PDF《钢管混凝土结构 ——— 理论与实践》

文章编号: 1000-2243( 2001) 06-0024-11 钢管混凝土结构 ― ― ―理论与实践 韩林海 , 陶忠,刘威(福州大学土木建筑工程学院, 福建 福州 350002) 摘要 : 简要回顾了钢管混凝土力学性能研究现状, 探讨了组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土之间的相互 作用问题, 介绍了钢管混凝土在单层和多层工业厂房柱、 设备构架柱 、 各种支架、 栈桥柱、 地铁站台柱、 送变 电杆塔、 桁架压杆、 桩、 空间结构、 高层和超高层建筑以及桥梁结构中的应用情况.

最后, 对需要进一步开展 的研究工作进行了探讨. 关键词: 钢管混凝土;

承载力;

滞回性能;

耐火极限;

徐变;

疲劳;

残余应力;

质量控制 中图分类号: TU398 .

9 文献标识码: A

1 引言 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件, 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等. 实际结构中, 根据钢管作用的差异, 钢管混凝土柱又可分为两种形式: 一是 组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力;

二是外加荷载仅作用在核心混凝土上, 钢管只 起到约束其核心混凝土的作用 , 即所谓的钢管约束混凝土柱 . 本文主要论述实际工程中常用的圆形截面 钢管混凝土( 以下简称圆钢管混凝土) 、 正方形截面钢管混凝土( 以下简称方钢管混凝土) 结构和矩形截面 钢管混凝土( 以下简称矩形钢管混凝土) 结构 , 且钢管和混凝土在受荷初期就共同承受外荷载的情况 [

1 -37] . 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用, 即钢管对混凝土的约束作用使混 凝土处于复杂应力状态之下, 从而使混凝土的强度得以提高, 塑性和韧性性能大为改善. 同时, 由于混凝 土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲 , 保证其材料性能的充分发挥 , 另外, 在钢管混凝土的施工过 程中 , 钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板 , 与钢筋混凝土相比 , 可节省模板费用 , 加快施工速度. 总之 , 通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土 , 不仅可以弥补两种材料各自的缺点, 而且能够充分发挥 二者的优点, 这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在 [

3 -37] . 本文简要回顾了钢管混凝土力学性能研究现状, 探讨了组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土之间 的相互作用问题 , 介绍了钢管混凝土在单层和多层工业厂房柱 、设备构架柱 、 各种支架、 栈桥柱 、 地铁站 台柱、 送变电杆塔、 桁架压杆、 桩、 空间结构、 高层和超高层建筑以及桥梁结构中的应用情况 . 最后 , 对 需要进一步开展的研究工作进行了探讨 .

2 钢管混凝土结构的发展和研究现状 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的 . 最早采用钢管混凝 土的工程之一是

1879 年英国的赛文铁路桥桥墩 , 在钢管内填充混凝土以防止锈蚀并承受压力 , 随后又被 用做单层或多层工业厂房的结构柱 . 但在早期的应用中一般不考虑由于组成钢管混凝土的钢管及其核心 混凝土间相互作用对承载力的提高 . 对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究 , 及这类结构被大范围 推广应用主要是在

60 年代以后. 早期钢管混凝土采用的钢管往往是热轧管 , 钢管的壁厚一般均较大 [ 1-9] , 而且由于钢管内混凝土浇筑工艺未得到很好解决 , 因而经济效果不明显 , 从而使钢管混凝土的推广应用 收稿日期:

2001 -09 -16 作者简介: 韩林海( 1967-), 男, 博士, 特聘教授. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 5958007);

霍英东教育基金资助项目( 0501064);

福建省自然科学基金资助项目 ( E0120001) 第29 卷第6期福州大学学报( 自然科学版) Vol.

29 No.

6 2001 年12 月Journal of Fuzhou University( Natural Science) Dec.

2001 受到一定的影响 . 前苏联在五六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究, 并在一些土建工程, 如工业厂房和拱桥 结构中进行了应用. 在西欧一些国家, 如英国 , 德国和法国等, 主要研究方钢管混凝土、 圆钢管混凝土和 矩形钢管混凝土结构 , 核心混凝土为素混凝土, 或在核心混凝土中配置配筋或型钢 , 目前的设计规程主要 有: EC4( 1996) ;

德国: DIN18800( 1997) 等. 在美国, 以研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土为主, 核心混凝 土为素混凝土, 设计规程主要有 : ACI319 -

89 , SSLC( 1979) 和LRFD( 1994) ;

1923 年日本关西大地震后, 发 现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏并不明显 , 故在以后的建筑, 尤其是( 多) 高层建筑中 , 钢管混凝土 得到大量应用, 尤其

1995 年阪神地震后, 钢管混凝土更显示了其优越的抗震性能 , 钢管混凝土的研究进 一步成为热门课题之一, 在日本, 主要研究方钢管混凝土、 圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构 , 核心混 凝土为素混凝土或配筋混凝土 , 目前的设计规程主要有 AIJ(

1980 , 1997) . 澳大利亚和加拿大等国学者尚 对薄壁钢管混凝土结构进行了系统深入的研究. 我国主要集中研究在钢管中灌素混凝土的内填型钢管混 凝土结构 , 目前已先后由国家建材总局 、中国工程建设标准化协会、 国家经济贸易委员会和解放军总后勤 部颁布发行了有关钢管混凝土结构的设计规程, 分别是: JCJ01 -89( 1989) , CECS28 : 90( 1992) , DL5085 T - 1999( 1999) 和GJB

4142 - 2000( 2001) [

38 - 41] . 目前 , 钢-混凝土组合结构( 包括钢管混凝土) 已被列入国家 科技成果重点推广项目. 对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的方法, 区别在于如何估算钢管和核 心混凝土之间相互约束而产生的 效应 . 这种 效应 的存在构成了钢管混凝土构件的固有特性, 从而导 致其力学性能的复杂性. 研究者们从不同的角度对上述问题进行了研究 , 由于对钢管和混凝土之间紧箍 效应理解不同, 因而估计的准确程度也会有所不同, 所获计算方法和计算结果也就会有所出入 . 1)轴压构件 . 对钢管混凝土轴心受压短试件强度承载力的计算方法可归纳为两类 :①确定极限承载 力;

②确定进入塑性工作阶段的承载力. 由于混凝土工作性能的非线性 , 以及两种材料共同工作时性能 的复杂性, 求其极限荷载是比较简捷的方法. 也可认为这类方法是对螺旋箍筋约束钢筋混凝土柱计算原 理和方法的移植和发展. 基本概念是: 钢管对核心混凝土提供了约束, 使混凝土三向受压 , 从而提高了承 载力. 达到极限承载力时, 钢管纵向应力为零 , 环向应力达屈服点, 因而约束效应最大. 后来 , 不少研究 者通过试验观察到试件在达到极限状态时 , 钢管纵向应力并未降为零 , 环向应力也未达到单向受拉时的 屈服点 [ 34] . 有的研究者将钢管达到屈服 、 核心混凝土达抗压强度作为钢管混凝土轴心受压时的极限状态. 该类研究方法又可分两种类型 : 一种是不考虑组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土之间的组合作用对 其承载力的提高 , 另一种是考虑这种组合作用对钢管混凝土强度的提高 . 当然, 以后者较为合理 . 该方法 的关键是如何确定进入塑性阶段时钢管的纵向应力 . 不同的研究工作者采用不同的强度理论 . 有的采用 塑性理论 , 有的采用八面体理论 , 有的假设钢管和核心混凝土均为理想弹性塑性体 , 采用最大剪应力理 论, 或用莫尔强度理论 , 所得结果大体相同, 而按理想弹塑体分析时 , 结果稍偏低 . 根据试件转入塑性阶 段为承载力极限的方法, 一般均未提出极限状态准则 . 而且钢管出现塑性和核心混凝土达强度极限也不 一定同步 . 有个别研究工作者采取了限制纵向变形的方法来确定轴压承载力 , 如美国 ACI319 -89 设计规 程定义混凝土纵向应变为

3 000 μ s 时相应的承载力为强度承载力. 也有学者提出以残余应变为2

000 μ s时 对应的承载力为强度承载力. 对于并无明显屈服阶段的构件, 以变形达某一值为极限状态是合理可行的, 但是, 以残余应变值为标准不便于使用 . 对钢管混凝土轴心受压时临界力的计算方法可归纳为如下几种: ①应用欧拉公式确定承载力 [ 4] ;

②........