1、 南昌大学研究生 20152016 学年第二学期期末读书报告课程名称： 混凝结构理论与应用 专业： 建筑与土木工程 学生姓名： 李海 学号： 4160146150 学 院： 建筑工程学院 得分： 任课教师： 熊进刚 时间： 2016 年 6 月 参考选题范围1. 钢筋混凝土非线性有限元研究新进展2钢筋混凝土构件非线性有限元分析3钢筋混凝土框架非线性有限元分析4钢筋混凝土剪力墙结构有限元分析5混凝土抗震结构非线性有限元分析6钢筋混凝土组合构件非线性有限元分析7常用软件在钢筋混凝土非线性有限元分析中的应用（特点、优势、不足）考核要求1可在上述 7 个选题范围中任选一个，也可另选其它。注意，上述为选
2、题范围，并非具体的读书报告题目，读书报告题目由自己确定，忌大、忌空，内容要比较具体，避免一般性、概述性。2必须独立完成。3读书报告中要有自己的观点和评述，不能仅是对文献的简单罗列或编辑。4报告格式按南昌大学学报 （工科版） ，要有中英文题目、中英文摘要及参考文献，且参考文献不少于 10 篇。5报告篇幅 50008000 字。钢管混凝土结构抗震性能研究摘 要: 介绍了钢管混凝土组合结构的特点，综述了国内外钢管混凝土结构的抗震性能的研究现状; 分析了其存在的问题和实用价值，展望了钢管混凝土结构发展趋势和应用前景; 指出了进一步研究的方向。关键词: 组合结构; 钢管混凝土结构; 抗震性能; 工程应用
3、Abstract:This paper presents the characteristics of steel concrete composite structures, review the status of research on seismic behavior of domestic and foreign steel concrete structure; analyzes the problems and practical value, the prospect of the development trend of steel and concrete structur
4、es prospects; points out further research direction.Keywords:composite structure; steel concrete structure; seismic performance; engineering applications钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土和钢管结构的基础上演变和发展起来的，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用
5、，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥。钢管混凝土组合结构的优势主要表现在: 承载力高、塑性和韧性好、经济效果好、施工方便、耐火性能较好。钢管混凝土结构早在 19 世纪 80 年代就出现了，到目前为止，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已经有百年历史。由于钢管混凝土具有优越的力学性能和良好的经济效益，一开始便受到世界各国土木工程界的重视，并争先恐后开发利用。1879 年，英国最早将钢管混凝土杆件用于 Severn 铁路桥的桥墩，在钢管内填混凝土以承受
6、轴向压力，并防止钢管内部锈蚀。1897 年，美国人 JOHN LALLY 提出在钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，并获得专利 【1】 。我国从 1959 年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用，1963 年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。改革开放后，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构技术在我国的高层建筑、地铁车站和大跨度桥梁等工程中得到了广泛应用，有力地推动了上述领域营造技术的发展，取得了令人瞩目的成就 【2】 。2008 年汶川地震中，钢管混凝土建筑显示了优越的抗震性能，钢管混凝土的研究成为热门课题之一。1 钢管混凝土的特点混凝土的抗压强度高，但抗弯能力差，而钢材，特别是型钢
7、的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中( 如厂房和高层) 。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面:1) 承载 力 高、延 性 好，抗 震 性 能 优 越。钢 管 混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混
8、凝土的抗压强度; 钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。2) 施工方便，工期大大缩短。钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响; 由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实; 钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。3) 耐腐蚀性能优于钢 结构。钢 管中 浇 注
9、 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。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。就目前实际应用而言，由于受力性能的优越性，圆钢管比方钢管混凝土应用更为广泛。2 钢管混凝土构件抗震性能国外对圆钢管混凝土构件抗震性能研
10、究较早，在日本，1923 年关东大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏并不明显，在以后的建筑中尤其是高( 多) 层建筑中，钢管混凝土得到大量应用。1991 年 Ichinohe 等 对 圆 钢 管 高 强 混 凝 土 柱 进行了拟静力试验，试验结果表明: 局部屈曲后柱的承载力并不降低，有足够的变形能力，抗震性能很好。1991 年 Yamakawa【3】 等通过拟静力试验研究圆钢管配筋混凝土短柱的承载能力、延性和耗能能力，但由于纵筋较多，钢管与混凝土之间约束效应变小，导致滞回曲线有一定的捏缩，另外配筋还造成了钢材浪费，并增加了施工的难度。1998 年 Park，s. M【4】 等对钢管内
11、表面有栓钉的圆钢管配筋混凝土柱进行了拟静力试验，由于栓钉和箍筋的存在，柱发生局部屈曲后承载力并未下降，延性和耗能能力明显提高阻。在国内，钟善桐、韩林海、张素梅等 【5】对圆钢管混凝土柱的压、弯、剪受力性能进行了试验研究，较全面地分析了圆钢管混凝土柱的延性、耗能和破坏性能。1998 年闫维波 【6】 等对钢管混凝土压弯构件滞回性能进行了研究，提出往复应力状态下高强混凝土和应力应变关系模型，利用数值方法计算出钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的弯矩一曲率关系曲线及 P 曲线。在此基础上，分析了影响弯矩，曲率滞回关系曲线和 P 恢复力模型，以及模型中各参数、位移延性系数、耗能比和耗能等参数的简化计算
12、公式。2008 年沈阳工业大学魏华等 【7】 通过对 6 组圆形钢管混凝土双肢框架柱在水平反复荷载作用下的试验，深入研究了圆钢管混凝土双肢框架柱的滞回性能、吸能性能和延性等抗震性能。分析了混凝土强度等主要实验参数对双肢框架柱抗震性能的影响。结果表明，钢管混凝土双肢框架柱具有良好的抗震性能，配置二重筋后会迸一步增强试验体的吸能性能、承载力及延性。2010 年东北石油大学张文福等 【8】 为获得钢管混凝土支撑的抗震性能，对 14 根圆钢管混凝土支撑试件开展滞回性能数值仿真，主要参数包括混凝土强度、钢材屈服强度、长细比和含钢率等; 通过获得的试件轴力一位移滞回曲线，得到试件的骨架曲线，分析混凝土抗主
13、要参数对荷载一位移骨架曲线的影响，基于滞回曲线，对试件的位移延性、耗能能力和单位体积耗能进行探讨。结果表明: 随混凝土强度、钢材屈服强度和长细比的增加，位移延性、耗能能力和单位体积耗能能力逐渐减小; 随着含钢率的增加，构件的位移延性、耗能能力减小，单位体积耗能能力逐渐增加。2. 2 方钢管混凝土构件抗震性能方钢管混凝土四角处混凝土沿对角线受压，随着轴压比的增大，边中混凝土方钢管混凝土所受约束越来越小，甚至出现与钢管壁剥离。方钢管混凝土的约束作用不如圆钢管混凝土明显从而导致同样条件下其构件强度比圆钢管混凝土稍差。天津大学王铁成教授对一榀三层两跨方钢管混凝土组合框架进行了抗震性能试验，结果证明该框
14、架模型的荷载一位移滞回曲线非常饱满从而说明方钢管混凝土结构具有优越的抗震性能。多层住宅采用方钢管混凝土结构，与砖混结构和轻钢结构相比，施工比砖混结构快，造价比轻钢结构低，具有明显的经济效益。方钢管混凝土结构用在多层住宅是一个发展方向，它有很多优点，会产生较大的经济和社会效益。1981 年，Sakino 【9】 等进行了方钢管混凝土柱的拟静力试验，分析了试验参数对构件抗震性能的影响 Tomii【10】 等通过拟静力试验研究方钢管配筋混凝土短柱的延性和耗能能力。Matsui C【11】 等对钢管内壁有凸肋的方钢管混凝土柱进行了拟静力试验，试验结果表明: 内凸肋提高了钢管与混凝土之间的约束效应，延性
15、和耗能能力明显好于没有内凸肋的方钢管混凝土柱。Okamoto 【12】 对离心法预制的高强混凝土矩形钢管混凝土柱进行了拟静力试验，柱的滞回曲线呈纺锤形，延性很好。Nakanishi 【13】 通过拟静力试验研究在静载或地震荷载作用下己破坏方钢管混凝土柱的极限强度、剐度和延性，试验获得的水平力与水平位移滞回曲线仍很饱满，极限强度和延性好于相同截面的钢管。Sun14 【14】 对高轴压比的方钢管套箍钢筋混凝土柱进行了拟静力试验，试验中钢管不直接承受纵向荷载，只对核心混凝土起约束作用，试验结果表明; 即使在高轴压比情况下，这种柱仍然具有良好的的延性，没有剪切破坏和粘结破坏现象发生。吕西林、陆伟东 【
16、15】对 12 根承受常轴力和反复水平荷载作用的方钢管混凝土柱试件进行了试验，研究了不同试验参数，如宽厚比、轴压比和内填混凝土强度对试件抗震性能的影响。试验结果表明，方钢管混凝土具有良好的荷载位移滞回性能和抗局部屈曲的能力以及比普通钢筋混凝土柱更好的耗能能力和更小的强度退化。通过编写的计算程序，对方钢管混凝土柱的荷载一变形全过程进行了分析，计算得到的弯矩一轴力一曲率关系和荷载，位移关系与试验结果吻合较好。在空钢管中填充混凝土可以避免或延缓钢管过早地发生局部屈曲、可以有效地提高构件的延性，从而增强构件的抗震性能。华侨大学罗漪、徐玉野等 【16】 采用三维有限元法，分析了方钢管混凝土柱在竖向及水平
17、荷载联合作用下的抗侧力 位移关系，轴压比、钢板宽厚比以及内填混凝土抗压强度对方钢管混凝土柱抗震性能的影响，通过试验证了有限元分析的结果。同济大学李黎明等 【17】 通过低周反复加载试验研究方钢管混凝土柱的抗震性能，分析了其在水平地震作用下的承载能力、变形能力、刚度退化、耗能能力以及结构的破坏机制，为进一步的理论分析提供参考。同时研究了含钢率、长细比和轴压比对方钢管混凝土柱延性的影响。结果表明，对其影响最大的为长细比，其次是轴压比，再次是含钢率。韩林海等研究了火灾后钢管混凝土结构的抗震性能，对于合理进行该类结构火灾后的修复具有重要意义。通过对 6 个 IS0 834 标准火灾作用后方钢管混凝土构
18、件进行往复荷载作用下的荷载一变形滞回性能试验，探讨火灾作用后方钢管混凝土荷载一变形滞回曲线的特点以及刚度退化规律，并对火灾作用后方钢管混凝土压弯构件极限承载力和抗弯刚度计算方法进行了讨论。该试验结果可为钢管混凝土结构火灾后的抗震修复加固研究提供参考。3 钢管混凝土框架结构抗震性能3. 1 圆钢管混凝土框架结构抗震性能1998 年、张文 福 18 对钢管混凝土单层单跨框架动力性能进行了试验研究。试验设计了 8 榀框架，其中 6 榀框架由圆钢管混凝土柱和工字钢梁组成，2 榀框架由圆钢管混凝土柱和方钢管梁组成。试验表明，钢管混凝土单层框架破坏时梁端和柱脚均出现塑性铰，柱子属于压弯型破坏; 试件的侧向
19、力和位移的滞回环很饱满，刚度退化缓慢; 其耗能比随柱轴压比、长细比的增大而增大，轴压比较大时，对耗能比的影响更显著。同时，经分析研究认为，钢管混凝土框架具有很高的承载能力和非常好的延性，在地震作用下可以抵抗较大的变形以至于不会倒塌。福州大学林东欣等 19 通过对两层圆钢管混凝土组合框架模型的拟动力地震反应试验，研究这类新型结构体系在地震荷载作用下的动力反应和受力性能 . 试验表明，钢管混凝土组合框架结构具有良好的抗震能力。李斌 20 等对 2 榀具有同一外形尺寸和用料的钢管混凝土单层单跨框架进行了试验测试，研究了该类型结构的破坏形态、变形特点、荷载一位移滞回模型和结构耗能比，分析了钢管混凝土框
20、架的受力性能及抗震性能。试件模型采用钢管混凝土柱和工字型钢梁组成的框架，柱为 219 8 的无缝钢管。钢管内填 C30 混凝土。试验结果表明，2 榀框架均为弯曲型破坏，体现了强柱弱梁的设计方案。方钢管混凝土和圆钢管混凝土抗震性能对比研究思想;其荷载一位移曲线呈纺锤形，没有捏缩现象; 耗能比明显高于 RC 框架，增加 20% 30% ; 结构体系的骨架曲线无下降段，呈现出较好的变形和耗能能力。黄襄云 21 根据广州新中国大厦的结构特点静力试验结果结合地震振动台的平面尺寸喝承载力，设计制作了一个 5 层 2 跨的钢管混凝土柱单梁节点框架结构试验模型。模型节点与原型节点的比例为 1 8。输入地震波为
21、场地波、El Centro 波和天津波，加速度峰值分别为 8 度小震 0 1799，中震 0 3579，大震 0 7149。试验结果表明钢管混凝土柱框架结构的变形以剪切变形为主，层间位移角在第三层最大，结构整体抗震性能好。邹万山等 22 对一圆钢管混凝土框架结构模型进行模拟地震振动台试验研究 试验时输入 E1 一 Centro( NS) 波、武汉人工波及天津波 3 种地震波，分为 6 度、7 度区基本烈度地震的两阶段试验，考察了模型在各阶段试验的不同地震波作用下的地震响应，并分析得到了结构的层间滞回曲线 试验结果表明: 3 种不同频谱特性的地震波对模型结构加速度和位移反应分布曲线形状的影响很小
22、; 且通过加速度功率谱分析得到，框架各层绝对加速度反应主要取决于前两阶振型，三阶以上的高阶振型的影响很小; 整个试验过程中，模型结构始终处于弹性范围内，此类结构延性好，具有较好的抗震性能。 3. 2 方钢管混凝土框架结构抗震性能1985 年，Matsui 等对方钢管混凝土单层框架进行了拟静力试验，试验结果表明: 框架的滞回曲线饱满，没有明显的刚度退化现象，是非常好的抗震结构形式。Kawaguchi 等对方钢管混凝土单层门式框架进行了拟静力试验，根据试验曲线计算得到结构特征系数 Ds 值( 日本规范规定的结构特征系数越小抗震性能越好) 只是钢结构的一半左右，表明其抗震性能优于钢框架结构。清华大学
23、聂建国等 【23】 对一个 10 层方钢管混凝土框架结构进行了 push over 分析，为方钢管混凝土框架结构的抗震性能分析提供了参考数据。在此基础上与钢筋混凝土框架结构的 push over 分析结果进行了对比研究，从理论上比较了两种结构的动力特。武汉大学童菊仙等 【24】 在液压伺服振动台上对一单跨、两开间、五层方钢管混凝土框架结构进行了无支撑和有支撑模型地震反应试验。振动台输入 E1 Centre 波 ( Ns) 、天 津 波、武汉 人 工 波，并分 6 度和 7 度两级输入。在不同试验阶段，实测了三种地震波作用下有斜向支撑和无斜向支撑结构模型的加速度、水平位移和柱脚应力，并对实测数据
24、进行了分析。结果表明，钢管混凝土结构具有较高的承载力，塑性、韧性较好，而且斜向支撑有利于增强结构的整体刚度，使结构的水平位移减小，加速度变化平缓，有效分担水平地震作用力。天津大学齐建伟、王铁成等 【25】 研究了方钢管混凝土柱和钢梁的组合框架在低周反复水平荷载下的抗震性能。结果表明: 框架 P 一滞回曲线呈饱满的梭形，反映出具有很好的吸能能力。框架位移延性系数大于 4，其强度、刚度变形能力及耗能能力能够满足抗震要求。框架的极限位移较小 反映出方钢管混凝土框架抵抗水平外力的能力较强。试验后，方钢管基本保持方形 说明钢管对内部混凝土的约束作用较强 使混凝土处于三向应力状态下，不仅能够提高框架柱的承
25、载力 而且可以避免混凝土的脆性破坏王来 【26】 等设计了一个栋 3 层两跨的方钢管混凝土组合框架，通过在低周反复荷载作用下的模型试验，深入研究了方钢管混凝土组合框架的滞回性能、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。研究结果表明: 方钢管混凝土框架满足一般框架的抗震要求，其框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构。研究成果对于方钢管混凝土框架的工程应用具有重要的指导意义。4 存在的问题及今后的研究方向由于钢管混凝土良好的抗震性能，钢管混凝土结构在我国具有广阔的应用和发展前景。但在实际应用和实验研究中还存在一些不足之处，有待进一步改善。1)钢管混凝土是一种组合材料性质 更 为 多 样化，本构关系、
26、应力分布和各材料相互影响更加复杂，其各种力学性能的研究还不尽完善，精确数值模拟难度还比较大，国内外大部分理论都来自试验数值的回归分析，因而有必要对钢管混凝土性能进行更加系统的理论分析和试验研究，从力学的角度去建立钢管混凝土理论并通过试验对比验证。2) 研究圆钢管混凝土比较多，方钢管混凝土研究相对比较少。方钢管混凝土柱在高层框架一剪力墙整体结构中具有与圆钢管混凝土媲美的良好抗震性能，同时具有圆钢管混凝土所不具备的节点简单，施工方便的特点; 针对其轴向承载力不足的弱点，槽型横肋方钢管混凝土柱在不改变方形截面形式的前提下，比一般方钢管混凝土柱具有承载力高、抗震性能好的优点，因此在高层框架一剪力墙结构
27、中可以考虑方钢管混凝土柱的推广应用。3) 对钢管混凝土结构体系抗震性能的研究，主要集中在几层几跨的框架结构的伪静力试验研究方面，而对由钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁以及混凝土剪力墙组成的多高层结构的整体抗震性能还研究的不够，尤其是振动台试验，现阶段做的还不多。因此，应进一步开展这方面的研究工作，并在充分考虑结构空间作用的基础上，提供合理的钢管混凝土框架柱的抗震设计参数，便于在工程设计中应用。4) 抗震设计理论作为发展趋势已被普遍认同，但基于性能的抗震设计与抗震评估方法都需要通过理论分析、设计实践和实验研究加以完善，尤其是关于役结构抗震性态评估的研究还较少，还有许多问题需要深入研究。5
28、结语钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式，它突出的抗震性能以及其他良好的力学性能使之能够适应现代工程结构向大跨度、高耸和承受恶劣条件的需要，因而正被越来越广泛的应用在工业厂房、高层和超高层、拱桥和地下结构中。随着钢管混凝土各种性能特别是抗震性能研究的不断深入，钢管混凝土结构势必会在土木行业产生巨大的经济效益和建筑效果。参考文献:1 蔡绍怀 . 我国钢管混凝土结构技术的最新进展J 土木工程学报，1999，32( 4) : 16-202 辛江红，石明星 . 钢管混凝土系杆拱桥施工监控分析J 甘肃科技，2009，25( 23) : 138-1413 Yamakawa T. Sakino K，Yam
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