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钢管混凝土柱论文模板(10篇)
时间：2023-04-01 10:32:36
导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇钢管混凝土柱论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。
篇1
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。
篇2
0 引言：
随着建筑行业的发展，翼墙加固方法也引用到了建筑结构中，翼墙能够很好提高构件的抗侧移能力，放置在柱子的两侧或者一侧和柱子形成一个新的整体，共同承担荷载，增加了柱子的抗震性能[1]。在地震的作用下翼墙先于框架柱破坏，起到了很好的保护框架柱的作用，增大了整体结构的延性和耗能能力。
翼墙加固法具有加固效果非常的显著、施工方便、造价低等优点，本文在上述实验的基础上进一步考虑了影响钢管混凝土翼墙加固柱受力性能的几个参数。利用有限元软件ABAQUS通过对比分析法，得出参数对加固柱受力性能的影响。
1试件设计和材料力学性能
1.1试件设计
本文模拟中选取如下模型作为研究对象：混凝土柱尺寸为500×500mm，柱高为1.8m，纵向钢筋为12B16，箍筋为B8@ 200mm，底端加密箍筋为B8@100mm，两侧的翼墙为钢管混凝土，用钢套箍将钢管混凝土翼墙端部与钢筋混凝土柱固结在一起，其它部位无连接，钢套箍为高度为300mm，厚度为5mm。其中一个构件的截面如图5.1所示。
构件组的尺寸如表1所示。其中L（mm）表示钢筋混凝土柱的长，B（mm）表示钢筋混凝土柱的宽；l（mm）表示钢管混凝土翼墙的长度，b（mm）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。
1.2材料力学性能
本文混凝土采用 C30，纵向受力钢筋和箍筋均采用HRB335级钢材，钢管采用Q345的钢材。
2利用ABAQUS对加固柱进行模拟分析
2.1模型建立
在本模拟中，混凝土翼墙和混凝土柱以及钢管三个部件均用8节点线性减缩积分式单元（C3D8R），纵向钢筋和水平箍筋采用两节点线性减缩积分式三维桁架单元（T3D2）[3]。
2.2定义相互作用
为了能够很好的拟钢管和混凝土之间的相互作用，本文认为钢管和混凝土之间满足下面几个条件[4-5]：（1）钢管和混凝土不可相互侵入；（2）接触力的法向分量只能是压力；（3）接触面的切向存在摩擦。钢管单元为主面，混凝土单元为从面，钢管和混凝土之间允许小滑移，摩擦系数为0.6，法向设定为硬接触，允许主、从面分离。
2.3施加边界条件与荷载
结合工程实际我们取框架柱中反弯点到固定端的部分作为研究对象，所以本文模拟中模型一端为自由端，另一端为固定端。
3管混凝土翼墙加固柱模拟结果分析
本文利用ABAQUS软件对三组构件，共6个有限元模型分别进行低周反复荷载作用下的模拟，这三组构件分别采用了轴压比不同其余变量相同和翼缘长度不同其余变量相同的原则进行对比分析，现选出其中几组进行分析。
3.1轴压比对构件的影响
通过对构件进行模拟分析，分别提取了加固柱的滞回曲线和骨架曲线，钢管混凝土翼墙中钢管厚度为7mm时，轴压比分别为0.3、0.5的加固构件的滞回曲线、骨架曲线图所示。
如图可知滞回曲线的形状比较饱满，当n=0.3时，构件受到的最大荷载值Fmax=723KN；n=0.5时，Fmax=881KN；n=0.7时，Fmax=987KN；在加载后期，骨架曲线出现下降趋势；随着轴压比的增大，曲线的下降斜率也越大；
本文利用有限元软件ABAQUS对建立的6个加固模型进行了模拟分析，并提取了它们的滞回曲线和骨架曲线。对其曲线进行了整理和分析得到以下结论：
（1）利用有限元软件ABAQUS轴压比、为参数建立的6个钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱模型进行分析，从滞回曲线和骨架曲线上可知，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。
（2）通过对轴压比不同的几组加固构件的有限元模拟分析结果看出，随着轴压比的增加，加固柱的极限承载力增大。加载过程中随着加载位移的增大，钢管混凝土翼墙加固柱水平承载力有所下降，说明轴压比越大加固柱的延性越低。
参考文献
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作者简介：
篇3
题目:格构式钢管混凝土柱的耐火性能分析
课题来源：
研究人从事炼钢厂房，连铸厂房以及与钢铁行业相关的工艺平台，管道支架等的结构设计。在设计过程中经常遇见采用格构式钢管混凝土柱的工程；而一方面行业内对钢结构组合结构有防火要求，另一方面钢铁厂相比其他工业厂房更容易发生火灾，因此本研究拟以格构式钢管混凝土柱升温与降温受火性能研究为方向，考察破坏形态及其受火极限状态。
选题依据和背景情况：
钢管混凝土作为一种新型的组合结构，是在钢管内部填加混凝土材料而构成一种新型的构件。钢管混凝土一般简写为 CFST（concrete filled steel tubular），其横截面的布置各有不同，按照形状可以分为圆钢管、矩形钢管、和多边形钢管混凝土。 钢管混凝土构件中的两种组成材料在外荷载作用下发生相互作用，其中最主要的作用为钢管内部核心的混凝土受到来自外围钢管的套箍作用，而处于三向应力状态，使混凝土的强度、塑性等力学性能得到了提高。同时，混凝土的存在，又可避免或延缓钢管容易发生局部屈曲的特性，从而能够发挥钢材的材料强度。钢管混凝土构件具有比钢管和混凝土简单叠加后更高的抗压能力以及良好的塑性、韧性和抗震性能。 此外，钢管混凝土还有延性好，抗压强度高，比钢结构具有更好的抗火性能和更好的抗震性能。在施工中，外套钢管可起到模板的作用，便于直接浇筑混凝土，加快施工进度。综上所述，钢管混凝土构件中钢管和混凝土取长补短，使钢管混凝土构件具有强度高、耐疲劳、抗冲击、延性好、抗震、抗火和便于施工等良好性能
二、文献综述
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三、研究内容
四、研究基础
1．所需工程技术、研究条件
本科硕士阶段所学习的课程：钢结构基本原理与设计、组合结构设计、结构抗火设计、
篇4
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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0 引言
现浇钢筋混凝土柱是房屋结构中重要的承重构件之一。随着房屋抗震要求的提高和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。在对现场质量检查时发现，目前混凝土柱质量状况较混凝土梁板要差得多，一些混凝土质量通病在混凝土柱子上反映也比较集中。究其原因，柱模板的缺陷首当其冲。本文将在分析钢筋混凝土柱模板缺陷的基础上，探讨防治措施。
1 产生钢筋混凝土柱模板缺陷的原因
1.1 柱模板设置的夹箍间距过大或固定不牢，或者木模板的钉子被混凝土侧压力拔出，从而出现炸现象或柱身偏斜。
1.2 测量施工放样不认真，出现较大的误差，正式施工又未仔细校核，梁柱接头处未按大样图安装组合，结果会出现柱身偏斜和柱身扭曲等质量。
1.3 成排柱子在支模时，不进行统一拉线、不跟线、不找方，钢筋发生偏斜不纠正就支模板。
1.4 柱子模板未进行很好保护，支模前就已发生歪扭，未进行修整又用一新的工程，不仅形状不规矩，而且板缝不严密。
1.5 在柱模板安装固定时，两侧模板固定的松紧程度不同，或者在进行模板设计时，对柱的夹箍和穿螺栓设计不重视。
1.6 模板上有旧的混凝土残渣，在支模时未进行很好的清理，或拆模时间还早。
2 钢筋混凝土柱模板缺陷的防治措施
2.1 在成排柱子支模式前，首先应按照设计图纸进行测量放线，主要应放出排柱的纵向轴线、排柱的两纵向边线、各根柱子的横向轴线、各根柱子的横向边线，并将柱子进行找方。放线应当确保准确，不得出现超出规范的误差。
2.2 在柱子支模前，要对各根柱子的钢筋进行仔细校正，检查钢筋和钢箍的品种、直径、数量、形容、位置、间距、保护层、垂直度、标高、牢固度等，是否符合施工规范的要求，对于不符合者应进行纠正。
2.3 柱子底部应做成小方盘式的模板，或以钢筋、角钢焊成柱断面的外包框，以保证底部位置准确和牢固。
2.4 在成排柱模进行支模时，应先立两面三刀端的柱模，待校核垂直度与复核无误后，在柱模板的顶部拉通长直线，再立中间各根柱模。当柱子的间距不大时，柱间应用剪力撑及水平撑搭牢，当柱子的间距较大时，各根柱单独采用四面斜撑，以保证柱子位置准确。
2.5 当采用钢模板时，应当由下向上依次安装，模板之间用楔形插销插紧，在转角位置用连接角模将两模板连接，以保证角度的准确。
2.6 调节柱子模板每边的拉杆或顶杆上的花篮螺栓，校正模板的垂直度，拉杆或顶杆的支承点(钢筋环)要牢固可靠的与地面成不大于45夹角方向预埋在楼板混凝土内。
2.7 根据柱子的断面大小及高度，柱子模板外面每隔500~800mm应加设牢固的柱箍，必要时再增加对拉螺栓，防止出现烧模。
2.8 在模板组装前应将模板上的残渣剔除干净，模板的拼缝应符合规范规定，侧面模板要切实支撑牢靠。
2.9 柱子模板如用木料制作，拼缝处应刨光拼严，门子板应根据柱宽采用适当厚度，确保混凝土浇筑过程中不漏浆、不炸模、不产生局部外鼓。
2.10 对于高度较大的柱子，应在模板的中部一侧留设临时浇捣口，以便浇筑和振捣混凝土，当混凝土浇筑到临时浇捣口时，应将其封闭牢固。
2.11 如果采用的周转性模板，模板上的混凝土残渣应清理干净，在进行柱子模板拆除时，混凝土的强度应能保证其表面及棱角不受损伤。根据工程经验，在常温下应再湿养护14天后才可拆除模板。
2.12 为保证混凝土柱的表面质量和强度要注，不出现蜂窝麻面，要搞好混凝土的配合比设计，要满足混凝土拌合物的流动性，在浇筑后一定要加强振捣，在立模前应对模板涂刷隔离剂。
参考文献
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篇6
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
1.引言
钢筋混凝土是在19世纪中叶开始得到应用的，由于水泥和混凝土刚刚问世，同时设计计算理论尚未建立,所以发展比较缓慢。19世纪末,随着生产的发展,以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，钢筋混凝土在以后的两百年得到了飞速发展，各种形式的约束混凝土结构随之出现。人们对约束混凝土的研究始于20世纪30年代，并逐渐形成了钢管混凝土、碳纤维约束混凝土、钢筋约束混凝土三大体系。其中，钢筋约束混凝土的应用和研究最为广泛。曹新明教授提出了区域约束的概念[1]，以往的研究均是将构件截面作为整体进行约束，而且强调横向箍筋对混凝土的约束作用，其实约束混凝土中纵向钢筋与横向箍筋有着同等重要的作用；再者，尽管约束可以提高混凝土的强度和延性，但是构件在受力时并非所有的地方都需要有强约束，有效而经济的做法应该是在需要的地方施加有效约束。区域约束混凝土概念的提出，突破了传统思维模式，以一个全新的视角考察钢筋混凝土结构中各个组成成分的功能，通过调整纵向钢筋及横向箍筋的布置方式，改变了混凝土、纵向钢筋及箍筋的受力机理，并将区域约束与整体约束有机地结合，使钢筋与混凝土的结合更为紧密，充分发挥了各个组成部分的性能。
2.关于约束混凝土
（1）约束混凝土结构约束机理[1]
对于约束混凝土构件，在混凝土受压时,由于侧向压力的约束，限制内部微裂缝的发展，能极大地提高混凝土的抗压强度。工程上运用这一现象，把以受轴心压力为主的柱子做成钢管混凝土柱（钢板焊接成为筒状或直接用大直径钢管，内浇注混凝土）、侧向密排配置螺旋形或者环形箍筋柱。在混凝土构件受到轴心压力过程中，混凝土发生与轴压力相互垂直的横向变形，内部产生裂缝，此时的钢管或者密排环状箍筋就发生作用，向混凝土提供径向反作用力，紧紧地约束了混凝土的横向变形，从而限制内部微裂缝的发展，以达到提高混凝土的抗压强度和延性（发挥混凝土的塑性性能，得到良好的变形效果），我们通常称钢筋对混凝土的这种约束效果为有效约束：如矩形截面柱，普通配筋情况下的钢筋对混凝土的约束机理如图1所示。把箍筋与纵筋的连接点视为不动点，则虚线范围内为有效约束区域（拱作用）
图1矩形截面柱约束机理示意图
纵筋则可视为同时受轴向压力及弯矩的连续梁，共同为核心混凝土提供约束。当钢筋（纵筋及箍筋）配置达到一定水平后，可以有效提高核芯混凝土的强度及延性。
（2）区域约束混凝土结构特点
传统约束与区域约束：
传统矩形截面钢筋约束混凝土柱的箍筋形式主要有螺旋箍、井字箍、复合箍（图2）等，它们都是将整个截面进行约束，并在截面中心形成约束最强的约束核心。其纵筋主要分布在柱截面四边，当然这对柱体抗弯是很有效的。
图2 传统箍筋形式
区域约束混凝土旨在在最需要的地方设置约束钢筋。将约束钢筋集中布置在受压或剪压区，以便更有效提高该区域混凝土的强度及延性；并且以合理的方式布置约束钢筋。有效的约束是由混凝土、纵向钢筋及横向箍筋共同实现的，纵向钢筋的配置、横向箍筋的形态及配箍率、钢筋的强度与混凝土强度的比值都影响到约束的效果，因此，需要有合理的配置（图3）。
图3 区域约束箍筋形式
区域约束混凝土受力特点：
a.区域约束混凝土结构承载能力、强度比普通混凝土均有所提高，提高的幅度根据约束程度而定（图4）；
b.同等强度下，可以减小构件截面尺寸，减轻结构自重，从而获得更多的使用空间；由于截面减小，结构耗能略有降低，但是延性性能大幅度提高，更有利于结构抗震；
图4混凝土抗压强度与应变关系图
c.随着轴压比的提高，区域约束混凝土试件的刚度的提高略低于普通约束混凝土试件，这就使得区域约束混凝土构件在地震中耗能有所降低，安全储备相应提高；
d.在工程设计中，区域约束轴压比限值在满足配箍率的前提下，对于矩形截面柱可以比规范取值提高1.1倍，对于圆形截面柱可以比规范取值提高1.2倍[2] [3]。
3.区域约束混凝土结构的应用
区域约束混凝土定性描述了混凝土结构中各个组成成分的工作性能，箍筋的强度、混凝土的延性都得到了充分发挥，钢筋与混凝土的粘滞性及混凝土间的咬合力得到了实质改善，提高结构的承载力的同时不降低安全度。区域约束混凝土有了很强的耗能能力，可以大幅度地提高结构的抗震性能。因此当它用作多层及高层建筑中的柱子时，不仅可以减小柱子的截面尺寸，还可以扩大建筑的使用空间。并且在建筑上一改“肥梁、肥柱”的旧结构形式，使建筑更加美观，由于柱子截面的减小，必然会增加建筑的使用空间，减轻柱子自重，减少混凝土用量。这样将带来很大的经济效益与综合效益。此外，区域约束混凝土结构构造简单、施工方便，与传统混凝土结构相比，区域约束混凝土有着同样简单的构造形式，采用同样的施工方法，因此极易为施工单位所接受，便于推广使用。
当前建筑业已成为国民经济的支柱产业，约束混凝土结构在我国的发展十分迅速。合理地利用约束混凝土结构，可明显提高混凝土的承载能力，充分发挥材料的使用效率，在技术和经济上都具有很大的优越性。基于上述优势，区域约束混凝土构件可以应用于桥梁工程、高层与超高层建筑，工程中应用于受拉、受压、受弯、受扭等梁柱构件，以及一些大体积钢筋混凝土构件，如大坝、桥墩、承台等，可以充分减轻结构自重，增加使用空间。
约束混凝土结构是现代建筑最重要的结构形式之一，具有节约材料和劳动力，提高施工工效，加快施工进度，提高建筑工程的产品质量等优势。从环保和节能的角度讲，应用区域约束混凝土技术，可以减少环境污染，取得较大的经济效益。在当前狠抓工程质量，加强设计施工管理的情况下，应用区域约束混凝土技术，不仅改善了构件的受力性能，降低结构的总体造价，能够满足现代工程施工质量和效率的要求。相信在本世纪的初，我国工程建设必将出现崭新的气象。
4.结语
区域约束混凝土结构是针对工程结构设计高层、超高层钢筋混凝土以及大跨结构中遇到的轴压比超限问题，在约束混凝土基础上发展起来的，能有效实现满足建筑、结构、经济、安全之间合理协调的新型结构。
钢筋混凝土抗震设计中，经济而有效的方法是提高结构及构件吸收地震能量的能力，利用结构或构件的变形能力来耗散地震能量。对区域约束混凝土结构抗震性能和设计方法的研究还有待于进一步深入。
参考文献
【1】曹新明，杨力列，陈宗强，曹鹏程，朱国良.约束混凝土与区域约束混凝土[D].2005-09
【2】庞新宾，区域约束混凝土柱往复荷载作用下轴压比限值研究[D]. 硕士学位论文, 2011-06
篇7
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
[1] 韩林海.钢管混凝土结构.北京:科学出版社,2000
[2] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京: 科学出版社,2001
[3] 钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社,2003
[4] 过镇海、李卫.混凝土耐热力学性能的试验研究总结.清华大学土木工程系，1991
[5] 钟善桐.高层钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社,1999
[6] 李国强、蒋首超.钢结构抗火计算与设计.中国建筑工业出版社，1999
篇8
论文摘要：本文是结合作者多年的工作经验以及具体工作实例，主要介绍了清水混凝土的质量标准、常见的质量缺陷及其监控对策．并重点阐述从模板体系的设计、制作、安装到混凝土原材料选用、配合比设计、混凝土的浇筑、养护和表面缺陷修补全过程所采取的措施等相关问题作出了相应的阐述和分析。仅供参考。
所谓清水混凝土系一次成型混凝土，通常在桥梁工程中的应用比较广泛，但直接应用于房屋民用建筑工程的比较少。
清水混凝土结构有着诸多优点，如：省去了装饰阶段的二次抹灰工序，避免了大面积抹灰空鼓、天棚脱落(经常有这样相关报道)等通病，材料节约、经济环保．施工质量效果好，符合提倡建立资源节约型社会理念，成为建筑节能市场上的亮点。
1 工程实例概况
某大厦为两座现代化高层办公建筑，总建筑面积42276.2m2，地下2层，地上19层，总高度79.8m，主体为框架一剪力墙结构，筏板基础。
整体质量达到优质工程标准。要求所有结构成型为清水混凝土，对模板设计和混凝土施工要求高。
2 清水混凝土质量标准
目前国内尚无统一的清水混凝土质量验收规范，在普通结构混凝土验收标准的基础上，形成如下质量标准：
轴线通直、尺寸准确；棱角方正、线条顺直；表面平整、清洁、色泽一致；表面无明显气泡，无砂带和黑斑；表面无蜂窝、麻面、裂纹和露筋现象；模板接缝、对拉螺栓和施工缝留设有规律性；模板接缝与施工缝处无挂浆、漏浆。
3 混凝土常见质量缺陷
为做好施工预控工作，必须认真分析清水混凝土面层可能出现的质量缺陷和产生的原因．从而采取有效措施避免发生上述缺陷。
清水混凝土表面缺陷主要为表面平整度、轴线位置不满设计要求、表面蜂窝、麻面、有气泡密集区，表面缺损，非受力钢筋露筋。小孔洞、单个气泡等；混凝土内部缺陷主要指混凝土浇筑过程中，混凝土振捣质量差，造成混凝土内部架空和孔隙率偏大的缺陷，内部缺陷应在混凝土浇筑过程中及时发现，及时清除。
4 模板工程控制
4.1方案审查要点
(1)清水混凝土施工用的模板必须具有足够的刚度。在混凝土侧压力作用下不允许有一点变形，以保证结构物的几何尺寸均匀、断面的一致，防止浆体流失；
(2)选用的模板材料要有很高要求，表面平整光洁，强度高、耐腐蚀，并具有一定的吸水性；
(3)对模板的接缝和固定模板的螺栓等，则要求接缝严密，不允许漏浆；
(4)模板设计要充分考虑在拼装和拆除方面的方便性．支撑的牢固性和简便性，并保持较好的强度、刚度、稳定性及整体拼装后的平整度；
(5)根据构件的规格和形状，建议配制定型模板，以便周转施工所需；
(6)模板制作时应保证几何尺寸精确，拼缝严密，材质一致，模板面板拼缝高差、宽度应≤1mm，模板间接缝高差、宽度≤2mm；模板接缝处理要严密，建议模板内板缝用油膏批嵌外侧用硅胶或发泡剂封闭，以防漏浆，模板脱模剂应采用吸水率适中的无色的轻机油；
(7)严格控制模板周转次数，周转3次后应进行全面检修并抛光打磨。
4.2模板工程方案选择
为实现清水混凝土的目标，初步模板体系确定为钢木组合大模板。
根据本工程的特点及公司的施工经验，地下室及裙房选择竹胶板木楞骨模板体系，采用12mm厚1220mm×2440mm竹胶板作为面板，50mm×100mm方木及48mm钢管为楞骨，48mm钢管、自制蝴蝶夹、14mm对拉螺栓作为加固系统；标准层剪力墙、柱采用钢木组合大模板(12mm厚竹胶板作为面板、6号槽钢为辅龙骨、10号槽钢为主背料)，剪力墙采用16的高强全丝螺杆为加固系统。
梁、板模板同地下室，以48mm钢管搭设的整体扣件式满堂脚手架作为墙柱的水平支撑及梁、板的垂直支撑系统。
4.3柱模板支设要点对±0.00以下混凝土柱模通用性、互换性较差。
采用12mm厚高强度覆膜竹胶板作面板，50mm×100mm方木作楞木兼拼口木，以48mm钢管作为柱箍，柱截面尺寸≥700mm时，增加对拉螺栓拉结加固。±0.00以上混凝土柱模通用性、互换性较好，采用定制可调截面钢大模支设。 ①截面尺寸≤650mm的柱采用双管柱箍中间加设坡口木楔紧固，柱高3m以下范围内柱箍的间距≤400mm，柱高3m以上范围内柱箍的间距≤500mm。
②截面尺寸≥700m的柱，采用脚手管作柱箍紧固，柱高3m以下范围内柱箍的间距≤400mm，柱高3m以上范围内柱箍的间距≤500mm，在枝中加设＋14mm(外套＋25mmPVC管)对拉螺栓，柱外侧四角双向均加设保险扣件，对拉螺栓布置间距同柱箍。
5 混凝土施工全过程控制
5.1原材料、配合比控制要点
新拌混凝土必须具有极好的工作性和黏聚性，绝对不允许出现分层离析的现象；原材料产地必须统一，砂、石的色泽和颗粒级配均匀。
在材料和浇筑方法允许的条件下，应采用尽可能低的坍落度和水灰比，本工程采用泵送商品混凝土，控制坍落度为(150±10)mm，尽量减少泌水的可能性。
同时控制混凝土含气量不超过1.7％，初凝时间不超过6h-8h。
重点审核商品混凝土厂家制定清水混凝土原材料、配合比生产方案，生产过程中检查严格按试验确定的配合比投料，不得带任何随意性，并严格控制水灰比和搅拌时间，随气候变化随时抽验砂子、碎石的含水率，及时调整用水量。
5.2清水混凝土浇筑控制要点
检查落实施工技术保证措施、现场组织措施，严格执行有关规定；合理调度搅拌输送车送料时间。逐车测量混凝土的坍落度；严格控制每次下料的高度和厚度，保证分层厚度不30cm；振捣方法要求正确，不得漏振和过振；可采用二次振捣法，以减少表面气泡，即第一次在混凝土浇筑时振捣，第二次待混凝土静置一段时间再振捣，而顶层一般在0.5h后进行第二次振捣；严格控制振捣时间和振捣棒插入下一层混凝土的深度，保证深度在5cm-10em，振捣时间以混凝土翻浆不再下沉和表面无气泡泛起为止，一般为5min-10min左右。
5.3清水混凝土养护控制要点
为避免形成清水混凝土表面色差，减少表面因失水而出现微裂缝，影响外观质量和耐久性，抓好混凝土早期硬化期间的养护十分重要。
现场要求清水混凝土构筑物的侧模在48h后拆除，模板拆除后其表面养护的遮盖物不得直接用草垫或草包铺盖。以免造成永久性黄颜色污染，应采用塑料薄膜严密覆盖养护，养护时间不得少于14d。
6 结语
此大厦清水混凝土主体工程，经过细致周密的方案设计，全过程施工质量控制，清水混凝土结构施工一次成型，阴阳角方正、顺直，棱角挺拔，分格缝宽窄深浅一致、边线顺直，装饰图规整，墙体表面平整光滑，色泽均匀一致，主体工程被评为优质结构，为今后类似的清水混凝土结构施工积累了较成熟的经验。
综上所述，清水混凝土结构施工技术在民用建筑工程中得到了很好的应用，并得到了使用方的认可。
篇9
所谓清水混凝土系一次成型混凝土，通常在桥梁工程中的应用比较广泛，但直接应用于房屋民用建筑工程的比较少。
清水混凝土结构有着诸多优点，如：省去了装饰阶段的二次抹灰工序，避免了大面积抹灰空鼓、天棚脱落(经常有这样相关报道)等通病，材料节约、经济环保．施工质量效果好，符合提倡建立资源节约型社会理念，成为建筑节能市场上的亮点。
1 工程实例概况
某大厦为两座现代化高层办公建筑，总建筑面积42276.2m2，地下2层，地上19层，总高度79.8m，主体为框架一剪力墙结构，筏板基础。
整体质量达到优质工程标准。要求所有结构成型为清水混凝土，对模板设计和混凝土施工要求高。
2 清水混凝土质量标准
目前国内尚无统一的清水混凝土质量验收规范，在普通结构混凝土验收标准的基础上，形成如下质量标准：
轴线通直、尺寸准确；棱角方正、线条顺直；表面平整、清洁、色泽一致；表面无明显气泡，无砂带和黑斑；表面无蜂窝、麻面、裂纹和露筋现象；模板接缝、对拉螺栓和施工缝留设有规律性；模板接缝与施工缝处无挂浆、漏浆。
3 混凝土常见质量缺陷
为做好施工预控工作，必须认真分析清水混凝土面层可能出现的质量缺陷和产生的原因．从而采取有效措施避免发生上述缺陷。
清水混凝土表面缺陷主要为表面平整度、轴线位置不满设计要求、表面蜂窝、麻面、有气泡密集区，表面缺损，非受力钢筋露筋。小孔洞、单个气泡等；混凝土内部缺陷主要指混凝土浇筑过程中，混凝土振捣质量差，造成混凝土内部架空和孔隙率偏大的缺陷，内部缺陷应在混凝土浇筑过程中及时发现，及时清除。
4 模板工程控制
4.1方案审查要点
(1)清水混凝土施工用的模板必须具有足够的刚度。在混凝土侧压力作用下不允许有一点变形，以保证结构物的几何尺寸均匀、断面的一致，防止浆体流失；
(2)选用的模板材料要有很高要求，表面平整光洁，强度高、耐腐蚀，并具有一定的吸水性；
(3)对模板的接缝和固定模板的螺栓等，则要求接缝严密，不允许漏浆；
(4)模板设计要充分考虑在拼装和拆除方面的方便性．支撑的牢固性和简便性，并保持较好的强度、刚度、稳定性及整体拼装后的平整度；
(5)根据构件的规格和形状，建议配制定型模板，以便周转施工所需；
(6)模板制作时应保证几何尺寸精确，拼缝严密，材质一致，模板面板拼缝高差、宽度应≤1mm，模板间接缝高差、宽度≤2mm；模板接缝处理要严密，建议模板内板缝用油膏批嵌外侧用硅胶或发泡剂封闭，以防漏浆，模板脱模剂应采用吸水率适中的无色的轻机油；
(7)严格控制模板周转次数，周转3次后应进行全面检修并抛光打磨。
4.2模板工程方案选择
为实现清水混凝土的目标，初步模板体系确定为钢木组合大模板。
根据本工程的特点及公司的施工经验，地下室及裙房选择竹胶板木楞骨模板体系，采用12mm厚1220mm×2440mm竹胶板作为面板，50mm×100mm方木及48mm钢管为楞骨，48mm钢管、自制蝴蝶夹、14mm对拉螺栓作为加固系统；标准层剪力墙、柱采用钢木组合大模板(12mm厚竹胶板作为面板、6号槽钢为辅龙骨、10号槽钢为主背料)，剪力墙采用16的高强全丝螺杆为加固系统。
梁、板模板同地下室，以48mm钢管搭设的整体扣件式满堂脚手架作为墙柱的水平支撑及梁、板的垂直支撑系统。
4.3柱模板支设要点对±0.00以下混凝土柱模通用性、互换性较差。
采用12mm厚高强度覆膜竹胶板作面板，50mm×100mm方木作楞木兼拼口木，以48mm钢管作为柱箍，柱截面尺寸≥700mm时，增加对拉螺栓拉结加固。±0.00以上混凝土柱模通用性、互换性较好，采用定制可调截面钢大模支设。
①截面尺寸≤650mm的柱采用双管柱箍中间加设坡口木楔紧固，柱高3m以下范围内柱箍的间距≤400mm，柱高3m以上范围内柱箍的间距≤500mm。
②截面尺寸≥700m的柱，采用脚手管作柱箍紧固，柱高3m以下范围内柱箍的间距≤400mm，柱高3m以上范围内柱箍的间距≤500mm，在枝中加设＋14mm(外套＋25mmpvc管)对拉螺栓，柱外侧四角双向均加设保险扣件，对拉螺栓布置间距同柱箍。
5 混凝土施工全过程控制
5.1原材料、配合比控制要点
新拌混凝土必须具有极好的工作性和黏聚性，绝对不允许出现分层离析的现象；原材料产地必须统一，砂、石的色泽和颗粒级配均匀。
在材料和浇筑方法允许的条件下，应采用尽可能低的坍落度和水灰比，本工程采用泵送商品混凝土，控制坍落度为(150±10)mm，尽量减少泌水的可能性。
同时控制混凝土含气量不超过1.7％，初凝时间不超过6h-8h。
重点审核商品混凝土厂家制定清水混凝土原材料、配合比生产方案，生产过程中检查严格按试验确定的配合比投料，不得带任何随意性，并严格控制水灰比和搅拌时间，随气候变化随时抽验砂子、碎石的含水率，及时调整用水量。
5.2清水混凝土浇筑控制要点
检查落实施工技术保证措施、现场组织措施，严格执行有关规定；合理调度搅拌输送车送料时间。逐车测量混凝土的坍落度；严格控制每次下料的高度和厚度，保证分层厚度不30cm；振捣方法要求正确，不得漏振和过振；可采用二次振捣法，以减少表面气泡，即第一次在混凝土浇筑时振捣，第二次待混凝土静置一段时间再振捣，而顶层一般在0.5h后进行第二次振捣；严格控制振捣时间和振捣棒插入下一层混凝土的深度，保证深度在5cm-10em，振捣时间以混凝土翻浆不再下沉和表面无气泡泛起为止，一般为5min-10min左右。
5.3清水混凝土养护控制要点
为避免形成清水混凝土表面色差，减少表面因失水而出现微裂缝，影响外观质量和耐久性，抓好混凝土早期硬化期间的养护十分重要。
现场要求清水混凝土构筑物的侧模在48h后拆除，模板拆除后其表面养护的遮盖物不得直接用草垫或草包铺盖。以免造成永久性黄颜色污染，应采用塑料薄膜严密覆盖养护，养护时间不得少于14d。
6 结语
此大厦清水混凝土主体工程，经过细致周密的方案设计，全过程施工质量控制，清水混凝土结构施工一次成型，阴阳角方正、顺直，棱角挺拔，分格缝宽窄深浅一致、边线顺直，装饰图规整，墙体表面平整光滑，色泽均匀一致，主体工程被评为优质结构，为今后类似的清水混凝土结构施工积累了较成熟的经验。
综上所述，清水混凝土结构施工技术在民用建筑工程中得到了很好的应用，并得到了使用方的认可。
篇10
前言
钢结构住宅是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱(包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱)为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。同传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具有自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。
一、轻钢结构住宅的特点及技术经济性能
1、重量轻、抗震性能好
钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架,同时配以轻质墙板等新型材料作为维护结构和内隔墙建造而成。它与同面积的建筑楼层相比，钢结构住宅楼的重量可减轻近30%。由于轻钢结构住宅自重轻,一般情况下不需要做桩基,可减少地基处理的费用,且抗震性能好。因属于柔性结构、自重轻,因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,有利于抗震。我国是一个多地震区国家,在地震区建筑中应推广应用钢结构住宅,可以大大减少地震灾害和人员伤亡。，绿色生态建筑发展趋势。。同时,由于钢材具有较强的延展性,能较好地消除地震波力,放震性能好,尤其适用于高层建筑。
2、占地面积小,具有良好的空间感，净使用面积大
钢结构住宅布局灵活,净使用面积大。利用型钢优良的承载性能,可以灵活布置大开间、大柱距的建筑平面；非承重轻质墙体的设计为设计师和住户提供了根据不同用途灵活布置室内空间的可能；型钢构件接点构造简洁,在垂直方向可方便地布置跃层和错层体系,结构构件截面较小,相对于传统结构方案,其净使用面积提高5%～8%,得房率高。
3、工业化程度高,设计制造安装周期短
现代轻钢建筑的设计、制造和安装借助网络计算机技术和工业化生产手段,可实现设计、生产、施工安装一体化,具有极高的效率和精确度,项目建设周期短可缩短工期1/2～1/3。这样将极大地减少投资融资成本,使业主或建筑开发商在享受回报上具备很大的优势。
4、符合产业化和可持续发展的要求
钢结构配件制作工业预制化和机械化程度高,商品化程度高,减少了施工现场的加工量,现场主要为于作业,能减少施工用水、噪声、垃圾污染,施工速度快,施工周期可大大缩短。钢结构在超出正常使用期限后的处理过程,无论是钢材还是与之相配套的建筑物品,都具有可重复利用性和可降解性,适应现代环保要求。，绿色生态建筑发展趋势。。
二、钢结构住宅的结构体系和主要构件
1、结构体系
应用于多层钢结构住宅的体系可分为:冷弯薄壁型钢体系、纯钢框架体系、框架--支撑体系、钢框架--混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。
①冷弯薄壁型钢体系。构件采用薄钢板冷弯成C形、Z形构件,可单独使用,也可组合使用,杆件间连接采用自攻螺丝。这种体系节点刚性不易保证,抗侧能力较差,一般只用于1～2层住宅或别墅。
②纯钢框架体系。目前,这种体系在多层钢结构住宅中应用最广,纯框架体系常用于4～8层住宅。纵横向都设成钢框架,门窗设置灵活,可提供较大的开间,便于用户二次设计,满足各种生活需求。
③框架—支撑体系。该体系主要由焊接工字型梁柱组成,多数情况下,这种体系为横向承重,梁柱节点在横向上为刚接,纵向为铰接。因此,结构在纵向相当于排架,抗侧移刚度很低,需设置侧向支撑抵抗水平荷载,限制结构的水平变形。
④框架—混凝土剪力墙体系。用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑,就形成了框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。它适用于小高层住宅,一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒),这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度,又解决了楼梯间的防火问题。
2、主要构件
钢结构住宅是以钢结构作为承重骨架,以轻质体材料作为内外墙,与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能、环保型住宅钢结构住宅,可采用工业化生产方式,易于实现产业化,符合可持续发展原则。
①梁、柱。，绿色生态建筑发展趋势。。钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式,梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢,它是工字钢的升级换代产品,具有抗弯性能好,翼缘宽,侧向刚度大,翼缘表面相互平行,构造方便等优点。我国目前采用的H 钢梁大多为Q235和Q345钢,翼缘宽度为60～180mm,截面高度为100～800mm。
钢结构住宅一般为大开间,框架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的要求,目前广泛使用焊接H型钢或I字热轧钢截面。对于轴压比较大、双向弯矩接近、梁截面较高的框架柱,采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。
②楼板。楼板结构的选择至关重要,它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外,更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用。所以,楼板必须有足够的承载力、刚度,并且与钢框架实现可靠连接,确保结构体系的整体刚度和稳定性。，绿色生态建筑发展趋势。。另外从抗震角度来看,还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。，绿色生态建筑发展趋势。。同时楼板还要应该满足住宅功能的要求,如防颤动、隔音、隔热等。我国钢结构住宅的楼板,一般采用钢筋混凝土结构和钢结构体系的传统做法。常用的楼盖结构有:压型钢板-现浇混凝上组合楼板,现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板,而以第一种最为常用。
③支撑体系。支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种,前者耐震能力较差,后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能,而且为门窗洞的布置提供了有利条件,目前国内用得还很少,建议在高烈度区首选偏交支撑。
④墙体围护结构。钢结构住宅的墙体围护结构,应采用具有自承重和抗冲击能力,并能保温、隔热、隔音、防火、防渗漏等多种功能轻质的墙体材料。目前,墙体主要分为自承重式和非自承重式两种。自承重墙体主要包括用于外围护结构的加气混凝土块、太空板、轻钢龙骨加强板等,以及用于内墙的轻混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。，绿色生态建筑发展趋势。。外挂的非自承重式的墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻璃纤维增强外墙板等。采用非自承重式的墙体材料,需设置墙梁用以悬挂外围护结构。门窗洞口上下要布置墙梁,多采用C或Z型冷弯薄壁型钢,尺寸取决于跨度(刚架间距)和墙距(板跨)。
三、钢结构住宅的应用前景和建议
住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产,标准化制作,而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,它属绿色环保性建筑,可再生重复利用,符合可持续发展的战略。若是在城市中采用钢结构住宅,因为其工厂化程度高、施工周期短的优势,将能很好地解决城市市区,尤其是中心市区人口稠密交通繁忙、施工生产不便的问题。因此钢结构住宅应该是城市住宅设计的主要方案之一,同时钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展,直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。
四、结语
