钢管混凝土柱讲解

课程结束
1 e 0
φ0－ 按轴心受压柱考虑的φ1值
2. 格构柱的承载力计算
N

N
* u
N
* u


l*
* e
N
* 0
i
N
* 0

N 0i
1
Nu * －格构柱的整体承载力设计值 N0i －格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值，按
公式确定
φ1* ，φe* － 考虑长细比影响，偏心率影响的整体承载
N
x Nu

(1


c
)
(1


0.8
Mx N
N
' Ex
)M
ux
1
同时满足下式：
Mx
1
(1

0.8
N
N
' Ex
)M
ux
并应按下列公式计算弯矩作用平面外的稳定性
N Mx 1 y Nu 1.4M ux
x y—— 分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面
外的轴心受压稳定系数
N
' ——系数，值为
力折减系数。
在任何情况下都应满足下列条件：
φ1*φe* ≤φ0* φ0* － 按轴心受压柱考虑的φ1*值
3.变形计算
（1）压缩和拉伸刚度
EA Ea Aa Ec Ac
（2）弯曲刚度
EI Ea Ia Ec Ic
Aa Ia －钢管横截面的面积和对其重心轴的惯性矩 Ac Ic －钢管内混凝土横截面的面积和对其重心轴的惯性矩 Ec Ec －钢管和混凝土的弹性模量
5.钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数
对单肢柱：
钢管混凝土柱考虑长细 比影响的承载力系数 1 当 Le D 4时，1 1 0.115 Le D 4 当 Le D 4时，1 1
D－钢管的外径； Le－柱子的等效计算长度，按规程公式计算。
6.钢管混凝土柱等效计算长度
M unx M uny
（5）双轴压弯矩形钢管混凝土构件应按下列公式计
算绕主轴x 轴的稳定性：
N
x Nu

(1

c
)
(1
x M x
0.8
N
N
' Ex
)M
ux
yMy
1.4M uy
1
同时满足下式：
xMx
yMy 1
(1
0.8
N
N
' Ex
)M
ux
1.4M uy
并应按下列公式计算绕主轴y轴的稳定性：
f —— 钢材抗弯强度设计值，考虑地震作用组合时应除以抗
震调整系数 RE ；
D，B —— 分别为矩形钢管截面垂直和平行弯曲轴的边长；
t —— 钢管壁厚；
dn —— 管内混凝土受压区高度，按下式计算：
dn

(B
As 2Bt 2t) fc
4t
f
（2）弯矩作用在一个主平面内（绕x轴）的矩形钢管 混凝土压弯构件弯矩作用平面内的稳定性：
2. 钢管混凝土柱节点
（1）外加强环刚接节点（外隔板节点）
横梁为工字型截面钢梁的刚性节点
（2）内加强环刚性节点 （内隔板节点）
（3）铰接节点
（4）方（矩形）钢管混凝土柱节点 内隔板节点
外隔板节点
3.钢管混凝土柱的对接接头 （1）变直径的对接接头
（2）不变直径的对接接头
4.钢管混凝土柱柱脚
（3）弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土拉
弯构件：
N
M

1
fAsn
M un
（4）弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯矩形钢管
混凝土构件的强度应按下列公式计算：
N N un

(1

c
)
Mx M unx

(1

c
)
My M uny
1
同时满足下式：
Mx My 1
M unx
M uny
M y —Mx— 分别为绕主轴x、y轴作用的弯矩设计值； ——分别为绕x、y轴的净截面抗弯承载力设计值
第五章 钢管混凝土柱
5.1 钢管混凝土的特点
钢管混凝土也称作为钢管套箍混凝土（Steel Tube-Confined Concrete，或Concrete-Filled Steel Tube ）,它是在钢管内灌入混 凝土而形成的一种组合结构。钢管混凝土结构按截面形式的不 同可以分为矩形截面、圆形截面和多边形截面，其中圆形截面 和矩形截面钢管混凝土结构应用最为广泛；实心和空心钢管混 凝土。
fy —— 钢材的屈服强度； E—s — 钢材的弹性模量；
—— 矩形钢管混凝土轴心受压构件的长细比,计算如下
l0
r
l0—— 轴心受压构件的计算长度； r—— 矩形钢管混凝土轴心受压构件截面的折算回转半径，
按下式计算
r Is Ic Ec Es As Ac fc f
I c I—s 分别为钢管和管内混凝土截面对形心轴的惯性矩； Ec— 管内混凝土的弹性模量。
N Nu
－轴心受压杆件的稳定系数
Nu－轴心受压时截面抗压承载力设计值

1 0.652
1 2
2
[(0.965

0.300


2
)

(0.965 0.300 2 )2 42 ]
0.215 0.215
— 相对长细比，按下式计算：
fy Es
钢管混凝土柱的等效长度应按下列公式确定：
Le＝kl0 l0= µl l0－框架柱或杆件的计算长度 l－框架柱或杆件的长度 k－等效长度系数，按照规程进行计算。 µ－计算长度系数
5.4 矩形钢管混凝土柱的计算
1.轴心受力构件的计算 （1）轴心受压构件的强度
N≤Nu N－轴心压力设计值 Nu－轴心受压时截面抗压承载力设计值，按下式计算
uny
5.5 钢管混凝土柱节点
1.一般规定 设计节点式一般应满足以下设计原则： (1)节点应具有足够的整体刚度和承载力，能满足强柱
弱梁，节点更强的原则。 (2)节点构造应满足实际中采用的计算模型。刚接或铰
接，明确而不含糊。 (3)节点应满足传递内力的功能要求，传力途径明确，
简洁而可靠。
(4)在满足以上三项原则的基础上，尽可能使节点构 造简单，节约钢材和施工方便。
➢ >1.0时，核心混凝土承载力的提高超过了钢管纵向承载
力的减小， 出现了曲线上升的强化阶段bc。
➢ <1.0时，核心混凝土承载力的提高不足以弥补钢管纵向承
载力的减小，曲线出现下降段。
➢ ＝0.4，曲线无塑性段，呈脆性破坏。
3. 轴心受钢管压混凝土长柱
轴心受压钢管混凝土长柱受力性能复杂，与钢结构相似。 存在强度破坏和稳定破坏。 （1）对于长细比小的短柱，破坏是由于钢管的屈服和混凝土 三向受压下的强度破坏所致。 （2）对于长细比大的长柱，其破坏是由于弹性失稳。欧拉公 式。 （3）对于中等长度的中柱，其破坏是由于弹塑性失稳。修正 的欧拉公式。
M —— 弯矩设计值；
c —— 混凝土工作承担系数，按下式计算；
c
fc Ac fAs fc Ac
N—un— 净截面抗压承载力设计值 M—un— 只有弯矩作用时净截面的抗弯承载力设计值，按下式
计算
M un [0.5Asn (D 2t dn ) Bt(t dn )] f
Nu＝fAs+fcAc
f ，fc －分别为钢材和混凝土的抗压强度设计值，考虑地震作用
组合时应除以抗震调整系数γRE As Ac－分别为钢管和管内混凝土的截面面积 *当钢管截面有削弱时，应按下式计算净截面强度
N≤Nun Nun＝fAsn+fcAc
Asn－钢管的净截面面积
（2）轴心受压构件的稳定性计算
4. 偏心受压钢管混凝土长柱
➢ 曲线①是钢管混凝土长柱偏心受压 强度破坏时截面偏心力N与杆中挠 度的关系。工作分两个阶段。弹性 阶段OA；弹塑性阶段AB。
➢ 曲线②③是当钢管混凝土长柱长细 比λ>12，偏心受压构件承载力由稳 定决定时的压力N与杆中挠度的关 系曲线。曲线的最高点是偏压构件 稳定承载力的极限。
（3）矩形钢管混凝土轴心受拉构件的强度应按下式计算
N Asn f
N— 轴心拉力设计值； f— 钢材的抗拉强度设计值
2.压弯、拉弯构件的计算
（1）弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土压
弯构件的强度
N N un

(1
c
)
M M un
1
同时满足下式
M 1
M un
N —— 轴心压力设计值；
Ex
N Ex
1.1
N
——
Ex
欧拉临界力，按下式计算：
NEx

Nu
2Es x2 f
M ux—— 只有弯矩作用时截面的抗弯承载力设计值，
按下式计算：
M ux [0.5As (D 2t dn ) Bt(t dn )] f —— 等效弯矩系数，按《钢结构设计规范》 GB50017-2003采用
N－轴向压力设计值； Nu－钢管混凝土单肢柱的承载力设计值； N0－钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值； θ－钢管混凝土的套箍指标； fc － 混凝土的抗压强度设计值； Ac 、Aa－钢管内混凝土、钢管的横截面面积； fa －钢管的抗拉，抗压强度设计值；
1、e －考虑长细比影响，偏心率影响的承载力折减系数。
➢ 钢管混凝土偏心受压构件的工作性能特点：在接近破坏时， 外荷载增量很小，而变形发展的很快。
➢ 和钢构件相比，曲线过B点后平缓的多，说明由于有紧箍力 的作用，不但提高了核心混凝土的承载力，而且还增加了 构件的延性。
➢ 影响钢管混凝土偏心受压构件承载力的两个重要参数：长 细比，偏心率。
5.3 圆钢管混凝土柱的计算和设计
5.2 钢管混凝土柱的工作性能
1.钢管混凝土柱的几个影响参数
(1) 含钢率
As
Ac
(2) 约束效应系数
As fy
Ac fck As f
Ac fc
一般在0.3~4.0之间，宜大于等于3.0 钢管混凝土规程称为套箍系数（招标）
(3) 径厚比或高厚比
圆钢管
D/t≤150(235/fy)
4.钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数 对单肢柱
当e0/rc≤1.55时
e 1/(11.85e0 / rc ) e0 M 2 / N
当e0/rc > 1.55时
e 0.4 /(e0 / rc )
e0－柱两端轴向压力偏心距较大者； rc－核心混凝土横截面的半径； M2－柱两端弯矩设计值的较大者； N－轴向压力设计值。
圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应，受 力性能比矩形钢管混凝土柱好，相比而言承载力提 高最大，也最经济。
《钢管混凝土结构设计与施工规程》承载力设计 方法（CECS28:90） 。
1.单肢柱承载力计算
N Nu
Nu le N0
N0 fc Ac (1 )
fa Aa / fc Ac
钢管混凝土的基本原理是依靠内填混凝土的支撑作用，使得 钢管的稳定性增强，同时核心混凝土受到钢管的“约束”作用 或称之为“套箍”作用，使核心混凝土处于三向受压应力状态, 延缓混凝土内部纵向微裂缝产生和发展的时间，从而使得核心 混凝土具有更强的抗压强度和抵抗变形能力。
特点： 1.承载力高 2.具有良好的塑性和抗震性能 3.施工简单，可以大大缩短工期 4.钢管混凝土柱的耐火性能好于钢柱 5.可采用高强度混凝土
方（矩形）钢管 D/t≤60(235/fy)1/2
(4) 长细比
2. 轴心受压的钢管混凝土短柱（L/D=3~3.5）
钢管混凝土短柱的一 次压缩工作曲线分为 三个阶段: （1）弹性阶段 oa （2）弹塑性阶段 ab （3）强化阶段 bc
➢ ＝1.0时，核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的提高恰好
弥补钢管因异号应力场使纵向承载力的减小，所以出现了塑 性的水平段bc。
N
y Nu

(1

c
)
(1


0.8
yMy
N
N
' Ey
)
M
uy
xMx
1.4M ux
1
同时满Leabharlann Baidu下式：
yMy
xMx 1
(1
0.8
N
N
' Ey
)M
uy
1.4M ux
x y —— 分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面
外的轴心受压稳定系数；
x y—— 分别为在计算稳定的方向对Mx和My的弯
矩等效系数，参见《钢结构设计规范》GB500172003；
M ux M uy —— 分别为绕x、y轴的抗弯承载力设计值。
（6）弯矩作用在两个主平面内的双轴拉弯矩形钢管混 凝土构件应按下式计算
N Mx My 1 fAsn M unx M uny
式中
M
x、M
y、M
unx、M
等代号与（5）条相同。