第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 异形钢管混凝土巨型柱抗震性能试验研究 及有限元分析 曹乐，王立长 （大连市建筑设计研究院，大连116021） 提要：为研究实际超高层结构中大截面五边异形钢管混凝土柱的受压性能，设计制作了二组6个1/5柱内不同构造的试 件.
为考察异形多腔钢管混凝土柱在周期往复作用下的抗震性能，又设计制作了二组10个1/7.5的试件.
试验目的为研 究大截面五边异形钢管柱不分腔仅配钢筋、分腔不配钢筋和分腔加配钢以及分腔隔板竖向加助板在柱中部断开等不同构 造.
为此分别进行轴压和偏压荷载下柱承载力，延性、滞回性能、破坏模式等对比试验研究.
并用Abaqus软件采用实体 模型和纤维模型对实验进行了分析对比.
关键词：异形多腔钢管混凝土柱：分腔构造：受压试验：滞回性能：纤维模型 0引言 异形钢管混凝土柱在许多超高层结构中有较多的应用，如天津117大厦、大连国贸中心大厦出现大 截面的多边形多腔异形钢管混凝土柱.
目前国内对异形钢管柱有较多的研究，如文献[1]对组合T形截面 钢管混凝土柱进行偏心受压试验研究，主要讨论长细比、偏心距等参数对承载力影响：文献[2]对L形钢 管混凝土柱正载面承载力进行试验研究和理论分析，并讨论了宽厚比、加劲肋、肢厚等参数对试件的影 响：文献[3]对钢筋加劲T形截面钢管混凝土柱抗震性能进行试验研究，讨论了采用不同构造方式对钢筋 加劲T形钢管混凝土柱的承载力和延性影响：文献[4]对带缀板的T形、L形、十字形方钢管组合混凝土 柱进行了受压试验和有限元分析：文献[5]对异形钢管塔柱进行了承载力试验和有限元分析，比较了三边 形塔柱内部加肋和无加肋不同构造形式对试件极限承载力的影响：文献[6]对带约束拉杆T型钢管混凝土 短柱轴压性能进行试验研究：文献[7]对巨形两腔钢管混凝土柱进行试验研究，分析了分腔钢管柱的构造 抗震性能.
抗震性能和钢管内竖向荷载作用下共同工作状态.
文献[8]要求直径较大的钢管混凝土柱应采 取有效措施减少管内混凝土收缩对构件受力影响.
目前国内外异形大截面钢管混凝土柱受压试验资料很 少，因此本文设计了二组6个试件，分别进行轴压和偏压作用下，异形钢管混凝土柱不同构造试验研究 [9]，以得到异形钢管混凝土柱内不分腔加配竖向钢筋、分腔不配置钢筋与腔内设置钢筋，并且考察分腔 时竖向隔板和加强肋连续与断开的构造对钢管柱的极限承载力和破坏状态进行试验研究，为工程设计提 供依据.
1试验概况 1.1试件设计与制作 试验设计了6个1/5试件，其中3个为轴心受压模型，编号为CF-1、CF-2、CF-3，见图1；另外3个 为偏心受压模型，编号为CF-2a、CF-3a、CF-3b，见图2.
6个模型外型尺寸和钢材规格相同，CF-3b试 件竖向隔板和加劲肋在中部断开.
作者简介：曹乐，（1983-)，男，硕士，一级注册结构工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 图1轴心受压试件立面图 图2偏心受压试件立面图 试件与原型主要设计参数见表1，实测混凝土力学性能：模型各试件的混凝土设计强度等级均为C50 普通混凝土，实测混凝土立方体抗压强度为51.11MPa，与设计的C50普通混凝土强度等级基本一致， 相应的弹性模量为3.45×104MPa.实测钢材的力学性能见表2，试件构造见图3.
1 CF-2(CF-2a) CF-3(CF-3a 3b) 图3试件构造图（受压作用） CM-1a 1b CM-2a 2b CM-3a 3b 3c 3d 3e 3f 图4试件构造图（往复作用） 试验采用单向重复加载方式进行加载，前期基本弹性阶段为力控制，以后阶段为位移控制，试件每 次卸载保留2000KN荷载，尔后再继续加载.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 009 05t -1 1600 $1/ 0091 3 计1-2 优计1-4 性试书平 图5轴心受压加载位移计布置图 图6偏心受压试件位移计布置图 2试验现象与破坏形态 2.1轴心受压试验 试件周边钢板编号见图7. 32- 图7柱外侧钢板编号 CF-1试件加载到1600标距相对位移38.34mm时，B2-2与B3-1钢板连接焊缝在柱下端1100-1600mm 范围的开裂，见图8，最大缝宽50mm，该处板严重屈曲.
加载过程中B1-1、B1-2板中部鼓起30mm： B2-1，B2-2鼓起27mm，B3-1，B2-2中部鼓起15mm.
CF-2加载到1600标距相对位移53.09mm时，B2-2与B3-1钢板接连处在柱下端1500mm-1800mm 范围开裂，最大缝宽30mm：B4-2钢板连接处距柱下端1350mm-1550mm范围内漆片出现斜向裂纹.
加 载过程中，B1-1与B5-2钢板焊缝处漆片水平褶皱贯穿全高：B2-1，B2-2钢板在柱中上部鼓包50mm， 见图9:B3-1 B3-2为 32mm:B4-1 B4-2为 21mm，B5-1 B5-2 为 18mm. CF-3加载到1600标距相对位移为61.04mm，此时钢板各部位鼓包连续加大，整体屈曲：在加载过 程中，B2-1，B2-2在柱中下部鼓包58mm，见图10:B3-1，B3-2在柱中下部鼓包26mm，B4-1，B4-2 在柱中上部鼓包26mm，B5-1在柱中上部鼓包45mm，见图11.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 图8柱钢板焊缝开裂图9B2-2、B3-1钢板连接焊缝开裂图10B2-1B2-2钢板鼓包图11B5-1钢板鼓包 2.2偏心受压试验 CF-2a加载到1600标距相对位移为100.76mm，试件变形加剧，南侧垂直高度为2544mm，北侧为 2409mm：受压一侧钢板屈曲加剧，B1-1、B2-1、B5-2中上部鼓包分别为12mm、11mm、10mm，见图 12.
CF-3a加载到1600标距相对位移为128.06mm，南侧垂直高度为2510mm，北侧为2400mm，受压侧 钢板屈曲加剧：B1-1上部鼓包18mm，B2-1鼓包15mm，B5-2鼓包10mm，见图13.
CF-3b（竖隔板、加肋板在柱中间断开）加载到1600标距相对位移110.77mm，试件南侧高2550mm， 北侧高2400mm：B-1鼓包16mm，B3-2，B4-1中部出现对称两个鼓包，B3-2与B4-1中部钢板被拉断， 见图14.
当加载到相对位移为116.68mm时，试件各部位鼓包加剧，B1-1上部鼓包23mm，B2-1、B5-2 鼓包13mm，B1-2鼓包21mm，这些部位均分布在柱中部200mm范围内，见图15. 图12试件最终破坏图13柱破坏时整体屈曲图14B3-2、B4-1钢板被拉裂图15B5-2、B1-1钢板褶皱鼓包 2.3周期往复水平作用试验 2.3.1Y向往复试验（沿对称轴方向） CM-1a试件在加载初期没有出现明显损伤，第9循环试件B1板根部与基础出现裂隙，随着循环次 数增加，B3板受压鼓曲加大，受拉时被拉平：至最后第23循环时，B1板鼓曲高30mm，负向循环时 B1板被拉裂，B3、B4板受压鼓曲，出现明显褶皱、受拉时与基础连接焊缝开裂，B2、B5板也出现鼓 曲现象，试件损伤情况见图16.
CM-2a试件的B1板在第16循环时节点，1，5出现开裂，B3、B4板漆皮开裂：18循环B1板正向 受压时，出现鼓曲，负向循环时，被拉起4mm：至循环结束时，B1板受压鼓曲12mm，B3、B4板负向 加时最大鼓曲5m：B5板正向循环时，5节点处鼓曲10m，竖向循环全断面开裂并被拉起25m：B2板 在1节点鼓曲4m，试件损伤情况见图17. CM-3a试件在第16循环时，4节点出现钢板与基础底板焊接开裂：最后第18循环试验结束时，B5 板在5节点处被拉裂25m，试件损伤见图18.
向循环B1板底部拉裂，B2板、B5板在1，5点拉裂宽280m，在第18循环结束时，3节点拉裂10mm， B1板裂缝宽120mm，试件损伤见图19.
CM-3e试件在第16负向循环后，1、5两点，B2、B5板出现明显水平褶皱：至第20循环后，B1板 出现鼓曲1-2m，随后B1板鼓曲增至9m，第25正向循环时，B1板整截面被拉断，B2、B3板在1、5 节点分别被拉裂缝宽150-190mm，负向循环时B4板在3节点被拉裂，试件损伤见图20.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 （侧面看B1钢板鼓突）（负向加载1结点被拉裂）（5结点处被拉裂25mm） 图16 CM-1a试件破坏图图17CM-2试件破坏图图18CM-3a试件破坏图 (B1钢板根部开裂）（负向加载B1钢板被拔出约10mm）（B5钢板鼓突6mm） 图19CM-3c试件破坏图图20 CM-3e破坏图图21CM-1b破坏图 2.3.2X向往复试验（与对称轴垂直） CM-1b试件在第16循环后，2、4节点柱底处出现裂缝，逐渐加大，B4、B5板底部开裂，B2、B4 板出现鼓曲，第26循环结束时，B5板鼓曲10mm，B3、B4、B5板底部拉裂，试件损伤见图21. CM-2b在第19循环后，2、4节点柱底裂缝逐渐加大，B4、B5板逐渐被拉裂，B5板正向加荷时出 现鼓曲，B2板、B3板负向被拉裂：至24循环结束时，试件B4、B5板被拉裂缝宽130-188m，B2板全 部拉裂，试件损伤见图22.
CM-3b试件在第13循环后B5、B2板柱底开始出现小裂缝，B3板在2结点处开始出现小褶皱：随 后B2板柱底拉裂加大，B2、B3板拉裂缝宽最后达200mm~170m，B5板底整体被拉起.
试件损伤见图 23.
CM-3d在第13循环后，B4板4节点处，基底漆皮出现褶皱：第18循环，4.2节点出现裂缝，随后 循环5节点焊接开裂，B5、B3、B2板底部开裂，最后第24循环，B2板底整体拉断，B3、B1板底局部 拉断.
试件损伤见图24.
CM-3f试件在第15循环后，柱底板漆皮出现裂缝.
第17循环后B1、B5板底出现裂缝，B4、B2、 B3板陆续开裂，至最后26循环时，B4板被拉起23mm，裂缝宽230m，B2板裂缝贯通，2节点、4节 点分别被拉起18m、23m.
试件损伤见图25.
