火有关的材料特性主要包括弹性模量、强度（屈服强度、极限强度）、应力—应变本构关系及热传导系数、热膨胀系数、密度和比热等热工参数。因此确定钢和混凝土的高温性能（物理特性和力学性能）是解决火灾下钢结构的结构性能问题的必要条件。
2.2单个构件抗火性能研究
由于钢结构抗火较混凝土结构差，所以主要对钢结构抗火性能进行理论和试验研究，早期主要是以单个构件为研究对象。钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析，采用高温下的结构材料特性进行，研究对象包括钢梁、钢柱、节点等。目前国内外研究者基本都采用数值模拟分析钢构件在火灾中的反应，结果表明：热膨胀是影响钢构件抗火性能的一个重要因素之一，其影响的大小与构件两端的约束条件有关系，对应钢梁，梁端铰接的梁耐火时间最长。
2.3结构整体抗火性能研究
钢结构的材料性能随火灾升温发生非线性变化，另外在温度内力，材料几何非线性，应力非线性等的影响下，使得火灾下整体钢结构的全过程分析很困难。但是要进行整体结构的抗火设计，就必须进行结构整体火灾反应分析，近期主要利用成熟的商业有限元软件包（ANSYS、ABAQUS等）进行数值模拟。
3结构抗火设计的方法
目前通常采用的结构抗火设计方法主要有三种：
3.1 基于试验的结构抗火设计方法
这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件在标准升温条件和规定荷载分布下的耐火试验，确定在采取不同的防火措施后构件的耐火极限。建筑物的耐火等级大小、构件在建筑物中所处的位置以及构件的重要性决定了构件所需的耐火极限大小。最后设计构件的截面尺寸，根据试验所确定的构件实际耐火极限大小来校核，若不满足耐火极限要求，则需重新设计构件，直至满足耐火极限要求。我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》采用的就是这种设计方法。这种抗火设计方法的优点是简单直观，便于应用。但试验费用昂贵，且缺乏理论性和合理性，不能从根本上考虑材料性能随温度的劣化过程，不能模拟结构的端部约束情况和各种荷载形式。
3.2 基于计算的结构抗火设计方法
随着理论基础和计算机技术的高速发展，己有可能实现结构抗火的数值计算。采用数值计算方法进行结构抗火研究可以更真实地模拟实际情况中结构的火灾力学性能。从20世纪70年代，国际上开始研究基于计算的结构抗火设计方法，这些方法可以考虑结构的真实受力和约束情况。目前，很多学者都开始采用基于计算的构件抗火设计方法，主要是经典算法和有限元计算方法。考虑构件的截面尺寸、受力形式与受力大小、构件的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论和结构理论通过分析确定构件的抗火能力，更符合客观实际，是对传统方法中结构抗火能力确定进行的改进方法。
3.3 性能化结构抗火设计方法
由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求；同时考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。
以上3种方法中基于试验的抗火设计方法基本上已不再使用，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的结构抗火设计
方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前抗火设计的整体发展趋势。性能化结构抗火设计方法考虑火灾随机性，目前研究和工程实践还很少，是新的研究课题。
4国外钢—混凝土结构抗火设计的新方法
国外抗火设计的一种趋势是以设计火灾的温度－时间曲线为基础的抗火设计。这种方法的关键是找出导致结构破坏的火灾效应的极限值，对于给定的受外荷载作用的构件，其火灾效应随不同火灾密度而变化。
国际标准化组织(ISO-834)建议的建筑构件抗火试验曲线，表达式如下：
式中：t为时间(min)； Tg为t时刻的温度；Tg（0）为初始温度。
加拿大国家标准曲线CAN4-S101如下：
式中t以小时计。
美国和加拿大采用的为ASTM-E119标准升温曲线，可近似地用下式表示：
欧洲规范采用的建筑室内火灾标准升温曲线为ISO-834标准升温曲线，同时欧洲规范对烃类可燃物火灾另建议了一条升温曲线为：
式中t以秒计。
下图为ISO-834、CAN4-S101、烃类可燃物火灾、ASTM-E119火灾升温曲线的对比示意图。
图一 四种标准升温曲线
5结语
该文简要介绍了一些钢管混凝土抗火研究所遇到的一些问题，希望以此可以为后来作进一步的抗火研究奠定一些基础。管内核心混凝土相对钢材具有较大的热容量, 能吸收大量的热量。所以在遭受火灾时, 外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 仍具有一定的承载力, 因而增加了钢管的耐火时间,相对传统钢结构可以大量节约防火涂料。所以说由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势，使这种结构还是具有较好的耐火性能。
参考文献
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【关键词】钢管RPC；实验制备；轴压短柱；受力性能
1、研究背景
RPC（活性粉末混凝土）是20世纪90年代由法国开发的一种新型的水泥基复合材料，它具有普通高强混凝土无法比拟的优越性能。主要表现为高强度、高韧性、高耐久性等。它的基本原理是： 通过减小原材料颗粒尺寸，采用合理的级配增加了材料的堆积密度，使混凝土的微裂缝和孔隙等缺陷最少化，就可以获得由其组成材料所决定的、最大的承载能力，并具有优异的耐久性。粉煤灰的掺入在一定程度上改善了RPC浆体的和易性，进一步增加了RPC 的密实程度，成本也有所降低， 更加适合我国工程的实际情况。
由于RPC 的超高强度，对其进行一般的配筋设计是困难而不经济的，虽然它的韧性较一般混凝土要好得多，但同钢材相比也还有较大的差距，因此也不宜独立用于荷载较大的结构构件。如何在工程中有效地使用这种新材料，钢管RPC（钢管活性粉末混凝土）作为一种新的结构形式，展现出了更好的工程实用性，其性能集合了钢管混凝土与活性粉末混凝土两者的优越性。鉴于以上背景，我们对钢管RPC 的制备和力学性能进行一个初步研究，虽然之前国内也有相关研究，但目前钢管RPC的运用一直尚处于开始阶段，因此仅就钢管RPC 的轴压短柱的极限抗压强度进行了研究。
2、实验材料、配合比及制备
1、实验材料
RPC实验原材料尽量选择现阶段工程运用较为广泛的材料，争取其制备和推广的实用性及经济性。
（1）水泥 湖南洞庭P.O42.5普通硅酸盐水泥；
（2）硅粉 上海埃凯微硅粉，SiO2含量89.56%，平均粒径在0.1～0.15 μ m，比表面积为18200/kg，密度2.21g/ cm3；
（3）粉煤灰 湖南大唐湘潭电厂Ⅰ级粉煤灰；
（4）砂 天然河砂，粒径0.3mm～0.6mm；
（5）减水剂 北京慕湖外加剂有限公司生产的高浓型萘系高效减水剂FDN，褐黄色粉末，主要成分为β-萘磺酸甲醛缩合物，掺量2%时，减水率20%以上。
（6）水 自来水
2、配合比及制备
在对RPC的研究中，我们采用三元胶凝体系（水泥-粉煤灰-硅灰体系）来确定配合比，在理论配合比的基础上，结合本地相关材料和未来施工工艺普遍化的需求，进行了多次配合比调整，最终确定的配合比为：
（1）水胶比（质量比） = 水/ （水泥+ 粉煤灰+ 硅粉） =0.18；
（2）砂灰比（质量比） = 砂/（水泥+ 粉煤灰） = 1.25；
（3）硅粉掺量（质量比） = 硅粉/（水泥+ 粉煤灰） = 0.2；
（4）粉煤灰掺量（质量比） = 粉煤灰/ （水泥+ 粉煤灰） =0.3。
根据以上配合比及与普通混凝土相同的养护条件和实验龄期，对三组尺寸为40mm×40mm×160mm的试件进行抗压强度实验，实验数据见表1所示。
根据实验数据表明，利用湖南省常见材料和普通混凝土的常规养护能成功配制出强度达C120以上的RPC，但因为原材料与养护条件等的制约，RPC的超高性能优势并没有充分发挥出来。
3、钢管RPC轴压短柱抗压强度实验
试件设计： 试件采用直径100mm，高度300mm、壁厚4mm的Q235 普通低碳钢钢管，数量为3根，先按上述配合比要求完成RPC的搅拌，然后浇筑于预先设计好的钢管内，用振动台振实，然后覆盖塑料膜防止水分流失，成型24小时后，进行常规养护。28天龄期达到后，在湖南城市学院结构实验室5000KN液压式压力机上进行轴压短柱抗压强度试验。同时在相同配合比相同材料相同环境下制备了3组立方体RPC试块。
为了准确地测量试件的应变，沿每个试件周边布设纵向4对电阻应变片，应变片数据分别通过静态电阻应变仪自动采集。试验采用分级加载，每级荷载为预估极限荷载的1/10，每级荷载持荷2～3 min，当达到极限荷载后，则采用慢速连续加载，以获得钢管RPC完整的荷载纵向应变曲线，试件的极限荷载是指试件的最大承载能力。
4、试验结果分析
本文试验结果表明：没有侧向约束的RPC试件在达到极限荷载时，都呈爆裂式脆性破坏。在钢管RPC中RPC经钢管约束后，整个组合试件不但承载力有较大的提高，延性也有很大的改善。从图1可以看出钢管RPC轴压短柱的受力性能可分为4个阶段：
第一阶段：弹性阶段（OA段），在此阶段荷载一纵向应变基本呈线性变化，钢管和RPC之间的相互作用较弱。
第二阶段：弹塑性阶段（AB段），在这一阶段，由于钢管进入弹塑性状态，弹性模量不断减小，而RPC在此时仍呈现线弹性状态，引起钢管和RPC之间的应力重分布，导致试件的荷载纵向应变关系曲线逐渐呈明显的非线性变化。但此阶段很短，约占极限荷载的5%～10%。
第三阶段：承载力下降段，这是在钢管活性粉末混凝土的承载力达到极限后钢管和核心活性粉末混凝土发生复杂相互作用的阶段。
第四阶段：强化阶段，此阶段钢管进入强化工作状态，试件的承载力呈现出回升的趋势，回升的幅度也同样取决于试件本身的套箍系数，套箍系数越大，回升的幅度也越大。
以上结果分析表明：钢管RPC短柱在轴心受压时，具有很好的弹性和弹塑性力学性能，破坏形式属于延性破坏。
5、结论
通过以上分析可以看出，在钢管RPC中RPC经钢管约束后，整个组合试件不但承载力有较大的提高，延性也有很大的改善，钢管RPC短柱在轴心受压时，具有很好的弹性和弹塑性力学性能。因此将这种材料应用于大型结构工程具有一定的前景，但如何在利用常规原材料，常规施工工艺及养护条件下，既达到钢管RPC的超高性能又能有它的广泛适用性和经济性等方面值得进一步的研究。
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[3]吴炎海 钢管活性混凝土轴压短柱受力性能试验研究 中国公路学报 2005.01
[4]冯建文 钢管活性粉末混凝土柱的力学性能研究 硕士学位论文 北京：清华大学 2008
【关键字】建筑混凝土，钢组合柱，施工技术，控制要点
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
建筑行业关系到国计民生，其质量的好坏将直接影响到整个行业的健康发展，伴随着我国建筑行业的快速发展，施工工艺也在不断的完善，建筑混凝土型钢组合柱是现代建筑行业中采用最多的建筑结构体系之一。在建筑结构体系中，建筑混凝土型钢组合柱是运用最为普遍的一种，其结构的梁柱节点是整个主体建筑结构中的关键和核心部分，一般而言，当一些自然灾害或者还是地质灾害来临时候，建筑主体发生一些破坏或者是损害的时候，多半是发生在梁柱节点部位，对于结构梁柱节点的破坏一般都是指剪切破坏和钢筋的锚固发生了破坏，当这种破坏程度达到所能够承受的极限时候，很可能造成整个主体建筑的坍塌，从而引起严重的建筑质量问题和人身安全事故，不仅仅很大程度的造成了整个建筑工程的资源浪费，也对相关人员的生命财产安全造成严重的损害，破坏了社会的和谐，因而，加强对建筑混凝土型钢组合柱施工技术的分析，对保证混凝土型钢组合柱的施工质量，保证整个建筑工程的整体稳定性，有着深远的影响。
二．工程概况
该建筑位于市中心城区，由主楼和裙楼两部分组成。地下一层，裙楼地上5 层，主楼地上 15 层，建筑高度 64.85 m，总面积 达2 万多平方米，结构形式为框架剪力墙结构。
该建筑从基础至七层楼面通长设置型钢混凝土组合柱，共计 7 根，分层安装施工。钢柱的地下部分由于层高 5.7 m，分两次安装，地上部分每层楼面以上 1.3 m 安装 1 次，总高度 42.5 m。劲性钢柱形式为 H 型钢交叉焊接，即两根 H 型钢由腹板沿长度方向中心线切开后交叉焊接，形成腹板与 H 型钢交叉的钢柱，截面尺寸为 300 mm×700 mm，遇楼层与梁相交处根据设计增加钢牛腿。梁柱节点处梁内 8 根钢筋打孔穿过型钢柱，部分钢筋从牛腿上下两方向穿过，剩余钢筋锚固在钢柱中。
三．施工技术
1．制作劲性钢柱
根据建筑物特点，在建筑的每一层分别制作劲性钢柱，具体操作方法是：根据建筑的楼层高度，以每一六层高度为一个施工段，来制作劲性钢柱。但是由于现场实际施工操作和检查，因此在每层楼板板面以上 1.3 m 处安置钢柱接头，这样就为施工人员留置了很大的工作空间，同时，还要对各个工序严格进行控制，保证钢柱的质量。
在16Mn 钢板进厂时，需要检查是否具有合格证、检验报告等这些质量标志，同时还需要对材料进行复查，直到全部材料合格以后，才能进行加工。在制作钢柱时，一般都是用切割机将钢板进行切割，切割以后，还要保证钢板的平直，对其进行矫正，使局部挠曲矢高控制在1.0m 范围内。焊接在劲性钢的制作过程中是十分重要的环节，通常采用的是交叉对称焊接的方式进行。同时，钢柱的长焊缝质量必须达到 GB 50205－2001 B 级标准。
2．钢柱的安装技术
（一）在加工好的型钢柱四面弹出中心线，提前在钢柱的安装位置测量好安装边线并引出两条交叉的控制轴线。用塔吊进行型钢柱的安装，同时必须要有专人进行指挥起吊安装，在起吊之前，还要检查索具是否完好符合安全要求，这样才能开始安装。起吊后，要慢慢将钢柱吊装到位，对准安装控制线下落，初步就位。施工人员还要根据控制线用工具对钢柱根部的位置进行调整，从而将钢柱调整到准确的位置，接着在上层楼板处将钢柱进行固定，再确保钢柱的位置正确并且安装固定后才能脱勾。
（二）钢柱就位后，在引出十字交叉的两条控制轴线上架设经纬仪进行型钢柱的就位调整，使柱上弹出的中线与经纬仪的竖丝重合。按中线的垂直度，塔吊起吊就位后，人工用撬棍调节对钢柱进行校正，就位后垂直度偏差≤2 mm。
（三）经过测量确认钢柱的安装位置和垂直度符合要求后，就要在钢柱底部四周作点焊临时固定，接着要再次检查钢柱轴线的位置及垂直度，确认正确后才能进行下一步。
（四）为了使钢柱在焊接的时候不发生变形，在将钢柱的临时焊点固定后，用两根 d48 mm 钢管作拉杆在柱端两侧翼板上焊接，使其连成整体。
3．中间节的安装技术
安装劲性钢柱时，必须要在每层楼板的混凝土浇筑完成，并且在适当进行养护具备一定条件后方可进行， 在安装过程中，要对钢柱的位置和垂直度进行不断的调整。在施工中自行设计安装的调节锚栓就起了很大的作用，另外利用焊接收缩来调整其垂直偏差。在将劲性钢柱吊装就位后，先进行点焊临时连接，接着就观察并纠正其垂直度差，最后就要观察并纠正因焊接收缩而导致的垂直度差。同时为了使安装上层劲性钢柱垂直偏差积累不超过允许值而影响到整个结构，可以对劲性钢柱的下部进行校正准确，还应该讲上部的安装垂直中心线对准。
4．钢筋施工技术
楼层梁柱节点处梁设计为 1100mm×500mm 的宽扁梁，梁配筋较多，要求梁部分钢筋要从钢柱中打孔穿过，部分钢筋焊接在 H 型钢牛腿上，部分钢筋从 H 型钢牛腿上下方向穿过。
该节点处施工工艺复杂，施工难度大，因此，控制好钢柱的标高和轴线的位置是节点处的施工的前提条件。根据施工经验，为了使钢筋在牛腿上的焊接质量符合要求，在安装完钢柱后，根据设计和施工的规范在钢牛腿上焊接同规格的连接钢筋，接着用直螺纹套筒连接相邻跨的梁钢筋。
5．模板与混凝土施工技术
（一）模板施工技术
柱模选用竹胶模板，每侧柱面模板加工成整块950mm 宽，高度为层高一梁高。由于型钢混凝土柱在浇筑过程中发生“跑模”很难处理，因此模板外柱箍采用槽钢固定，用双螺帽固定紧死，避免了浇筑过程中“跑模”的发生，提高了混凝土的外观质量。
（二）混凝土施工技术
型钢混凝土柱的混凝土设计等级为 C50，属高强混凝土，因此在施工中必须严格管理。施工时派专人进驻混凝土生产站，严格监督按实验室给定配合比进行下料，以保证拌制的同时满足强度要求。
由于型钢混凝土柱对混凝土流动性的要求高，选择运输距离短的混凝土拌制站，容易确保混凝土的施工质量。施工时试验人员应对进场的每罐混凝土进行塌落度检测，达到要求后方可用于施工。
四．结束语
建筑混凝土型钢组合柱是我国建筑行业最主要的建筑结构体系之一，其独特的施工工艺使得质量控制需要规范性操作，在施工过程中，由于施工人员的专业技术水平的限制和各种原料质量的影响，使得整个建筑混凝土型钢组合柱的施工质量控制起来更为艰难，因而，经常会遇到由于建筑混凝土和钢组合柱的强度不同而产生各种问题，不仅仅使得一些施工工艺难以得到全面的贯彻落实，也造成了很多浪费，因此，在进行建筑混凝土施工过程中，要严格执行各种技术标准，规范操作，保证工程质量，促进整个建筑行业的快速健康发展。
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