第六章 钢管混凝土结构

混凝土各阶段的应力状态
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
共5个未知数 1 , 2 , p , c , N u 需建立5个方程
极限状态下钢管与混凝土受力简图
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
①
fc* fc Kp , K 3～ 6
* c
p p 1 1 . 5 2 ② f fc f f c c
6.1.3 钢管混凝土的发展与应用
1879年英国赛文铁路桥采用钢管混凝土桥墩，目的是 防止钢管内部锈蚀，其后发现除了防锈外还能增强钢管稳定 性。1897年美国人John Lally用钢管混凝土作房屋结构的承 重柱（称为Lally柱），并申请获得专利。 由于钢管混凝土优越的力学性能，一经出现便受到美欧 苏各国土木工程界的重视，并竞相开发利用。 20世纪20年代前后，美国的波士顿、纽约和芝加哥等地 曾将其用于单层和多层厂房的承重柱；1930年法国巴黎郊区 的Ibis地方用钢管混凝土建造了一座9m跨的上承式拱桥； 1937年苏联列宁格勒用集束的小直径钢管混凝土作拱肋，建 造了横跨涅瓦河101m跨度的下沉式拱桥，1939年又在西伯利 亚建成了跨度140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。 苏联格沃兹杰夫（Gvozdev）教授深刻地阐明了钢管套 箍混凝土的工作机理，并成功地用极限平衡法求解了钢管混 凝土轴压短柱的极限承载力。
泵送高抛无振捣混凝土
6.1 概述
c 0 .7 B
B
钢梁-钢管混凝土柱节点设计
6.1 概述
钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱节点施工
6.1 概述
钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱节点施工
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆受压时的应力与应变
弹性阶段0.283
环向应变
1 s s 3 s 1c c 3 c
相互作用
混凝土三向约束
钢管局稳增强
中后期相互作用受力状态
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆方管受力分析
未填充 混凝土
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆方管受力分析
6.1.2 钢管混凝土的基本特点
◆承载力高
◆塑性韧性好
◆施工方便 ◆耐火性较好 ◆经济性好
6.1.2 钢管混凝土的基本特点
圆钢管混凝土压弯构件滞回试验P-△曲线
纯扭构件典型τ-γ曲线
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱 木柱在L/b≤10时可看作“短柱” ，钢筋 混凝土柱在L/b≤8时可以称为“短柱” ，素 混凝土和未配置纵筋的套箍混凝土柱L/b≤4 可以称为“短柱”，砖石柱L/b≤3可以称为 “短柱”。 钢管混凝土在极限状态时，钢管主要起 环箍的作用，在纵向的作用很小，在L/D≤4 时也可算作“短柱” 。
6.1.3 钢管混凝土的发展与应用
在20世纪80年代以前，由于管内混凝土的浇灌 工艺未得到很好解决，现场施工操作繁琐，使施工 方面潜在的优势未能得到很好发挥，致使人们更愿 意采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结构 或工厂化程度高、现场劳动量少、吊装轻便、施工 速度快的钢结构。 到了20世纪80年代后期，由于先进的泵灌混凝 土工艺的发展，解决了现场管内混凝土的浇灌问题， 加以现代高强混凝土需要用钢管套箍克服其脆性， 因此在美国和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中， 钢管混凝土结构技术又悄然兴起，传统的钢柱被钢 管高强混凝土柱取代，并被认为是高层建筑营造技 术的一次重大突破。
圆管1.0 1 方管4.5 矩管4.5
短柱平均应力-应变曲线
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 4.钢管混凝土的强度指标 ◆组合抗剪强度
外钢管也 达屈服，主要 与含钢率、约 束系数和组合 轴压强度有关， 详式（6-22） 和式（6-23）。
106
1500 20 fcu 3500
基本以 定性方式确 定，各规程 公式有别： 福建省标 EA E sc Asc Asc As Ac
圆管1.0 1 方管4.5 矩管4.5
行业规程
EA Es As Ec Ac
短柱平均应力-应变曲线
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 3.钢管混凝土的刚度 ◆组合弹性抗弯刚度
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 4.钢管混凝土的强度指标 ◆组合轴压强度
弹塑性基本结束 钢和砼均达极限
标准值
圆管 f scy 1.14 1.02 fck 矩管 f scy 1.18 0.85 fck
设计值
圆管 f scy 1.14 1.02 fc 矩管 f scy 1.18 0.85 fc
A
◆长细比
D
4 L0 D
2 3 L0 D
D
D 2 12 2 3
2
4
2 3 L0 B
详《钢规》 柱150 支撑200
B
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 3.钢管混凝土的刚度
取值直接影响结构分析准确性。
◆组合轴压刚度
6.2.1 钢管混凝土设计规范 ◆国外规范
欧洲规范EC4(2004) 澳大利亚规范AS5100(2004) 美国混凝土协会规范ACI318(2008) 美国钢结构协会规范AISC(2010) 英国规范BS5400(2005) 日本建筑学会规范AIJ(2008)
6.2.1 钢管混凝土设计规范 ◆国内规范 自1989年至今已有行业和地方两方面的 设计施工规程十余本。
中建院所作短柱试件外观形态变化过程图
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
中建院部分短柱试件试验以后的外形
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
荷载N（10kN）
纵向应变εc（%）
试验后外形
N-εc曲线
中建院粗短厚壁钢管混凝土试件
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
（苏）格沃 兹杰夫用极限 平衡理论求解 钢管混凝土短 柱承载力Nu
等测压三向受压混凝土
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱 c f c Kp
据Mises条件 1 2 f
2 1 2 2 2 s
………①
………② ………③ ……④ ………⑤
N c Ac 1 As f p
pdc 2 2
令N f p 0 p* Nu f p
2005年建成的世界最大跨度460m的 钢管混凝土重庆奉节巫山长江大桥
6.1.3 钢管混凝土的发展与应用
剖面示意图
五、六层结构平面图
2000年建成的世界最高的钢管混凝土结构 深圳赛格广场大厦72层291.6m
6.1.3 钢管混凝土的发展与应用
1966年建成的北京地铁“北京站”
6.2 钢管混凝土构件设计
塑性阶段0.5
纵向应变
低应力时0.17 较高应力时0.5 极限状态时≥1.0
两种受力模式的 钢管混凝土柱
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆受压时的应力与应变
钢管与混凝土错位 弓弦效应
钢管混凝土的荷载-应变曲线
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆受压时的应力与应变
c fc c fc
c
混凝土单向受压的变形过程
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
试验装置
钢管混凝土短柱加载方式
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
钢管混凝土短柱N-ε曲线
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
弹性薄片
弓弦效应示意图
变形测量示意图
钢管纵向应变小于整体平均应变机理解释
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
*
6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱
As d c t 4t 2 Ac dc dc 2
c
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆圆管受力分析
钢管
混凝土
受力初期钢管和混凝土的受力状态
6.1.1 钢管混凝土的基本原理
◆圆管受力分析
由 1 - 2 2 - 3 3 - 1 2 z2，有
2 2 2
12s 1s 3s 32s f y2 3c f c Kp 1s pDc 2
不仅不考虑粘结，而且还要考虑混凝土的开裂 和塑性发展。
规程不同公式有别。 福建省标
圆管 EI Es I s 0.8Ec I c
方管 EI Es I s 0.6Ec I c
行业规程
圆管 EI Es I s Ec I c
方管 EI Es I s 0.8Ec I c
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 3.钢管混凝土的刚度 ◆组合剪切刚度
1.材料要求 ◆钢管
一般按钢结构用材要求。宜采用螺旋焊接管或 直接焊接管,焊缝为坡口对接焊，不得采用搭接角焊 缝。
◆混凝土
Q235-C30或C40，Q345-C40～C60,Q390或Q420C50或C60及以上；水灰比≤0.45，加减水剂塌落度 宜为160～180mm。
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 2.参数定义及限值 ◆含钢率 As Ac ◆约束效应系数 As f y 标准值 Ac f ck
钢管运输与吊装
6.1 概述
◆浇筑前除尽钢管内杂物 和积水，先浇筑一层100mm ～200mm厚与混凝土强度等 级相同的水泥砂浆，以防 止自由下落的混凝土粗骨 料产生弹跳。 ◆将泵管出料口伸入钢管 内，利用混凝土下落产生 的动能来达到混凝土的自 密实。 ◆当抛落的高度不足4m 时， 用插入式振捣棒密插短振， 逐层振捣。
中国工程建设标准化协会标准 《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90） 中国工程建设标准化协会标准 《矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159:2004） 福建省工程建设标准 《钢管混凝土结构技术规程》DBJ/T13-51-2010
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标
钢管混凝土的力学性能不仅与两种材料各自的 性能有关，而且与两者的“匹配”有关。
As f 设计值 0 Ac f c
ξ反映截面几何与物理特性，ξ越大约束越强， 混凝土强度和延性增加越大。取值范围 0.3≤ξ≤4， 抗震要求圆管0.6≤ξ，方管1.0≤ξ。
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 2.参数定义及限值 ◆径厚比或高厚比D/t
基于不发生局部失稳，虽可考虑混凝土支撑的 有利影响，但不得大于钢结构D/t的1.5倍，且 圆管D/t≤150· 235/fy D 4 64 D 矩管 D t 60 235 f y 圆管i I
6.1.3 钢管混凝土的发展与应用
我国的钢管混凝土结构起步于20世纪50年代苏联的援建 项目，中科院哈尔滨土建研究所最早开展研究，其后哈尔滨 工业大学钟善桐教授、中国建科院蔡绍怀研究员等国内专家 对钢管混凝土进行了大量系统的研究，并据此编制了设计与 施工规程，有力地推动了钢管混凝土在我国工程界的应用， 从而使我国在世界上成为钢管混凝土结构大国和强国。
6.1.2 钢管混凝土的基本特点
理论分析和工程实践表明：
与钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同 的条件下，可以节省钢材约50%，焊接工作量可大 幅度减少； 与型钢混凝土相比，在保持横截面面积相近和 承载力相同的条件下，可以节省钢材约50%，且施 工更为便捷； 与普通钢筋混凝土柱相比，在保持钢材用量相 近和承载力相同的条件下，构件的横截面面积可减 小约一半，从而建筑的有效面积得以加大，混凝土 和构件自重相应减少50%。
第四章 钢管混凝土结构
主要内容
◆基本原理及特点 ◆钢管混凝土的发展与应用 ◆材料和设计指标 ◆承载力验算
6.1 概述
钢管混凝土构件常用形式
6.1 概述
空心钢管混凝土
不锈钢管混凝土
复式钢管混凝土
FRP约束钢管混凝土
6.1 概述
FRP-混凝土-钢管组合柱截面形式
6.1 概述
卷制钢管
6.1 概述
取定钢与约束混凝土的本构模型，用有限元程 序算出纯扭或纯剪的名义剪应力与剪应变的关系曲 线，并以其比例极限定义剪变模量。
纯扭构件 τ-γ曲线
6.2.2 钢管混凝土材料和设计指标 3.钢管混凝土的刚度 ◆组合剪切刚度
scp Gsc scp
P150式（6-17）
P150式（6-18）
剪切刚度 GA Gsc Asc