钢管混凝土

A(M ,N )
Ⅰ Ⅱ
o
Ⅲ
M
相互关系公式为
M
m W sc 1 N / N E f sc
y
N a A f y sc sc
N b A f y sc sc
2
N c A f y sc sc
2
1
2、破坏形态。钢管混凝土的破坏形态主要与含钢 率有关，当含钢率较低（ 4 %）时，钢管对 核心混凝土的侧向约束很小，基本上属于单向 受压，其承载能力相当于钢管与混凝土两者承 载能力的简单叠加，其破坏形态属于脆性破坏； 当含钢率在 5 % 6 % 时，表现出明显的塑 性性质，强度与变形能力都有显著的提高；当 时，钢管、 6 % 混凝土强度与变形均大大提高， 钢管混凝土的优越性得到了充分发挥。工程实 践证明，钢管混凝土的含钢率一般都应在5%以 上，通常在5%~18%最佳，其破坏形态属于塑性 破坏
sc sc
M 1 . 071 m W sc f sc

N A sc f sc
1
当 N / A sc 0 . 2 f sc 时，
M N 1 . 4 A sc f sc 1
m W sc f sc
2、按稳定计算承载力公式 当 N / A sc 0 . 2 f sc 时，
mM
1 . 071 m W sc 1 0 . 4 N N E f sc N
2
混凝土 2
侧压力 套箍系数
p


2 As f s
Ac f c
fc
2、统一理论 （1）抗压强度设计值
在钢管混凝土结构中，由于钢材种类、混凝土强度及 含钢率不同，得到的组合强度标准值不同，这样计算 起来比较复杂，为了便于应用，提出以 3000 对应 于纵向应变为的平均应力为组合强度标准值或称之为 钢管混凝土的组合屈服点。通过大量试验与计算分析， f 与套箍系数呈二次函数关系，即 / f 发现
E sc 420 550
（3）单枝柱承载力计算 单肢柱承载力计算一般分为强度和稳定两种情况分别考 虑。强度设计以达到组合强度标准值为极限状态，即 轴心受压柱的极限承载力为
轴心受压柱的稳定承载力取决于构件的临界应力 cr 。 钢管混凝土轴心受压构件的临界应力按具有L/1000的 初始偏心受压构件确定。保证构件不发生失稳破坏， 轴心受压构件的稳定承载力应满足下列条件，即
N
cr
Nu f
y sc
A sc
A sc
N f sc A sc 设计公式为 式中， 钢管混凝土轴心受压构件稳定系数。
8.2钢管混凝土轴心受拉构件 一、工作原理 钢管混凝土结构主要是用于受压构件，但在实际工程 中有时出现钢管混凝土构件或构件的一部处于受拉状 态，如压弯、受弯构件等。钢管混凝土轴心受拉时， 钢管纵向伸长，径向收缩，由于钢管内混凝土限制钢 管的径向收缩，在钢管与混凝土之间产生了紧箍力。 但是混凝土的抗拉强度很低，在拉力较小时，混凝土 横向开裂形成很多微细裂缝。其 受力特点： 是钢管 为纵向、环向受拉，而径向受压，并且一开始受力就 产生紧箍力；核心混凝土处于环向和径向等值侧向压 力的作用，而纵向不受力。 总之，钢管混凝土轴心受拉时，钢管承受纵向拉力， 内部混凝土仅起着约束钢管横向变形的作用，混凝土 的约束作用使钢管产生紧箍力，从而提高了钢管的纵 向承载力。
A sc f sc
1
当
N / A sc 0 . 2 f sc
时，
N 1 . 4 A sc f sc 1
mM m W sc 1 0 . 4 N N E f sc
式中， m 等效弯矩系数。无侧移框架柱，且无横向 荷载作用时，取 m 0 . 65 0 . 35 M 2 / M 1 ，有侧移框架 柱时，取 1 . 0 ， M , M 分别为端弯矩；f s 钢 材抗拉、抗压设计强度。
c s
8.3偏心受压钢管混凝土柱 一、工作原理 当钢管混凝土受到偏心力作用时，一开始就发生了挠 曲，截面上的应力分布不均匀，如果构件长细比较小 时，构件在达到极限承载力之前截面按塑性发展，构 件破坏为强度破坏，当构件长细比较大时，构件的承 载力取决于稳定。 试验知钢管混凝土偏压柱的荷载与变形曲线明显分成 三个阶段，其一是弹性阶段；其二是弹塑性阶段；其 三是破坏阶段。
y sc ck
f
y sc ck
y sc
1 . 212 B C
2
f
ck
f 式中， , f 分别为组合强度标准值和核心混凝土的抗压强度标准 A , A —分别为钢管和 值； —套箍系数， A f / A f， 核心混凝土截面面积， f y 钢材屈服强度
s y c ck
s c
B
0 . 1759 f y 235
0 . 974
C
0 . 1038 f ck 20
0 . 0309
（2）弹性模量
通过试验，得到钢管混凝土轴压柱的典型 曲线。 得到钢管混凝土各个受力阶段的组合弹性模量。 弹性阶段 组合弹性模量为 组合比例极限为
f
E sc
f sc
二、承载力计算
钢管混凝土偏压构件受力实质上是受到轴向压力N和弯矩M 同时作用，可以简化为三种不同加载路径。路径Ⅰ是先施加轴 向力作用，并保持其大小与方向不变，再施加弯矩，轴心受压 柱在水平荷载作用属于此中情况；路径Ⅱ是轴压力与弯矩同时 按比例增加，偏心受压柱为此种情况，工程中比较常见；路径 Ⅲ是先施加弯矩作用，并保持其大小与方向不变，再施加轴向 力作用，此中情况工程中不多见。 影响钢管混凝土压弯构件轴力N与弯矩M关系的主要因素有钢 材与混凝土材料强度、含钢率及构件长细比等，通过试验研究 和计算分析得到其相互关系为
s
s
s
二、设计理论
1、极限平衡理论
混凝土
c
c
N A c c As z 1
线性 非线性
f c 1 1 .5
p fc 1 k fc
p
p 2 fc fc
钢管
z1
fs
2
Ac Ac 3p p As As
4、施工简单，缩短工期。在钢管混凝土结构中，钢管既 是模板，又是纵筋和箍筋，为此，可以省去模板的制作 与安装，节省脚手架、绑扎钢筋等工序。 5、抗震性能优越。钢管混凝土结构自重轻，可以减小地 震作用，特别是由于钢管的存在增加了结构延性，从而 提高构件及结构抗震性能。 6、比钢结构抗火性能优越。在钢管混凝土结构中，由于 管内混凝土能够吸收大量热能，在遭受火灾时，钢管截 面温度场分布不均匀，增加构件的耐火时间，为此，钢 管混凝土结构比钢结构具有良好的抗火性能。 7、有利于采用高强混凝土。高强混凝土强度高，但其延 性差、脆性大，作为结构特性是不允许忽视的缺点，为 此，克服高强混凝土的延性差、脆性大的缺点是工程中 应用高强混凝土的关键，将高强混凝土充填到钢管内， 可以做到改善其延性差、脆性大的缺点，进一步发挥高 强混凝土性能。
8.1轴心受压构件
一、工作原理 钢管混凝土轴心受压构件由于加载方式、构造及施工 工艺不同，钢管与混凝土受力会出现三种不同情况。 一种情况是外荷载直接作用在混凝土上，通过钢管与 混凝土的粘结力将纵向压力传递给钢管，钢管并不直 接承受纵向荷载，第二种情况是通过加载板同时将外 荷载传递到钢管与混凝土上，第三种情况是施工时钢 管已经承受纵向力或者因为混凝土收缩造成混凝土顶 面比钢管顶面低，在外荷载作用时，钢管首先承受纵 向压力，只有当钢管压短至与混凝土顶面相同时混凝 土才与钢管共同分担纵向压力，试验证明这三
种情况下极限承载能力大致相当没有 明显wk.baidu.com别
1、受力与变形。在荷载作用初期，钢管与混凝土各自 基本上处于单向受压状态，随着纵向压力的增加，混 凝土裂缝不断扩展，由于钢材的泊松比变化很小，混 凝土泊松比不断增大，混凝土的横向变形超过了钢管 的横向膨胀，混凝土对钢管产生侧向压力，钢管对混 凝土产生横向约束，使钢管处于纵向受压、环向受拉 的双向应力状态，而混凝土处于三向受压状态，荷载 的增加，钢管与混凝土的受力都在不断增加，此时钢 管还是处于弹性工作阶段；当纵向压力增加到一定程 度，钢管达到剪切屈服，钢管进入弹塑性阶段，混凝 土应变发展加剧，荷载与变形曲线已呈明显曲线。荷 载继续增加，钢管的环向拉应力增大，核心混凝土所 受侧压力增大，提高了核心混凝土的抗压强度，同时， 钢管内力发生了变化，由开始的主要承受纵向压力转 变为承受环向拉应力。荷载继续增加试件破坏。测试 钢管的纵向变形明显小于核心混凝土的变形。
圆形钢管混凝土、方形钢管混凝土和多 边形钢管混凝土 ta 混凝土
tf lo x
钢管
粘结层
钢管
CFRP布（板）
ta tf
混凝土 钢管
混凝土
混凝土
）
CFRP布 连接件
凝土
优点
1、承载力高。在钢管混凝土结构中，保证了薄壁钢管的 局部稳定性，不至于发生局部屈曲，而混凝土受到钢管 约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使混 凝土的抗压强度提高几倍。 2、塑性性能好。在钢管混凝土中，混凝土受到钢管的约 束，混凝土处于三向受力状态，不仅改善了使用阶段的 弹性性质，而且破坏时产生较大的塑性变形，试验证明， 钢管混凝土受压构件属于塑性破坏。 3、经济效益显著。钢管混凝土结构同钢结构相比大约可 以节省钢材50%左右。同钢筋混凝土结构相比，可以减 少混凝土50%左右，用钢量大致相当，减轻自重50%以 上，并且由于构件截面尺寸大大减小，增加建筑物的使 用面积和有效空间，可见，其经济效益非常显著
p
p
sc
y f sc
p sc
fy 0 . 192 0 . 488 235
组合比例应变为

p sc
0 . 67
fy Es
弹塑性阶段 此阶段可以假设切线模量按二次抛物线变化，有
E sc


f f
y sc
f
p sc
y sc
f
p sc
E sc

p sc 2
式中，
E sc f 1 y E sc f sc
p sc

2
；
E sc f 1 f y ； 截面平均应力。 E sc sc
强化阶段 在强化阶段，钢管混凝土的 关系基本按线性变化， 组合模量基本上仅与套箍系数有关，近似取
钢与混凝土组合结构
钢管混凝土结构-8
王连广
2010年11月
第八章钢管混凝土结构
在钢管中充填混凝土的结构称之为钢管混凝土结构， 它是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以 及钢管结构的基础上演变和发展起来的。根据钢管截 面形式，常用的主要有方钢管混凝土、圆钢管混凝土 及多边形钢管混凝土结构之分。钢管混凝土作为受压 构件更能充分发挥混凝土所具有的优越抗压性能和钢 材所具有的优越抗拉性能。一方面借助内填混凝土增 加钢管的稳定性，对于薄壁钢管很容易发生局部屈曲， 而在钢管内充填混凝土大大提高了管壁的侧向刚度， 增加了钢管的稳定性。另一方面，利用了钢管对混凝 土的紧箍力，这种紧箍力改变了混凝土的受力状态， 将单向受压改变为三向受压，提高了混凝土的抗压强 度，钢管混凝土结构的特点表现为：
式中， M 构件计算范围内的最大弯矩； N 构件所受轴 力； N E —欧拉临界力； W 组合截面抵抗矩； m 截 面抗弯塑性发展系数； 轴心受压构件稳定系数； A sc 组合截面面积； f y 组合材料强度标准值
sc
sc
为了便于设计，可以对上式进行简化，得到钢管混凝土 压弯构件承载力计算公式为 1、按强度计算承载力公式 当 N / A 0 . 2 f 时，
二、轴心受拉构件承载力计算 根据钢管混凝土轴心受拉构件的工作原理，钢管混凝土 轴心受拉承载力可以按钢管计算，即
N
T 0
Kf y A s
式中， K 抗拉强度提高系数， 1 . 1 0 . 04 0 . 14 2， K 空心率， r r ， r , r 分别为核心混凝 c s 土外半径和钢管的外半径。