1、u钢管混凝土结构的发展概况及应用u钢管混凝土结构的基本概念及特点u影响钢管混凝土结构承载力的因素u钢管混凝土构件的设计与构造u钢管混凝土的施工与发展1.钢管混凝土结构的发展概况 钢管混凝土（Concrete Filled steel Tube）是在劲性钢筋混凝土结构及螺旋配筋混凝土的基础上发展起来的。l 最早采用钢管混凝土工程之一是1879年英国的赛文铁路桥桥墩。l 1923年日本发生关西大地震后，钢管混凝土结构得到大量应用。 l 前苏联在19世纪五六十年代对钢管混凝土结构进 行了大量研究。l 我国从1959年开始研究钢管混凝土的基本性能。l 1963年将钢管混凝土柱应用于北京地铁车站工程。l
2、 20世纪六十年代后，钢管混凝土结构被大量推广运用。2.钢管混凝土的应用应用推广阶段（20世纪60年代中期至80年代中期） （ 大连造船厂） （ 变电构架） 高层和超高层建筑工程中运用的钢管凝土结构 （阜康大厦) （赛格广场大厦）（四川旺苍县东河桥）（广州丫髻沙大桥）1.定义 钢管混凝土（concrete filled steel tube，简写CFST）是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。2.钢管混凝土的分类 按截面形式不同分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。工程中常用的几种截面形式有圆形、正方形和矩形。 按钢管作用的差异，钢管混凝土柱可分为两 种形式:一是组成钢管混凝土的钢管
3、和混凝土在受荷载初期共同受力，二是外加荷载仅作用在核心混凝土上，钢管只起对核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱。 按钢管内部填充情况分为：实心钢管混凝土和中空夹层钢管混凝土。中空夹层钢管混凝土近些年开始在工程中得到推广运用，此种结构属于新型结构。3.钢管混凝土的特点u承载力高u塑性和韧性好u 施工方便：与钢筋混凝土柱比，采用钢筋混凝土柱没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。u耐火性能好u经济效果好1. 长期荷载对钢管混凝土承载力的影响 在长期荷载作用下，钢管混凝土由于其核心混凝土的压缩徐变与收缩，有两种现象发生：一是混凝土的模量降低，二是在钢管和核心混凝土之间将产生内力重分布现象
4、。 一般认为由于混凝土的徐变特性会使长期荷载作用下的钢管混凝土构件的承载力有所降低。2. 混凝土收缩对钢管混凝土承载力的影响 钢管混凝土构件中混凝土的收缩分两种情况。 第一，浇灌混凝土后立即封闭，多余水分无法挥 发，混凝土处于密闭状态下养生，混凝土由于水泥水化作用而产生 的收缩是缓慢发生的，持续时间可达1年2年之久；第二，浇灌混凝土后，隔一段时间在封闭，接近于在空气中养生的条件。 对于第一种情况，可认为混凝土的收缩是在 构件承受荷载作用下发生的，因而由于混凝土的收缩而产生的内力重分布现象和徐变的效果相同。 对于第二种情况，构件在未承受荷载作用前混凝土发生纵向收缩，此收缩量相当大，以致使混凝土产
5、生横向裂缝，因而并不引起纵向收缩应力。在构件开始受载阶段，荷载完全由钢管承受，在钢管的受压纵向应变等于混凝土收缩时的拉伸应变后，横向裂缝被压而闭合，混凝土参与受力。 3.环境温度对钢管混凝土承载力的影响 温度对钢管混凝土受压构件的承载力有影响，设计时必须通过计算进行考虑。当温度超过100摄氏度时，构件的承载力会下降很多。 均匀升温到60摄氏度，轴压构件的组合承载力下降9%左右，到80摄氏度时，轴压构件的组合承载力下降13%左右，到100摄氏度时，下降18%， 承载力下降幅度与含钢率及混凝土强度基本无关。4.焊接对钢管混凝土承载力的影响 焊接会造成钢管混凝土构件核心混凝土强度指标的下降，下降程度
6、随着焊接量大小而不同，焊接量越大，下降越多。 焊接过程中，由于核心混凝土吸收大量的热量，只有一小部分的钢材处于热塑性状态，在设计荷载作用下施焊时，构件的刚度变化很小，对 其工作性能没有明显的影响，但不宜在同一构件上多处同时施焊。 当管径越大时，局部施焊的影响将更小，因此从小尺寸构件上得出的结论同样适用于大尺寸构件。各国的设计规范欧洲规范EC4（1994年）德国DIN18806第一部分（1984），现已修订为DIN18806第五部分澳大利亚规范白俄罗斯规范日本AIJ（1980）美国AISC1994推荐的设计规程LRFD我国CECS 28:90 设计与施工规程钢管混凝土统一理论 其基本思想是：首先
7、分别确定钢材和核心混凝土的应力应变关系模型，然后利用数值分析方法计算出各类构件的综合荷载变形全过程关系曲线，由这些曲线推导出钢管混凝土的各种综合力学性能指标。 1.轴心受压构件轴心受力作用下钢管和混凝土的受力状态示意图 四个阶段：l弹性阶段l弹塑性阶段l塑性强化阶段l下降段 钢管混凝土的破坏形态主要与含钢率有关，当含钢率较低（6%时，钢管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。 轴心受压构件的承载力包括强度和稳定，此外还有的钢管的局部稳定和构件的容许长细比的规定。 1. 钢
8、管混凝土的局部稳定由限定钢管的壁厚来保证，要求壁厚不得小于直径的1%，即：D/t100 2. 作为框架柱时，容许长细比【】=80；用作平台柱时，放宽到100；用作桁架压杆时，可放宽到120。 3. 单管柱的设计 4. 格构式构件的设计工作原理工作原理 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分处于受拉状态，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，在拉力很小时，混凝土横向开裂，形成很多微细的裂缝，其受力特点是钢管为纵向、环向受拉，而 径
9、向受压，并且一开始受力就产生紧箍力，核心混凝土受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。轴心受拉构件的承载力计算轴心受拉构件的承载力计算 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按钢管计算，即 =K . fy .As 工作原理工作原理 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（10），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。当构件的长细比较大时，构件
10、的承载力取决于稳定。荷载荷载变形曲线变形曲线三阶段：l弹性阶段（OA）l弹塑性阶段（AB）l破坏阶段（BC）承载力计算承载力计算 钢管混凝土构件受力比较复杂，但可以认为钢管混凝土偏压构件受力实质是受到轴向压力N和弯矩M同时作用，可简化为3种不同加载路径。4.4.钢管混凝土构造的一般规定钢管混凝土构造的一般规定 (1)钢材的选用，应符合钢结构设计规范的有关规定，宜选用Q235、Q345和Q390钢。混凝土采用普通混凝土，混凝土强度等级不宜低于C30。 （2）钢管直径不得小于100mm。根据焊接的需要，管壁厚度不宜小于4mm。钢管外径与壁厚之比值d/t，宜限制在20到85 （3）钢管混凝土的套箍指
11、标=AS.fy/(AC/fc),宜限制在0.3到3之间。（4）钢管混凝土构件的长细比不宜超过表里的限制 （5）格构柱的构造应符合下列要求 1）腹杆宜采用空钢管。格构柱腹杆和柱肢应直接焊接，柱肢上不得开孔。 2）斜腹杆格构式柱。斜腹杆与柱肢轴线夹角宜为 4060；杆件轴线宜交于节点中心或腹杆轴线交点与柱肢轴线距离不宜大于d/4（d为柱肢外径），当大于d/4时，应计算其偏心影响；腹杆端部净距不小于50mm。 3）平腹杆格构式柱，腹杆中心距离不大于柱肢中心距离的4倍；腹杆空钢管面积不小于一个柱肢钢管面积的1/4；腹杆的长细比不大于单个柱肢长细比的1/2。 4）三肢或四肢格构式柱应沿柱高方向设置横隔，
12、横隔间距不应大于柱截面长边的9倍或8m。在受有较大水平力处和运输单元的端部应设置横隔，没格运输单元不应少于两个。 （6）有防火要求的钢管混凝土结构，可在钢管外表面涂刷防火涂料，或涂抹厚度不小于50mm的钢丝网水泥石灰砂浆（1：2：8)。施工 钢管混凝土的施工包括钢结构施工和混凝土施工两部分，且各有特殊性。前者是管柱的制作与安装，后者是管内混凝土的浇灌。 管柱的制作就是钢结构的制作，其制作和一般钢结构相同，都应在正规的钢结构制造厂中完成。现场安装则应由有资质的安装公司承包，对制作必须严格要求，质量应该符合有关规范对质量的要求。 混凝土浇灌都应在现场进行，有土建施工单位承包。管内混凝土的浇灌属隐蔽
13、工程，无法直接观察到浇灌质量和存在的缺陷，因此必须制定严格的施工工艺细则，加强浇灌工序的监督管理，浇灌后按规定对管内混凝土质量进行抽检，如超声波检测。 构造设计应符合“强柱、弱梁、节点更强”的设计原则。 发展发展 钢管混凝土结构自20世纪60年代开始引入我国以来，发展十分迅速。无论在基本性能和计算理论的研究方面，还是在实际工程的推广方面，我们都取得突出的成绩，处于世界领先地位。 钟善桐首先提出把钢管混凝土视为统一体的组合材料来研究，创立了“统一理论”，改变了传统的研究方法和设计方法，使钢管混凝土的研究工作进入了新的阶段，很多理论问题顺利地得到解决。 钢管混凝土的发展问题：u如何发挥钢管混凝土抗压性能优越的特点而扩大其应用范围；u如何改变结构体系来扩大钢管混凝土的应用范围u理论研究 1）抗震性能研究 2）动力性能研究 3）预应力钢管混凝土的研究
