周绪红20090919钢管约束混凝土

二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能
1、圆钢管约束素混凝土轴压短柱
钢管混凝土
模式a
模式c
加载装置 试验内容： 承载力比较 钢管分隔对承载力的影响
试验参数： 6组18个试件 加载方式：单调与反复 混凝土强度：C70、C75 钢管径厚比：20、26、42 钢管强度：Q345
ccft-133-3-70
构件模式a
构件模式b
构件模式c
SRC对比试件
cs-210-3-80-a-235
cs-210-3-80-b-235
cs-210-3-80-c-235
CSRC-210-80
C80高强混凝土试件的破坏模式为剪切破坏
5000
1.2 1 0.8
4000
N /kN
3000
N / Nu
0.6 0.4 0.2 0
0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4
N / Nu
1000
cs-210-3-80-a-235 cs-210-3-80-b-235 cs-210-3-80-c-235 cs-200-2-80-a-235 cs-200-2-80-b-235 cs-200-2-80-c-235
0
钢管屈服强度 提高，承载力提 高，但延性变化 不明显 钢管径厚比对 延性影响不显著
梁纵筋 上环板
环板
梁纵筋
竖板 下环板
梁纵筋
CFST 柱—RC 梁：外加强环节点 钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁
达到
达承载力前，对混凝土约束不足 达承载力时，钢管易屈曲，延性较低 钢管直接承载，防火保护费用高 方钢管、高强砼、高轴压比时，更是如此
对混凝土约束效应低，抗震性能差
轴压比限值低 框架短柱层间变形能力差
2850
2732
1.05 1.48
3756
2488
1.49 1.57
2505
1.26 1.45
4597
3030
1.52 1.58
圆钢管约束型钢混凝土柱的承载力高于型钢混凝土柱的承载力 其承载力高于简单叠加承载力
4、圆钢管约束混凝土短柱的承载力计算
基本假定： 钢管屈服点对应于极限承载力点 极限承载力点处，钢管沿环向屈服
钢管约束混凝土结构的 研究与工程应用
周绪红 刘界鹏 张素梅 张小冬 甘 丹 李 江
教授 副研究员 教授 教授 博士生 硕士生 兰州大学 兰州大学（哈尔滨工业大学） 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 兰州大学 兰州大学
2010年9月19日于大连
主要内容
一、钢管约束混凝土柱的特点
二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能
试测承载力
D t D/t αa fy f cu Nue
4380 254 C80 4590 4460 2860 3670 263 C80 3700 3900 3150 4400 346 C80 4600 4790 -
简单叠加承载力
Nue
4477
N s c a
N ue N s ca
1.54 1.61 1.56
φ
加强环
φ8
φ
纵筋：直径 13.3mm，屈 服强度 506MPa 箍筋：直径 8.1mm， 屈服强度，305MPa
φ
纵筋：直径 13.3mm，屈 服强度 506MPa 箍筋：直径 8.1mm，屈 服强度 305MPa
(a) 钢筋混凝土对比试件 图压弯构件详图 3.2-1 试件细部图
(b) 圆钢管约束钢筋混凝土柱
2500 2000
N /kN
c-140-3-70-a
1.2
c-140-3-70-c
剪切破坏面
骨架曲线对比
归一化骨架曲线对比
1.0 0.8
N / Nu
1500 1000 500 0 0 10000 20000 30000
ccft-140-3-70 c-140-3-70-a c-140-3-70-c 钢管屈服
N /kN
ε /με
ε/εu
钢管屈服强度对荷载-变 形曲线的影响
钢管径厚比对归一化的 荷载-变形曲线的影响
承载力对比
组别 试件编号
cs-210-3-80-a-235 A-CTSRC-1 cs-210-3-80-b-235 210 cs-210-3-80-c-235 csrc-210-3-80 cs-200-2-80-a-235 A-CTSRC-2 cs-200-2-80-b-235 200 cs-200-2-80-c-235 csrc-200-2-80 cs-210-3-80-a-345 A-CTSRC-3 cs-210-3-80-b-345 210 cs-210-3-80-c-345 3 70 0.057 200 2 100 0.040 210 3 70 0.057
结构 材料 发展 趋势
高强砼 高强钢材
传统 组合 结构 优势 不明 显
钢管混凝土：限制宽厚 比，不能充分发挥高强 钢材性能，用钢量大 型钢混凝土：限制轴压 比，不能充分发挥高强 材料性能
1、节点构造复杂，施工困难，节点耗材成为困扰工 程应用的主要问题 2、力学性能可进一步改善
2. 钢管约束混凝土柱
柱内型钢
梁纵筋
加劲肋
柱纵筋与箍筋 梁纵筋
短钢梁或牛 短钢梁或牛腿 腿 加劲肋 排气孔 箍筋贯穿孔
SRC 柱—RC 梁：纵筋焊接或搭接节点 型钢混凝土柱—钢筋混凝土梁
外侧环梁纵筋 环梁纵筋 环梁箍筋 外侧环梁纵筋
1 梁纵筋 内侧环梁纵筋 补强钢筋或钢板 1
梁纵筋
肋钢筋
内侧环梁纵筋
1-1 剖面
CFST 柱—RC 梁：穿筋式节点 钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁
三、圆钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能 四、钢管约束混凝土柱典型工程应用
一、钢管约束混凝土柱的特点
1.传统钢管（型钢）混凝土柱的不足
型钢混凝土柱截面
SRC柱截面
型钢混凝土柱—钢梁节点
柱内型钢 加劲肋 柱纵筋与箍筋 梁纵筋
加劲肋 排气孔
型钢混凝土柱—钢筋混凝土梁 SRC 柱—RC 梁：纵筋贯通节点
5000
4000
Nu fcc Ac f b Ab f a Aa
极限承载力
约束混凝土 承载力 纵筋承载力 型钢承载力
Nuc(kN)
3000
2000 本文 Amir Fam O'Shea Peter Hong Mei Prion 系列7 0 1000 2000 3000 4000 5000
1000
ε（με）
ε（με）
ε（με）
钢管屈服点对应于峰值荷载点
1.2 1 0.8
N / Nu
3000
2000
N (kN)
0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 c-150-3-80-a-235 c-150-3-80-b-235 c-150-3-80-c-235 c-150-3-80-d-235
1000
ε εv ε v εh/h/
yield 屈服 0 0 0.5 1
εh/εv
1.5
2
2.5
ε/εu
归一化的荷载-变形曲线对比
环向应变与纵向应变之比
构件模式对承载力、延性无明显影响
破坏阶段主要是环向应变
3、圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱
Da
A A
Ba
A A A A A-A B B B-B
试验参数： 3组11个试件 混凝土强度:C80 钢管径厚比:70,100 钢管强度:Q235,Q345
C50混凝土试件的破坏模式：混凝土压溃破坏
3000
3000
3000
3000
2000
2000
N (kN)
N (kN)
2000
1000 c-150-3-80-a-235 钢管屈服 yield 0 0 5000 10000 15000 20000 25000
1000 c-150-3-80-b-235 钢管屈服 yield 0
构件模式c
构件模式d (无钢筋)
c-150-3-80-a-235 c-150-3-80-b-235
c-150-3-80-c-235
c-150-3-80-d-235
C80混凝土试件的破坏模式：剪切破坏
c-210-3-50-a-235
c-210-3-50-b-235 c-210-3-50-c-235
c-210-3-50-d-235
2147 2185 3198
31.2
0.14
3095 3031
短柱轴压承载力显著高于简单叠加承载力 圆钢管约束混凝土柱轴压承载力高于钢管混凝土柱 钢管分隔越多，承载力高
2、圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱
N
位移计 应变片
试件
构件模式a
N
构件模式b
试验参数： 5组20个试件 混凝土强度：C50、C80 钢管径厚比：50、70、100 钢管强度：Q235， Q345
试测承载力
D
(mm)
简单叠加承载力
N ue
(kN) 1890
t
(mm)
L
(mm)
D/t

0.17
N s c
(kN) 1562 1569 1570
N ue N sc
1.210 1.393 1.600
26.6
2186 2514
1851
42.1 0.10
14ห้องสมุดไป่ตู้2 1450 1429
1613 1628 1675 1853 1868 1860 1508 1490 1495 2204 2204 2207
钢管在节点断开,不直接承受荷载,只对核心砼起约束作用 特点
连接方便
约束效果好，抗震性能优越， 轴压比限值高 抗火性能好，无需防火保护 钢管无屈曲问题
钢梁
钢筋 砼梁
充分利用高强混凝土和高强 钢材的强度 提高纵筋率，保 证“强剪弱弯”
可不配钢筋笼， 混凝土浇筑方便
钢管约束型钢混凝土柱
钢管约束钢筋混凝土柱
1000
钢管屈服点对 应于峰值荷载点 构件模式对承 载力、延性无明 显影响
0
荷载-变形曲线对比
5000
1.2 1 0.8
ε /με
归一化的荷载-变形曲线对比
ε/εu
4000
3000 2000 cs-210-3-80-a-235 cs-210-3-80-b-235 cs-210-3-80-c-235 cs-210-3-80-a-345 cs-210-3-80-b-345 cs-210-3-80-c-345 0 5000 10000 15000 20000
0.6 0.4
ccft-140-3-70
0.2 0.0 0 1
c-140-3-70-a c-140-3-70-c

4
ε /με
ε/εu
2
3
圆钢管约束混凝土延性与钢管混凝土无明显差别
均为剪切破坏
承载力对比
组别 试 件编 号 ccft-133-5-70 c-c-1 c-133-5-70-a c-133-5-70-c ccft-140-3-70 c-c-2 c-140-3-70-a c-140-3-70-c c-133-5-75-a-1 m-c-3 c-133-5-75-a-2 c-133-5-75-a-3 c-133-6-75-a-1 m-c-4 c-133-6-75-a-2 c-133-6-75-a-3 c-140-3-75-a-1 m-c-5 c-140-3-75-a-2 c-140-3-75-a-3 c-160-5-75-a-1 m-c-6 c-160-5-75-a-2 c-160-5-75-a-3 159 5.1 480 139 3.3 420 133 6.1 399 133 5.0 399 139 3.3 420 133 5.0 399
2000 kN 压力 传感器 2500 kN 液压 千斤顶 四联杆
1.302 1.411 1.634
1.455 1.453 1.387 1.206 1.213 1.223 1.406 1.441 1.462 1.451 1.405 1.374
2046 2330
2347
26.6
0.17
2366 2324 2234
21.8
0.21
2267 2275 2120
42.1
0.10
2000 cs-210-3-80-a-235 cs-210-3-80-b-235 cs-210-3-80-c-235 csrc-210-80 钢管屈服 0 5000 10000 15000 20000 cs-210-3-80-a-235 cs-210-3-80-b-235 cs-210-3-80-c-235 0 1 2 3 4
1000 c-150-3-80-c-235
N (kN)
N (kN)
2000
1000
钢管屈服 yield
0 0 5000 10000 15000 20000 25000 0
c-150-3-80-d-235 yield 钢管屈服 0 5000 10000 15000 20000 25000
ε（με）
0
5000 10000 15000 20000 25000
0
约束混凝土抗压强度
f f fcc fco (1.254 2.254 1 7.94 r 2 r ) fco fco
Nue (kN)
承载力公式与试验结果对比
混凝土的约束应力
fr
2tf y D 2t
f co 非约束混凝土抗压强度
三、圆钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能
1、压弯构件滞回性能的试验研究