（水利工程专业论文）钢—混凝土组合柱在高层建筑中的应用.pdf

大连理工大学工程硕士学位论文摘要 摘要 大量的震害表明，建筑物会否倒塌在很大程度上取决于柱的设计，特别 是随着高层建筑和大跨结构的发展，柱的轴力越来越大，柱不但需要很高的 承载力而且需要较好的延性以防止建筑在大震情况下倒塌。本文在总结国内 外文献的基础上，研究和分析了几种重载柱，例如钢骨混凝土柱、钢管混凝 土柱的受力性能及特点，在此基础上提出了一种重载柱设计的新模式。这种 柱集钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱的优点于一身，称为钢骨钢管混凝土组 合柱。这种柱在钢管中埋设钢骨并填充高强混凝土，这种柱可用于千吨级以 上柱的设计，不但具有很高的承载力而且具有很高的延性水平。 本文主要完成了以下工作： 通过试验研究分析了钢骨一钢管混凝土组合柱的工作机理，建立了组合 柱轴心受压承载力的计算公式：编制了钢骨一钢管混凝土压弯组合柱承载力 数值模拟程序；重点研究了钢骨钢管混凝土组合柱与钢梁或混凝土梁的联 结方式。并以已建春柳高层建筑底层柱为例，进行了试设计，证明用钢骨一 钢管混凝土柱取代钢筋混凝土柱，将带来很大的经济效益和社会效益。 从试验研究、理论分析和试设计的结果，可以看出钢骨钢管混凝土柱 具有很高的承载力和很高的延性，这种柱具有广泛的应用前景，特别适用于 高地震烈度区柱的设计。 关键词：钢骨一钢管混凝土组合柱；承载力；延性；高层建筑；梁柱节点 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h r i s ea n dl o n g s p a nb u i l d i n g c o l u m n sh a v et o b e a rh i g b e ra n dh i 曲e ra x i a ll o a d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nt od a m a g ec a u s e db y e a r t h q u a k e s ，p e o p l eh a v er e a l i z e dt h ed e s i g no fc o l u m n sp l a yak e yr o l et op r e v e n t t h ec o l l a p s eo fb u i l d i n gi ns t r o n ge a r t h q u a k e s t om e e tt h i sn e e d ，t h ec o l u m n sa r e r e q u i r e dt oh a v eh i 曲s t r e n g t ha sw e l la sh i g hd u c t i l i t y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e p r e s e n tr e s e a r c hi nh e a v yl o a d c a r r y i n gc o l u m n sa n da n a l y s e st h ew o r k m e c h a n i s m sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m n sa n dc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m n s t h e nan e wd e s i g nm o d e lf o rh e a v yl o a d c a r r y i n g c o h m m si se s t a b l i s h e d t h i sc o l u m nw h i c hh a st h em a i na d v a n t a g e so ft h es t e e l r e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m na n dt h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r c o l u m ni sc a l l e d a sc i r c u l a rs t e e lt u b u l a rc o l u m nf i l l e dw i t hs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t e t h i sk i l a do f c o l u m n sc a nb eu s e di nh i g h - r i s eb u i l d i n g sb e c a u s eo ft h e i rh i g hl o a d - c a r r y i n g c a p a c i t ya n de x c e l l e n td u c t i l i t y r e f e r r i n gt h ea p p l i c a t i o no fc o m p o s i t es t e e l c o n c r e t ec o l u n m si nh i g h r i s eb u i l d i n g s ，t h em a j o rc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do nt h et e s tr e s u l t so fc o n c e n t r i c a l l yl o a d e dc i r c u l a rs t e e lt u b u l a r c o l u m n sf i l l e dw i t hs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，w o r km e c h a n i s m so ft h i sc o m p o s i t e c o l u m na r es t u d i e d ac a l c u l a t i o ne q u a t i o nf o rt h es t r e n g t hp r e d i c t i o no ft h e c o m p o s i t ec o l u m n si sp r o p o s e d s e c o n d l y , am o d e lc a l c u l a t e dt h es t r e n g t ho f c o m p r e s s i o n - b e n d i n gc o m p o s i t ec o l u m n si se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ep r o b l e m a b o u tb e a m c o h m mj o i n ti s m a i n l ys t u d i e da n ds o i t i ed e s i g nm e t h o d sa r e s u g g e s t e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，t h ea u t h o rd e s i g n st h ec o l u m n so nt h eg r o u n d f l o o ro fc h u n l i uh i g h r i s eb u i l d i n g t h ea d v a n t a g e so fc i r c u l a rs t e e lt u b u l a r c o l u m n sf i l l e dw i t hs t e e l r e i n f o r c e dc o n c r e t ea r ed i s c u s s e db yc o m p a r i s o nt o r e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n s f r o mt h ea b o v ea n a l y s i s ，w ec a nc o n c l u d et h a tc i r c u l a rs t e e lt u b u l a rc o l u m n s f i l l e dw i t hs t e e l - - r e i n f o r c e dc o n c r e t ew h i c hh a v eh i g hl o a d - c a r r y i n gc a p a c i t ya s w e l la se x c e l l e n td u c t i l i t yc a nb eu s e dw i d e l ye s p e c i a l l yi nt h eb u i l d i n g so fs t r o n g s e i s n f i ci n t e n s i t yz o n e k e y w o r d s ：c i r c u l a rs t e e lt u b u l a rc o l u m nf i l l e dw i t hs t e e l - r e i n f o r c e dc o n c r e t e ， l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y , d u c t i l i t y , h i g h r i s eb u i l d i n g ，b e a m c o l u m nj o i n t 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究钢一混凝土组合柱的意义 随着建筑结构向更高、跨度更大、荷载更重的方向发展，建筑物中的柱 子承受越来越大的荷载。通过对地震灾害的调查，人们认识到建筑物承重柱 的设计是关系到建筑物在大震下能否倒塌的关键，特别是在高轴压力作用下， 柱子不但要有足够的强度而且应有较好的延性。如果采用普通钢筋混凝土柱， 柱子的截面往往非常大，这不但占用较多建筑物的使用空间，而且会使柱子 的剪跨比较小，形成不利于抗震的短柱。若采用高强混凝土柱，可以在一定 程度上减小柱子的截面面积，增大使用空间，但高强混凝土受压时脆性高、 延性很差，并且高强混凝土的脆性随着强度提高而愈益严重 t l 。为了克服高 强混凝土延性差的弱点，需采用较复杂的箍筋形式来增强对高强混凝土的约 束力。而近来的试验表明，用箍筋约束的高强混凝土柱，虽然已经用了很高 的配箍率，但在较高的轴压比下仍不能达到普通混凝土柱所具有的抗震延性 2 j 。 钢一混凝土组合结构正得到国内外学者的密切关注，在钢一混凝土组合 结构中，由于两种不同性质的材料扬长避短，各自发挥其特长，因此具有一 系列的优点。高层建筑中常见的钢一混凝土组合柱有钢骨混凝土柱和钢管混 凝土柱。研究结果表明，由型钢与混凝土组合成的柱子具有较高的承载力、 良好的延性p - 6 j 。与钢筋混凝土柱相比，钢一混凝土组合柱在给定荷载条件下， 组合柱具有较小的横截面积和较高的承载力。因此，在建筑物中使用组合柱 可以解决高层建筑中的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题， 并且可以显著增加建筑物的使用空间，简化了施工，获得较大的经济效益。 与钢柱相比，可提高柱子的稳定性，避免型钢出现局部的屈曲，同时还可节 省高层建筑的| 用钢量，提高结构的防火和防腐能力。 钢一混凝土组合柱已被广泛地应用到高层建筑中，但就目前常用的钢骨 混凝土柱和钢管混凝土柱，仍存在一定问题，如在钢骨混凝土柱中必须需配 置箍筋以防止混凝土的剥落，从而增加了施工的难度；而对钢管混凝土柱仍 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 需采取一定的措施提高其耐火性能。 本文在试验研究钢骨钢管混凝土组合柱的基础上，着重研究了钢骨一 钢管混凝土组合柱在高层建筑中的应用问题，希望通过钢管、钢骨和混凝土 的相互作用，进一步提高柱子的承载力、延性以及耐火性能，有效地减小柱 的截面尺寸，增加建筑物的使用空间，为工程设计提供新的设计模式。 1 2 高层建筑重载柱的研究现状 社会生产的发展促使了城市规模不断扩大，大城市的扩大带来了一系列 矛盾，如耕地的减少影响着农作物的供应，城市面积过大在城市人民生活的 道路、交通、水电供应等方面产生问题。这一切促使城市建筑向高耸、大跨 方向发展。高层建筑由于荷载较大，普通钢筋混凝土柱已不能满足设计要求， 特别是抗震设计中轴压比的要求。目前工程设计中，根据轴力的大小和抗震 的要求通常采用下列四种类型柱： 1 高强混凝土柱 高强混凝土系指c 5 0 以上的混凝土。目前多用c 6 0 ，若用到更高时，应 考虑施工条件的可行性。与普通钢筋混凝土柱相比，高层建筑中采用高强混 凝土柱，可在一定程度上减小柱截面尺寸，扩大柱网间距，增大建筑物的使 用面积空间，有较好的经济指标。此外，高强混凝土还有徐变小、弹性模量 高、耐腐蚀等优点。竣工于1 9 8 8 年的沈阳辽宁省工业技术交流馆是国内最早 应用现浇高强混凝土的高层建筑，房屋总高6 2 m ，在底部柱子采用c 6 0 混凝 土，比采用c 3 0 混凝土的原设计方案减少柱子截面5 6 7 i ，不仅增加使用面 积，美化建筑效果，而且在材料和施工费用上也取得经济效益，使整个主体 结构造价节约1 2 。 随着混凝土强度的提高，混凝土的脆性特性表现的越来越突出，因此设 计中通常采用复合箍筋、螺旋式或焊接环式箍筋，同时增大配箍率，以此提 高箍筋对核心高强混凝土的约束力，改善高强混凝土柱子的延性【8 ” 。 高强混凝土的脆性引起人们对其用于抗震结构的担心，强度等级愈高， 脆性愈大。国外虽然已用强度很高的c 8 0 c 1 2 0 级混凝土修建了许多钢筋混 凝土高层建筑，但一般都不在抗震设防区。由于地震，日本则对其在钢筋混 凝土高层结构中的应用作出了严格限制。事实上，高强混凝土脆性的危险主 ， 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 要发生在轴压比相对较高的柱子中。高强混凝土柱在高轴力和地震水平力的 作用下，截面受压区混凝土先于受拉钢筋屈服而压溃，或者柱发生剪压脆性 破坏。在高强混凝土柱中，箍筋的作用是有限的，试验表明，配箍率很高的 高强混凝土柱，其在较高轴压比下仍不能达到普通钢筋混凝土柱所具有的抗 震延性。因此对于高强混凝土柱的轴压比限值需要有更加严格的要求。 鉴于混凝土脆性随强度增加而增大，高轴压比下箍筋的作用有限，目前 能够采取的可能措施只能是限制c 7 0 、c 8 0 这些等级较高的高强混凝土在高 烈度地震设防区钢筋混凝土柱中的应用【2 】，除非这些柱的轴压比相对较低。 2 钢管混凝土柱 钢管混凝土柱是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的钢混凝土组合 构件。钢管混凝土柱可以充分发挥钢管与混凝土两种材料的作用，对混凝土 来讲，钢管使混凝土受到横向约束而处于三向受压状态，从而使管内混凝土 有更高的抗压强度和变形能力。对钢管来讲，由于钢管壁较薄，在受压状态 下容易局部失稳而不能充分发挥其强度潜力，填入混凝土后，大大增强了钢 管壁的稳定性，使其强度潜力可得到充分利用 1 2 , 1 3 】。在钢管混凝土中，由于 钢管能对混凝土提供连续的约束，且钢管具有很大的抗剪和抗扭能力，故可 以有效地克服高强混凝土脆性大、延性差的弱点，使高强混凝土的工程应用 得以实现，经济效果得以充分发挥【i4 1 。当钢管混凝土用于高层建筑中时，表 现出以下几方面优点： ( 1 ) 强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击。 ( 2 ) 设计时无需限制轴压比，而只需控制长细比。 ( 3 ) 钢管混凝土柱截面为轴对称，它在各个方向上的惯性矩、强度均相等， 因而很适用于受到地震、风载等作用方向不确定的结构。 ( 4 ) 钢管本身就可作为模板，可省去支模、拆模的工序，并且适用于泵送 混凝土，使浇注混凝土非常方便快捷。 ( 5 ) 钢管j 生扫奄工阶段可起支撑作用，从而可以简化施工安装工艺，节省部 分支架，并适宜于逆作法施工高层建筑的地下部分，从而大大减少了施工工 序和施工用地，缩短了施工工期。 在建筑物中采用钢管混凝土柱替代钢柱，可大大节约钢材；若替代钢筋 3 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减少截面5 0 左右，相应地节约 大量混凝土。当然钢管混凝土柱也有一定的不足之处，其耐火性和耐腐蚀性 都不如混凝土柱，但优于型钢柱。 建筑工程中应用钢管混凝土结构已有百年的历史，上个世纪初，美国就 在一些单层和多层结构中，采用圆形钢管混凝土柱，前苏联于2 0 世纪3 0 年 代，用钢管混凝土建造了1 0 1 m 的公路桥。目前在高层建筑中，采用钢管混 凝土柱也比较多。这是因为在高层建筑中，竖向及水平荷载均较大，尤其是 底层柱子受力往往很大，但建筑中不希望柱子尺寸过大，加上由于抗震要求 底层柱子应具有较好的延性，在施工上要求缩短工期，施工方便，而钢管混 凝土柱完全可以满足这些要求。例如，美国1 9 8 9 年建造的西雅图5 8 层的t w o u n i o ns q u a r e ，总高2 1 9 5 m ，其核心筒采用四根钢管混凝土柱，直径3 0 4 m ， 采用c 1 1 0 高强混凝土，可承担总负荷的4 0 。与钢结构方案比较，节省钢 材5 0 ，降低造价3 0 。 我国从1 9 5 9 年开始研究钢管混凝土的性能和应用，1 9 6 3 年成功地将钢 管混凝土柱用于北京地铁车站工程，此后又相继将其用于冶金、造船、电力 等部门的单层厂房和重型构架中以及高层建筑的框架结构中，如深圳的赛格 广场大厦、广州好世界大厦、广州新中国大厦、海口国际交流中心等。其中 广州好世界大厦( 3 3 层) 率先采用了c 6 0 级的钢管高强混凝土柱并获得成功。 目前国内采用钢管高强混凝土柱的高层建筑已有2 0 多座，由于采用了钢管高 强混凝土柱，大大减小了柱截面，从而增加了使用面积，取得了良好的经济 效益和社会效益。 随着钢管混凝土柱在工程中应用的增多，一些国家为此编制了相应的设 计规程，主要有欧洲标准化委员会编制的e u r o c o d e 4 ( e c 4 ) ，英目的b s 5 4 0 0 ， 美国的a c i3 1 8 8 9 、s s l c ( 1 9 7 9 ) 和l r f d ( 1 9 9 4 ) ，日本的a i j ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 1 5 - 1 ”。目前国内关于钢管混凝土结构的设计还没有国家标准，但一些行业制 定了设计规程主要有以下三种：国家建材工业局编制的钢管混凝土设计 与施工规程( j c j 0 1 8 9 ) ”，中国工程建设标准化协会编制的钢管混凝土设 计及施工规程( c e c s 2 8 ：9 0 ) ”圳和电力行业编制的钢一混凝土组合结构设 计规程( d l t 5 0 8 5 - 1 9 9 9 ) 2 0 o 对于钢管混凝土短柱的承载力的计算，日本采 4 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 用了简单的累加方法，没有考虑钢管的约束效应引起的混凝土强度的提高。 美国的三个规程也未考虑混凝土的紧箍力作用效应。欧洲、英国和中国的设 计规程考虑了圆形钢管对混凝土的约束作用。 目前对钢管混凝土的研究主要集中在以下几个方面口1 2 3 ： ( 1 ) 薄壁钢管混凝土结构的研究； ( 2 ) 钢管混凝土结构火灾后性能的研究： ( 3 ) 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究； ( 4 ) 方钢管混凝土柱力学性能的研究； ( 5 ) 钢管混凝土柱、梁节点的研究。 3 钢骨混凝土柱 钢骨混凝土柱( s r c ) 的特征是在型钢的外面有一层混凝土或钢筋混凝 土的外壳，n 止l 其既具有钢筋混凝土( r c ) 结构的特点，又具有钢结构的特点。 钢骨的形式有多种，总体上可分为实腹式和空腹式。钢骨混凝土柱与r c 柱 相比，由于配置了钢骨，大大提高了柱子的承载力。s r c 柱的受剪破坏过程 与r c 柱存在明显的不同。即使配置足够的箍筋，r c 柱的受剪一般呈明显的 脆性；而实腹式s r c 柱，很难形成主斜裂缝，破坏过程较为缓慢，具有一定 的延性，这就大大提高了结构的抗震性能【2 “。与钢结构相比，s r c 构件的外 包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，并能提高钢构件的整体刚度，显著改 善构件的平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。此外，钢骨混凝 土柱用于高层建筑时还具有以下设计施工优点： ( 1 ) 柱中型钢可不受含钢率的限制，故钢骨混凝土柱的承载力可以高于 同样外形的钢筋混凝土柱的承载力一倍以上，因而可以减少柱子的截面； ( 2 ) 钢骨混凝土柱中的型钢在混凝土浇灌前即已形成钢结构，能够承受 构件的自重和施工时的活荷载，并可以将模板悬挂在型钢上，节省了劳力和 材料，并缩短了施工工期； ( 3 ) 钢骨暹凝土结构与钢框架相比有较好的耐久性、耐火性，同时混凝 土外壳能与钢结构共同承担荷载，可大大节省钢材。 钢骨混凝土柱的主要缺点是混凝土浇注需要模板，同时为防止混凝土的 剥落，需配置箍筋。由于s r c 结构的配筋构造较为复杂，在工程设计阶段必 火连理t 大学工程硕士学位论文第一童绪论 须给予细致的考虑，否则将使得工程施工十分困难。同时国内外的试验研究 表明，当轴压比大于o 4 0 5 时，s r c 柱的抗震性能显著降低。试验分析表 明，影响s r c 柱延性的主要因素是r c 部分的轴压比，这是由于在破坏阶段 作用于r c 部分的轴力将向钢骨部分转移。因此，对于s r c 柱应限制其轴压 l e p s , z 6 i 。 钢骨混凝土结构在发达国家的应用比较普遍，其中日本是世界上应用钢 骨混凝土结构最多的国家，也是研究钢骨混凝土结构较多、较深入的国家之 一。如日本1 9 8 1 至1 9 8 5 年间，在1 6 层以上的高层建筑中使用钢骨混凝土结 构的建筑物占5 0 。即使在钢结构中，其下部1 5 层也多半采用钢骨混凝土 结构，这是因为高层钢结构刚度较小，侧向位移较大，而采用钢骨混凝土结 构后，不仅提高结构的承载力，而且刚度也增大很多。鉴于钢骨混凝土结构 应用的f 1 趋广泛，各国相继制定与颁发了于钢骨混凝土相关的规范或专项结 构的设计规程。在美国混凝土协会制定的规范a c i 3 1 8 中列入了钢骨混凝 土柱设计部分。1 9 7 9 年美国钢结构学会( a i s c ) 颁布了钢与混凝土组合柱 设计规范。前苏联电力建设部1 9 5 1 年即出版了劲性钢筋混凝土设计规范， 1 9 7 8 年又出版了劲性钢筋混凝土结构设计指南( ch3 7 8 ) 。欧洲钢结 构协会( e c c s ) 1 9 8 1 年出版了组合结构规程及其说明，1 9 8 5 年欧洲经济 共同体j e e c ) 建筑与土木工程部制定了统一标准规范钢与混凝土组合结 构。在日本，建筑学会1 9 5 8 年颁发了型钢混凝土结构计算标准，后来 经历了1 9 6 8 年的十胜冲地震、1 9 7 8 年的宫城县冲地震之后，对原有的计算 理论又作了进一步的研究、改进与完善，分别于1 9 7 5 年修订颁发了第二版。 19 8 7 年又经第三次修订颁发【2 7 】。 我国早在2 q 世纪5 0 年代就从前苏联引进了钢骨混凝土结构技术，但对 这种结构的研究与应用直到2 0 世纪8 0 年代才开始。西安建筑科技大学与原 冶金部建筑研究总院最早开始进行研究。继而西南交通大学、重庆建筑大学、 中国建筑科学脘、华南理工大学、东南大学、清华大学等高等院校、科研单 位也展开了广泛的研究。西安建筑科技大学系统地研究了各种配钢方式的型 钢混凝土粱、柱、节点等各种构件的基本性能。进而于2 0 世纪9 0 年代又进 行了型钢混凝土框架结构的模拟地震振动台试验、拟动力试验，深入研究了 6 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 结构的静、动力特性与分析方法，在我国自己的试验研究基础上制定了一套 较完整的设计计算理论。1 9 8 9 年曾提出了型钢混凝土结构的设计建议。 1 9 9 7 年主要是参考日本规程，原冶金工业部编制并颁发了行业标准钢骨混 凝土设计规程( y b 9 0 8 2 - - 9 7 ) 【2s j ；建设部颁发了行业标准型钢混凝土组 合结构技术规程( j g j l 3 8 2 0 0 1 ) 。国内目前已建成多座钢骨钢混凝士高层 建筑，如北京的新世纪大厦、中国国际贸易中心，深圳的鸿昌大厦、发展中 心大厦，上海的希尔顿酒店、天目广场等，在这些建筑中，钢骨混凝土柱多 用在地下至地上2 9 层。 随着今后我国高层建筑的发展，钢骨混凝土结构的应用会越来越多，尤 其是钢骨高强混凝土结构，因此需要加强这方面的研究和应用。钢骨混凝土 可以在混合体系中起到很好的过渡和转换作用，而连接构造问题是混合结构 中关键技术，在这一方面，还需进行深入的研究。 4 ，复合柱 高层建筑中除了采用上面所述的重载柱以外，还可以采用由这些柱型发 展或复合而成的承载力更大、截面更有效的重载柱。国内外近来开展了对多 层钢管混凝土的研究。国外已有这方面的工程实例，如为了减小柱子截面， 德国一市政府大厦曾建造了轴压力达8 0 0 0 k n ，直径不超过5 6 0 r a m 的双层钢 管混凝土柱，内外层钢管分别为4 0 6 4 x 1 7 5 m m 和5 5 8 x 1 2 ，5 m m ，钢材为 s t 3 5 ，混凝土为c 4 5 。国内，中国建筑科学研究院结构所蔡绍怀研究员近来 试验研究了复式钢管混凝土柱的力学性能【2 9 1 。 1 3 本文所作的工作 本文在钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱研究的基础上，研究了钢骨一钢管 混凝土组合柱的特性。这种组合柱是王清湘教授提出的重载柱设计的新模式， 这种柱集钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱的优点于一身，具有很高的承载力和 很高的延性水准，可明显地提高建筑物的防倒塌能力，特别适用于高地震烈 度区的高层建筑。本文具体完成的主要工作如下： 1 研究了钢骨一钢管混凝土柱的破坏机理，在试验研究基础上，给出了钢骨 一钢管混凝土组合柱轴压承载力的计算公式。 2 依据平截面假定，参照国内学者提出的钢管混凝土的本构关系，采用纤维 7 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 模型编制了压弯组合柱荷载一变形分析模型。在此基础上分析研究了轴向荷 载与弯矩的关系。 3 研究了钢骨一钢管混凝土组合柱在高层建筑中的应用，以已建春柳高层建 筑底层柱作为算例，通过对比钢筋混凝土柱，评价钢骨一钢管混凝土组合柱 的优越性。 4 研究探讨了钢骨一钢管混凝土组合柱的梁、柱节点构造，为这种组合柱的 实际应用提供参考。 参考文献 1 陈肇元，朱金铨，吴佩刚高强混凝土及其应用北京：清华大学出版社， 1 9 9 2 2 陈肇元高强混凝土在建筑工程中的应用见：中国土木工程学会高强混凝 土委员会编高强混凝土结构设计与施工指南( h s c c - - 9 9 ) 北京：中国建筑工 业出版社，2 0 0 1 3 s h a k i r - k h a l i lh s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ec o l u m n s i s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t es t r u c t u r e s ：s t a b i l i t ya n ds t r e n g t h l o n d o na n dn e wy o r k ：e l s e v i e r , 1 9 8 8 ：1 6 3 1 9 3 4 】周起敬，姜维山，潘泰华主编钢与混凝土组合结构设计施工手册北京： 中国建筑工业出版社，1 9 9 1 ， 5 江见鲸混凝土结构工程学北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 8 6 】赵鸿铁钢与混凝土组合结构北京：科技出版社，2 0 0 1 【7 韩林海钢管混凝土结构北京：科学出版社，2 0 0 0 8 套箍混凝土专题组套箍高强混凝土的强度和变形见：中国建筑科学研 究院主编混凝土结构研究报告选集( 3 ) 北京：中国建筑工业出版 社，1 9 9 4 4 2 4 4 3 2 【9 王清湘，赵国藩，林立岩高强混凝土柱延性的试验研究建筑结构学 报，1 9 9 5 ，1 6 ( 4 ) ：2 2 3 1 【1 0 关萍，王清湘，赵国藩高强约束混凝土应力一应变本构关系的试验研究 工业建筑，1 9 9 7 ，2 7 ( 11 ) ，2 6 2 9 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 【1 1 h i g h s t r e n g t hc o n c r e t ec o l u m n s ：s t a t eo ft h ea r t a c is t r u c t u r a lj o u r n a l ， 9 4 ( 3 ) ，m a y - j u n e19 9 7 【1 2 蔡绍怀我国钢管混凝土结构技术的最新进展土木工程学 报，1 9 9 9 ，3 2 ( 4 ) ：1 6 2 6 1 3 】钟善桐高层钢管混凝土结构哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1 9 9 9 1 4 韩林海钢管混凝土结构的特点及发展工业建筑，1 9 9 8 ，2 8 ( 1 0 ) ：1 4 1 5 s h a m sm ，s a a d e 曲v a z i r im s s t a t eo f t h ea r to fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r c o l u m n s a c is t r u c t u r a l j o u r n a l 1 9 9 7 ；9 4 ( 5 ) ：5 5 8 5 7 1 1 6 e u r o c o d e4 d e s i g no fc o m p o s i t es t e e la n dc o n c r e t es t r u c t u r e s ，p a r t 1 1 ： g e n e r a lr u l e sa n d r u l e sf o rb u i l d i n g s e n v1 9 9 4 - 1 - 1 ，1 9 9 2 1 7 张学飞关于日本以及欧美各国钢管混凝土柱设计法的比较粮食流通 技术，1 9 9 9 ，( 4 ) ，7 - 9 1 8 国家建筑材料工业局标准钢管混凝土设计与施工规程( j c j 0 1 8 9 ) 上 海：同济大学出版社，1 9 8 9 1 9 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( c e c s 2 8 9 0 ) 北京中国计划出版社1 9 9 2 2 0 中华人民共和国经济贸易委员会钢一混凝土组合结构设计规程 ( d l t 5 9 8 5 1 9 9 9 ) 北京：中国电力出版社，1 9 9 9 2 1 贺军利，钟善桐钢管混凝土柱耐火保护层厚度的计算哈尔滨建筑大学 学报，1 9 9 9 ，( 1 0 ) ，2 9 - 3 3 2 2 薛立红，蔡绍怀钢管混凝土抗剪连接件的试验研究建筑科学，1 9 9 8 ，( 1 ) 2 3 吕西林，陆伟东反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究 建筑结构学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 2 ) ，2 1 1 2 4 叶列平，方鄂华钢骨混凝土构件的受力性能研究综述土木工程学 报，2 0 0 0 ，3 3 ( 5 ) ：卜1 2 2 5 短柱受九拄能专题组劲性钢筋混凝土短柱受力性能及计算方法见：中 国建筑科学研究院主编混凝土结构研究报告选集( 3 ) 。北京：中国建筑工业 出版社，1 9 9 4 ，4 4 0 4 5 l 【2 6 贾金青钢骨高强混凝土短柱及高强混凝土短柱力学性能的研究大连理 9 大连理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 工大学博士论文，2 0 0 0 ，4 【2 7 冯乃谦，叶列平等译日本建筑学会：钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解 说北京：能源出版社，1 9 9 8 f 2 8 】中华人民共和国行业标准：钢骨混凝土结构设计规程一b 京：冶金工业出 版社，1 9 9 8 2 9 】蔡绍怀，焦占拴复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力计算建筑结构 学报，1 9 9 7 ，1 8 ( 6 ) ：2 0 2 4 1 0 大连理工大学工程硕士学位论文第二章钢骨一钢管混凝土轴心受压组台柱的承载力的研究 第二章钢骨- - n 管混凝土轴心受压组合柱的承载力的研究 2 1 序言 钢一混凝土组合柱是利用钢、混凝土两种不同性能的材料间的相互作用， 充分发挥两种材料的特长，来提高柱子的承载力、延性以及耐火、耐腐蚀等 性能。研究表明型钢与混凝土组合形式的不同，钢一混凝土组合柱会表现出 不同的的特性。为此，国内外学者通过大量的试验研究和理论分析，来掌握 各种组合柱的工作特性，并提出了相应的计算方法。 结构中柱的主要作用是承受竖向荷载，因此研究轴心受压柱的力学性能 往往是研究柱的基础。本章研究了轴心受压钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱以 及钢骨一钢管混凝土柱的工作机理，在比较分析各种组合柱轴压承载力计算 方法的基础上，确定了钢骨一钢管混凝土组合柱轴压承载力的计算公式。 2 2 钢骨一钢管混凝土组合短柱承载力的试验研究 2 2 1 试验概况 1 、试验参数 考虑压力机承压能力、钢管选材限制和试件加工等因素，试验设计混凝 土强度等级为c 6 0 。由1 6 8 3 7 和驴2 1 8 x 4 0 焊接直缝钢管加工制作出 b 1 6 6 2 7 、b 1 6 8 3 7 和 b 2 1 6 3 三种尺寸钢管。钢骨则采用1 1 0 和1 1 2 工 字钢加工制作。 钢材的强度由工字钢和钢管上沿纵向截取的板条经拉伸试验获得，板条 的制作遵循钢材力学及工艺性能试验取样规定( g b 2 9 7 5 8 2 ) c 1 砾准。 高强混凝土采用6 2 5 4 硅酸盐水泥配制，采用最大粒径为2 5 r a m 的石灰石 作为粗骨料，优质河砂作为细骨料。在配置高强混凝土时掺加了大连建筑科 学研究设计院生产的d k 一5 型混凝土低引气高效减水剂。混凝土配合比见表 2 1 。混凝土采用强制式搅拌机拌和。试件的主要指标见表2 2 。试件的尺寸 可参见图2 1 。 2 、试件的制作 1 1 大连理工大学工程硕士学位论文第二章钢骨钢管混凝土轴心受压组合柱的承载力的研究 表2 - 1试件混凝土配合比情况 类别水泥型号材料用量( k g m 5 )水灰比 水泥砂石子水外加剂 l 高强混凝土6 2 5 4 7 0 6 9 51 0 5 3 1 7 91 4 1 0 3 8 表2 - 2设计钢骨钢管混凝土试件及试验结果表 编号 上d x ， 3钢骨采用的f ； c实测极限 ( m m ) ( m m )( m p a )工字钢类型 ( m p a )( m p a )承载力( k n ) h a 16 5 51 6 6 2 73 1 81 1 02 8 85 44 2 7 0 0 h a 2 6 5 51 6 6 2 73 1 81 1 0 2 8 8 5 4 4 2 6 5 0 h b 16 6 61 6 8 3 73 1 81 1 02 8 85 4 4 2 8 3 5 h b 一26 6 61 6 8 3 73 1 81 1 02 8 85 4 4 2 8 6 2 h c 1 8 6 02 1 6 3 2 6 91 1 02 8 85 4 4 3 6 4 0 h c 28 6 02 1 6 32 6 91 1 02 8 85 4 4 3 5 5 0 h d 】 8 6 02 1 6 32 6 9 1 1 23 1 45 4 4 4j 3 0 h d 28 6 02 1 6 32 6 91 1 23 1 45 4 4 4 3 3 0 注：三为试件的长；d 、r 分别为钢管的外径和壁厚 、疗分别为钢管和钢骨的屈服强度。 图2 1 试件尺寸简图( 单位：m m )图2 2 焊接组装成的钢骨架 钢骨由工字钢加工而成，即先在车床上将部分工字钢沿肋中部铣开，然 后焊接于另一部分工字钢肋两侧。钢管0 1 6 6 和2 1 6 分别由钢管0 1 6 8 和庐2 1 8 车削成。所有的钢管和钢骨两端均在车床上车平，并严格控制其长度的一致。 大连理工大学工程硕士学位论文 第二章钢骨一钢管混凝土轴心受压组台柱的承载力的研究 将应变片粘贴于钢骨中部，并用环氧树脂将其封固。组装时首先将钢骨垂直 焊接在一块厚l o m m 宽2 5 0 m m 的方钢板上，然后套装外层钢管，并将应变 片导线由钢管下端的钻孔中引出。经校正，在保证钢管和钢骨两者几何中心 重合后将钢管也焊接在钢板上。组装成的钢骨架见图2 2 。 钢柱被竖直放置在低频振捣台上。浇注时混凝土自钢管上口分四次灌入， 每次均在振捣台上振实。4 8 小时内在柱顶部洒水养护，然后将其端口用塑料 布封罩，室内自然养护至实验。在养护过程中，钢管内混凝土出现收缩。故 在整个实验进行前，将柱上端混凝土打毛，然后用水泥浆抹平，以保证钢管、 钢骨和混凝土在轴向荷载作用下同时受力。 3 、试验装置和试验程序 试验在大连理工大学5 0 0 t 长柱试验机上进行。钢骨的应变由粘贴在钢骨 一半高度处的四对( 纵、横各一) 应变片量测。同样也在一半高度处的钢管 表面对称粘贴了四对( 纵、横各一) 应变片来测量钢管的应变。试验时在试 件上、下端部固定了一个4 5 r a m 厚夹具以增强试件端部的承压力。沿试件纵 向对称布置了两个大量程的电测位移计，测量试件的纵向变形。实验数据由 一套计算机数据处理系统获取。试验验装置全貌见图2 3 。 图2 - 3 试验装置全貌 为保证试件基本处于轴心受压，每次实验都要对试件进行预压，然后根 大连理工大学工程硕士学位论文第二章钢骨铜管混凝土轴心受压组台柱的承载力的研究 据纵向应变片的测值调整试件位置。 实验采用两种加载方式。试件h a 2 、h b 一2 、h c 2 和h d - 2 进行了加 卸载循环加载实验，每次卸载前要求试件的承载力随变形已呈现下降趋势。 其它各试件的试验均采取单调加载方式。 试件采用分级加载制，弹性范围内每组荷载为预计极限荷载的1 1 0 ，当 试件开始屈服后，每级荷载约为预计极限荷载的1 2 0 。每级荷载的持荷时 间约为2 分钟，接近破坏时慢速连续加载。当试件变形很大、钢管出现皱曲 时终止实验。 2 2 2 试验结果 各试件的极限强度列于表2 2 。 2 3 轴心受压钢一混凝土组合短柱工作机理的研究 对于钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和钢骨一钢管混凝土柱，由于型钢与 混凝土组合形式的不同，其轴压短柱的工作机理存在着明显差异。 1 、钢骨混凝土柱 由于混凝土的平均峰值应变是o 0 0 2 ，大于型钢的屈服应变( 为 o 0 0 1 5 。0 0 0 1 8 ) 。因此在加荷过程中，先是型钢和钢筋达到屈服强度，此后随 着荷载增长，钢材变形加大，最后当混凝土达到最大应力时柱子破坏。由于 钢骨的表面积与截面积之比较小，且钢骨表面也较为平整，因此钢骨与混凝 土的粘结强度比较小，试件在临近破坏之前，混凝土出现可见的纵向裂缝， 然后随着荷载的不断增长，裂缝很快扩展，相互交错连贯，使混凝土碎裂。 柱子的破坏形状与混凝土棱柱体轴压试验结果相似。这于钢筋混凝土柱轴压 试验结果存在明显的不同，钢筋混凝土轴压短柱最终破坏时，通常存在主剪 切斜裂缝，而在钢骨混凝土柱中，由于钢骨具有较强的抗剪切能力，从而有 效抑制了大的剪切斜裂缝的产生，提高了柱子的延性【2 】。 钢骨混凝土柱在整个受力过程中，可以采用叠加原理来计算其强度。 2 、钢管混凝土柱 对于全截面受压的钢管混凝土短柱，在初始荷载阶段，混凝土的横向变 形系数( 约o 1 7 ) 小于钢管的泊松比( o 2 8 3 ) ，因此，混凝土与钢管之间不 会发生挤压作用。钢管如同普通钢筋一样，与核心混凝土共同承受纵向压力。 1 4 大连理工大学工程硕士学位论文第二章钢骨铜管混凝土轴一i s , 受压组合柱的承载力的研究 随着纵向应变的增加，混凝土内部发生微裂并不断发展。混凝土的侧向膨胀 渐渐超过钢管的侧向膨胀，于是在混凝土与钢管壁之间出现径向压力。从此， 钢管即处于纵向受压、环向受拉的双向应力状态，而核心混凝土则处于三向 受压状态。当双向受力的钢管还处于弹性阶段时，钢管混凝土外观体积的变 化不大。但是当钢管达到屈服而开始塑流后( 钢管表面开始掉皮或出现吕得 尔斯滑移斜线) ，钢管混凝土的应变发展加剧，外观体积亦因核心混凝土微裂 发展而急剧增长。按照屈服条件的规律，钢管 环向拉应力不断增大，纵向压应力相应不断减 小，从而在钢管与核心混凝土之间产生纵向压 力的重分布。即一方面钢管承受的压力减小， 另一方面混凝土因受到较大的约束而具有更高 的抗压强度。最后，当钢管和核心混凝土所能 承担的纵向压力之和达到最大值时，钢管混凝 土即告破坏。此后，随着变形的进一步增加， 图2 - 4 试件破坏形态 在试件表面会出现2 3 处局部凸曲。进一步的观察发现，在相临的凸曲之间 存在着一条主剪切滑移斜裂缝，如图2 - 4 中虚线所示。钢管表面的局部凸曲 皱折与剪切滑移斜裂缝何者先出现，目前尚存在争议，本人则倾向于主剪切 滑移斜裂缝导致了钢管表面的凸曲的形成。当套箍指标( 巾= a ，疋a 。) 较 低时，试件的后期变形主要由这种剪切滑移斜裂缝控制。 同时研究发现，普通钢管混凝土短柱与钢管高强混凝土短柱的轴压试验 结果存在一定差异。对于普通钢管混凝土短柱，由于混凝土强度较低，相对 应的钢管混凝土强度也较低，在达到极限强度时混凝土所产生的膨胀力较小。 同时普通钢管混凝土中的剪切斜裂通常绕过骨料，因而滑移时骨料会产生很 大的咬