1、基本原理及特点基本原理及特点钢管混凝土的发展与应用钢管混凝土的发展与应用材料和设计指标材料和设计指标承载力验算承载力验算6.1 6.1 概述概述钢管混凝土构件常用形式钢管混凝土构件常用形式6.1 6.1 概述概述空心钢管混凝土空心钢管混凝土复式钢管混凝土复式钢管混凝土不锈钢管混凝土不锈钢管混凝土FRP约束钢管混凝土约束钢管混凝土6.1 6.1 概述概述FRP-混凝土混凝土-钢管组合柱截面形式钢管组合柱截面形式6.1 6.1 概述概述卷制钢管卷制钢管6.1 6.1 概述概述钢管运输与吊装钢管运输与吊装6.1 6.1 概述概述泵送高抛无振捣混凝土泵送高抛无振捣混凝土浇筑前除尽钢管内杂物浇筑前除尽钢
2、管内杂物和积水，先浇筑一层和积水，先浇筑一层100mm100mm200mm200mm厚与混凝土厚与混凝土强度等级相同的水泥砂浆，强度等级相同的水泥砂浆，以防止自由下落的混凝土以防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳。粗骨料产生弹跳。 将泵管出料口伸入钢管将泵管出料口伸入钢管内，利用混凝土内，利用混凝土下落产生下落产生的动能来达的动能来达到混凝土的自到混凝土的自密实。密实。 当抛落的高度不足当抛落的高度不足4m4m 时，时，用插入式振捣棒密插短振，用插入式振捣棒密插短振，逐层振捣。逐层振捣。 6.1 6.1 概述概述钢梁钢梁-钢管混凝土柱节点设计钢管混凝土柱节点设计B.c70 B6.1 6.1 概述
3、概述钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱节点施工钢管混凝土柱节点施工6.1 6.1 概述概述钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁-钢管混凝土柱节点施工钢管混凝土柱节点施工受压时的应力与应变受压时的应力与应变cccsss3131 弹性阶段弹性阶段0.2830.283塑性阶段塑性阶段0.50.5低应力时低应力时0.170.17较高应力时较高应力时0.50.5极限状态时极限状态时1.01.0环向应变环向应变纵向应变纵向应变两种受力模式的两种受力模式的 钢管混凝土柱钢管混凝土柱受压时的应力与应变受压时的应力与应变钢管混凝土的荷载钢管混凝土的荷载-应变曲线应变曲线钢管与混凝土错位钢管与混凝土错位弓弦效应弓弦效应受
4、压时的应力与应变受压时的应力与应变混凝土单向受压的变形过程混凝土单向受压的变形过程ccf ccf c c 钢管混凝土受力初期钢管和混凝土的受力状态受力初期钢管和混凝土的受力状态圆管受力分析圆管受力分析中后期相互作用受力状态中后期相互作用受力状态相互作用相互作用混凝土三向约束混凝土三向约束钢管局稳增强钢管局稳增强圆管受力分析圆管受力分析2233121yssssfKpfcc 3 21cspD ，有有由由22132322212-z 方管受力分析方管受力分析未填充未填充混凝土混凝土方管受力分析方管受力分析承载力高承载力高塑性韧性好塑性韧性好施工方便施工方便耐火性较好耐火性较好经济性好经济性好 与钢结构
5、相比，在保持自重相近和承载力相同与钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可以节省钢材约的条件下，可以节省钢材约50%50%，焊接工作量可大，焊接工作量可大幅度减少；幅度减少； 与型钢混凝土相比，在保持横截面面积相近和与型钢混凝土相比，在保持横截面面积相近和承载力相同的条件下，可以节省钢材约承载力相同的条件下，可以节省钢材约50%50%，且施，且施工更为便捷；工更为便捷； 与普通钢筋混凝土柱相比，在保持钢材用量相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，混凝土小约
6、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和构件自重相应减少50%50%。理论分析和工程实践表明：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钢管混凝土的发展与应用 18791879年英国赛文铁路桥采用钢管混凝土桥墩，目的是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。性。18971897年美国人年美国人John LallyJohn Lally用钢管混凝土作房屋结构的承用钢管混凝土作房屋结构的承重柱重柱（称为（称为LallyLally柱柱），并申请获得专利。），
7、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。苏各国土木工程界的重视，并竞相开发利用。 20 20世纪世纪2020年代前后，美国的波士顿、纽约和芝加哥等地年代前后，美国的波士顿、纽约和芝加哥等地曾将其用于单层和多层厂房的承重柱；曾将其用于单层和多层厂房的承重柱；19301930年法国巴黎郊区年法国巴黎郊区的的IbisIbis地方用钢管混凝土建造了一座地方用钢管混凝土建造了一座9m9m跨的上承式拱桥；跨的上承式拱桥；19371937年苏联列宁格勒用集束的小直径钢管混凝土作拱肋，建年苏联列宁
8、格勒用集束的小直径钢管混凝土作拱肋，建造了横跨涅瓦河造了横跨涅瓦河101m101m跨度的下沉式拱桥，跨度的下沉式拱桥，19391939年又在西伯利年又在西伯利亚建成了跨度亚建成了跨度140m140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。的上承式钢管混凝土铁路拱桥。 苏联格沃兹杰夫苏联格沃兹杰夫（GvozdevGvozdev）教授深刻地阐明了钢管套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。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钢管混凝土的发展与应用 在在2020世纪世纪80
9、80年代以前年代以前，由于管内混凝土的浇灌，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、质检直观的普通钢筋混凝土结构意采用操作简单、质检直观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。速度快的钢结构。 到了到了2020世纪世纪8080年代年代后期，由于先进的泵灌混凝后期，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，土工艺的发展，解
10、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，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，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。术的一次重大突破。 6.1.3 钢管混凝土的发展与应用钢管混凝土的发展与应用 我国的钢管混凝土结构起步于我国的钢管混凝土结构起步于2020世纪世纪5050年代苏联的援建年代苏联的援建项目，中科院哈
11、尔滨土建研究所最早开展研究，其后哈尔滨项目，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，并据此编制了设计与对钢管混凝土进行了大量系统的研究，并据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，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。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年建成的世界最大跨度460m的的钢管混凝土重庆奉节巫山长江大桥钢管混凝土重
12、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年建成的世界最高的钢管混凝土结构深圳赛格广场大厦深圳赛格广场大厦72层层291.6m6.1.3 钢管混凝土的发展与应用钢管混凝土的发展与应用剖面示意图剖面示意图五、六层结构平面图五、六层结构平面图6.1.3 钢管混凝土的发展与应用钢管混凝土的发展与应用1966年建成的北京地铁年建成的北京地铁“北京站北京站”6.2 6.2 钢管混凝土构件设计钢管混凝土构件设计6.2.1 6.2.1 钢管混凝土设计规范钢管混凝土设计规范国外规范国外规范欧洲规范欧洲规范EC4(2004)EC4(2004)澳大利亚规范澳大利亚规范AS5100(2004)AS5
13、100(2004)美国混凝土协会规范美国混凝土协会规范ACI318(2008)ACI318(2008)美国钢结构协会规范美国钢结构协会规范AISC(2010)AISC(2010)英国规范英国规范BS5400(2005)BS5400(2005)日本建筑学会规范日本建筑学会规范AIJ(2008)AIJ(2008)国内规范国内规范6.2.1 6.2.1 钢管混凝土设计规范钢管混凝土设计规范 自自19891989年至今已有行业和地方两方面的年至今已有行业和地方两方面的设计施工规程十余本。设计施工规程十余本。 中国工程建设标准化协会标准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钢管混凝土结构
14、设计与施工规程（CECS28:90CECS28:90） 中国工程建设标准化协会标准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（矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159:2004CECS159:2004） 福建省工程建设标准福建省工程建设标准钢管混凝土结构技术规程钢管混凝土结构技术规程DBJ/T13-51-2010 DBJ/T13-51-2010 钢管混凝土的力学性能不仅与两种材料各自的钢管混凝土的力学性能不仅与两种材料各自的性能有关，而且与两者的性能有关，而且与两者的“匹配匹配”有关。有关。1.1.材料要求材料要求钢管钢管 一般按钢结构用材要求。宜采用螺旋焊接管或一般按钢结构用材要
15、求。宜采用螺旋焊接管或直接焊接管直接焊接管, ,焊缝为坡口对接焊，不得采用搭接角焊焊缝为坡口对接焊，不得采用搭接角焊缝。缝。混凝土混凝土 Q235-C30Q235-C30或或C40C40，Q345-C40Q345-C40C60,Q390C60,Q390或或Q420-Q420-C50C50或或C60C60及以上；水灰比及以上；水灰比0.450.45，加减水剂塌落度，加减水剂塌落度宜为宜为160160180mm180mm。2.2.参数定义及限值参数定义及限值含钢率含钢率csAA 约束效应系数约束效应系数ccsckcysfAfAfAfA 0 设计值设计值标准值标准值 反映截面几何与物理特性，反映截面
16、几何与物理特性，越大约束越强，越大约束越强，混凝土强度和延性增加越大。取值范围混凝土强度和延性增加越大。取值范围 0.30.34 4，抗震要求圆管抗震要求圆管0.60.6，方管，方管1.01.0。2.2.参数定义及限值参数定义及限值径厚比或高厚比径厚比或高厚比D/ /t长细比长细比 基于不发生局部失稳，虽可考虑混凝土支撑的基于不发生局部失稳，虽可考虑混凝土支撑的有利影响，但不得大于钢结构有利影响，但不得大于钢结构D/tD/t的的1.51.5倍，且倍，且 圆管圆管D/t150235/fyyftD23560 DDB DL04 BLDL003232详详钢规钢规柱柱150150支撑支撑200200矩管
17、矩管426424DDDAIi 圆管圆管3212 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度取值直接影响结构分析准确性。取值直接影响结构分析准确性。组合轴压刚度组合轴压刚度短柱平均应力短柱平均应力-应变曲线应变曲线 基本以基本以定性方式确定性方式确定，各规程定，各规程公式有别公式有别：福建省标福建省标行业规程行业规程 4.54.51.01矩管矩管方管方管圆管圆管 ccssAEAEEA csscscscAAAAEEA 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度组合弹性抗弯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不仅不考虑粘结，而且还要考虑混凝土的开裂和塑性发展。和塑性发展。福建省
18、标福建省标行业规程行业规程ccssIE.IEEI80 圆管圆管规程不同公式有别。规程不同公式有别。ccssIE.IEEI60 方管方管ccssIEIEEI 圆管圆管ccssIE.IEEI80 方管方管3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度组合剪切刚度组合剪切刚度 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序算出纯扭或纯剪的名义剪应力与剪应变的关系曲线线，并以其比例极限定义剪变模量。并以其比例极限定义剪变模量。纯扭构件纯扭构件-曲线曲线scpscpscG P150P150式（式（6-176-17）P150P150
19、式（式（6-186-18）scscAGGA 剪切刚度剪切刚度3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度组合剪切刚度组合剪切刚度4.4.钢管混凝土的强度指标钢管混凝土的强度指标组合轴压强度组合轴压强度 4.54.51.01矩管矩管方管方管圆管圆管 短柱平均应力短柱平均应力-应变曲线应变曲线弹塑性基本结束弹塑性基本结束钢和砼均达极限钢和砼均达极限标准值标准值 ckscyff 1.021.14 圆管圆管 ckscyff 0.851.18 矩管矩管设计值设计值 cscyff 1.021.14 圆管圆管 cscyff 0.851.18 矩管矩管4.4.钢管混凝土的强度指标钢管混凝土的强度指标组合抗剪强度组
20、合抗剪强度纯扭构件典型纯扭构件典型-曲线曲线610 3500201500 cuf 外钢管也外钢管也达屈服，主要达屈服，主要与含钢率、约与含钢率、约束系数和组合束系数和组合轴压强度有关，轴压强度有关，详式（详式（6-226-22）和式（和式（6-236-23）。）。6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱 木柱在木柱在L/b10时可看作时可看作“短柱短柱” ，钢筋，钢筋混凝土柱在混凝土柱在L/b8时可以称为时可以称为“短柱短柱” ，素，素混凝土和未配置纵筋的套箍混凝土柱混凝土和未配置纵筋的套箍混凝土柱L/b4可以称为可以称为“短柱短柱”，砖石柱，砖石柱
21、L/b3可以称为可以称为“短柱短柱”。 钢管混凝土在极限状态时，钢管主要起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，在环箍的作用，在纵向的作用很小，在L/D4时也可算作时也可算作“短柱短柱” 。6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱钢管混凝土短柱加载方式钢管混凝土短柱加载方式试验装置试验装置6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱钢管混凝土短柱钢管混凝土短柱N-N-曲线曲线6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱弓弦效应示意图弓弦效应示意图
22、变形测量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钢管纵向应变小于整体平均应变机理解释弹性薄片弹性薄片6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱中建院所作短柱试件外观形态变化过程图中建院所作短柱试件外观形态变化过程图6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱中建院部分短柱试件试验以后的外形中建院部分短柱试件试验以后的外形6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱中建院粗短厚壁钢管混凝土试件中建院粗短厚壁钢管混凝土试件试验后外形试验后外形N-c曲线曲线荷载荷
23、载N（10kN）纵向应变纵向应变c（%）6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱混凝土各阶段的应力状态混凝土各阶段的应力状态 （苏）格沃（苏）格沃兹杰夫兹杰夫用极限用极限平衡理论求解平衡理论求解钢管混凝土短钢管混凝土短柱承载力柱承载力Nu6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱极限状态下钢管与混凝土受力简图极限状态下钢管与混凝土受力简图个方程个方程需建立需建立个未知数个未知数共共5521ucN,p, 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱等测压三向受压混凝土等测
24、压三向受压混凝土63K,Kpffc*c ccc*cfpfp.ff25116.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱Kpfcc 据据MisesMises条件条件2222121sf 22cpd pfAANscc 1 *u*pfNppfN 0令令6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算1.短柱短柱ccccsdtdtdAA422 ccssfAfA 31312KfANccu 21331 KKfpc* ,KKK2313632 范围内，可取范围内，可取时时当当4 K ssccccAfAffA221 31312KfANccu 6.2.3
25、 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算时时当当 ccccfpfp.f2511 同理，可推出同理，可推出2 c*fp c*c*ccufpfp.fAN2511 06111.fAccP158CECS28:90依据依据1.短柱短柱6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱影响钢管混凝土长柱承载力的主要因素有：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钢管对核心混凝土的套箍强化作用柱的长细比柱的长细比作用力的偏心率作用力的偏心率柱端约束条件柱端约束条件沿柱身的弯矩分布梯度沿柱身的弯矩分布梯度 ccsyAfAf 约
26、束效应系数约束效应系数套箍指标套箍指标套箍指标影响套箍指标影响6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算长长柱柱研研究究情情况况6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱中建院中建院-钢管混凝土长细比影响试验钢管混凝土长细比影响试验试验装置试验装置试验后试件试验后试件6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱4115010 DL.l 经验公式经验公式中建院长细比影响经验公式对国外资料的校核中建院长细比影响经验公
27、式对国外资料的校核6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱中建院中建院-长柱试验方案长柱试验方案 为了能较好地为了能较好地观察长细比和偏心观察长细比和偏心率对钢管混凝土柱率对钢管混凝土柱力学行为的影响，力学行为的影响，并据之建立承载力并据之建立承载力计算方法，中建院计算方法，中建院采用了棋盘式的试采用了棋盘式的试验方案。验方案。e0/rcL/D长细比长细比L0/D总折减系数总折减系数中建院中建院-偏压柱总折减系数试验结果汇总偏压柱总折减系数试验结果汇总6.2.3 6.
28、2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱标准单元柱标准单元柱非标准单元柱非标准单元柱6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱沿柱身弯矩分布梯度沿柱身弯矩分布梯度6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算2.长柱长柱相同长度的标准单元柱与非标准单元柱相同长度的标准单元柱与非标准单元柱M-N相关曲线相关曲线钢管混凝土试件钢管混凝土试件N-M相关曲线相关曲线6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算
29、据钢管混凝土结构设计与施工规程据钢管混凝土结构设计与施工规程CECE28:90CECE28:903.计算公式计算公式 cecceceleleccsccelelure.rere.reNMedl.dl.dlAffAAfNNN0000200405518511155141150140141 时，时，当当时，时，当当时，时，当当时，时，当当钢管混凝土套箍指标钢管混凝土套箍指标 圆钢管圆钢管短柱短柱、长长柱轴心受柱轴心受压偏心受压偏心受压承载力压承载力钢管内半径钢管内半径等效计算长度等效计算长度【例题例题6-1】 P1596.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算3.计算公式
30、计算公式据矩形钢管混凝土结构技术规程据矩形钢管混凝土结构技术规程CECS159:2004CECS159:2004矩形钢管矩形钢管柱轴心受柱轴心受压承载力压承载力 ccsuAffANN 不考虑钢管横向约束影响不考虑钢管横向约束影响 圆形钢管混凝土柱性能优于矩形钢管混凝土圆形钢管混凝土柱性能优于矩形钢管混凝土柱，经济性更好，但发达国家对节约一点钢材并柱，经济性更好，但发达国家对节约一点钢材并不在乎，建筑要求才是主要的，一般而言，矩形不在乎，建筑要求才是主要的，一般而言，矩形钢管混凝土柱的建筑适应性好于圆形钢管混凝土钢管混凝土柱的建筑适应性好于圆形钢管混凝土柱，既可以作柱，也可以作梁，矩形管还有较好柱，既可以作柱，也可以作梁，矩形管还有较好的空间受力性能。的空间受力性能。稳定系数详稳定系数详P158【例题例题6-2】P159作业作业P198思考题思考题14习题习题3、4、5
