钢管混凝土结构PPT63页[详细]

1、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,复式钢管混凝土,不锈钢管混凝土,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,钢管运输与吊装,6.1 概述,泵送高抛无振捣混凝土,浇筑前除尽钢管内杂物和积水，先浇筑一层100mm200mm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

2、式振捣棒密插短振，逐层振捣。,6.1 概述,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,塑性阶段0.5,低应力时0.17,较高应力时0.5,极限状态时1.0,环向应变,纵向应变,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,钢管混凝土的荷载-应变曲线,钢管与混凝土错位,弓弦效应,6.1.1 钢管混凝土的基本原理,受压时的应力与应变,混凝土单向受压的变形过程,钢管,混凝土,受力初期钢管和混凝土的受力状态

3、,6.1.1 钢管混凝土的基本原理,圆管受力分析,6.1.1 钢管混凝土的基本原理,中后期相互作用受力状态,圆管受力分析,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,6.1.2 钢管混凝土的基本特点,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5

4、0%，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%。,理论分析和工程实践表明：,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

5、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。,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

6、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。,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

7、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。,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,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,剖面示意图,五、六层结构平面图,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,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

8、AISC(2010) 英国规范BS5400(2005) 日本建筑学会规范AIJ(2008),国内规范,6.2.1 钢管混凝土设计规范,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。,1.材料要求,钢管 一般按钢结构用材要求。宜采用螺旋

9、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-C40C60,Q390或Q420-C50或C60及以上；水灰比0.45，加减水剂塌落度宜为160180mm。,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,约束效应系数,反映截面几何与物理特性，越大约束越强， 混凝土强度和延性增加越大。取值范围 0.34，抗震要求圆管0.6，方管1.0。,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,长细比,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

10、150235/fy,D,D,B,详钢规 柱150 支撑200,矩管,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,短柱平均应力-应变曲线,基本以定性方式确定，各规程公式有别：,福建省标,行业规程,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,不仅不考虑粘结，而且还要考虑混凝土的开裂和塑性发展。,福建省标,行业规程,规程不同公式有别。,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,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

11、限定义剪变模量。,纯扭构件 -曲线,P150式（6-17）,P150式（6-18）,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,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,短柱平均应力-应变曲线,弹塑性基本结束 钢和砼均达极限,标准值,设计值,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,纯扭构件典型-曲线,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）。,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,木柱在L/b10时可看作“短柱” ，钢筋混凝土柱在L

12、/b8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/b4可以称为“短柱”，砖石柱L/b3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/D4时也可算作“短柱” 。,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,钢管混凝土短柱加载方式,试验装置,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-曲线,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,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,弹性薄片,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,中建院所作短柱试件外观形态变化过程图,6.2.3

13、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,中建院粗短厚壁钢管混凝土试件,试验后外形,N-c曲线,荷载N（10kN）,纵向应变c（%）,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,混凝土各阶段的应力状态,（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,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.短柱,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,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,据Mises条件,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,1.

14、短柱,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,同理，可推出,P158,CECS28:90依据,1.短柱,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,影响钢管混凝土长柱承载力的主要因素有： 钢管对核心混凝土的套箍强化作用 柱的长细比 作用力的偏心率 柱端约束条件 沿柱身的弯矩分布梯度,套箍指标影响,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,长柱研究情况,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,中建院-钢管混凝土长细比影响试验,试验装置,试验后试件,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,中建院长细比影响经验公式对国外资料的校核,6.2.3 钢管

15、混凝土构件承载力验算,2.长柱,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,中建院-长柱试验方案,为了能较好地观察长细比和偏心率对钢管混凝土柱力学行为的影响，并据之建立承载力计算方法，中建院采用了棋盘式的试验方案。,e0/rc,L/D,长细比L0/D,总折减系数,中建院-偏压柱总折减系数试验结果汇总,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,沿柱身弯矩分布梯度,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,2.长柱,相同长度的标准单元柱与非标准单元柱 M-N相关曲线,钢管混凝土试件N-M相关曲线,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算,据钢管混凝土结构设计与施工规程CECE28:90,3.计算公式,圆钢管 短柱、长柱轴心受压偏心受压承载力,钢管内半径,等效计算长度,【例题6-