鋼管混凝土結(jié)構(gòu)課件

1、第四章 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容基本原理及特點(diǎn)鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)承載力驗(yàn)算 6.1 概述鋼管混凝土構(gòu)件常用形式6.1 概述空心鋼管混凝土復(fù)式鋼管混凝土不銹鋼管混凝土FRP約束鋼管混凝土6.1 概述FRP-混凝土-鋼管組合柱截面形式6.1 概述卷制鋼管6.1 概述鋼管運(yùn)輸與吊裝6.1 概述泵送高拋無(wú)振搗混凝土澆筑前除盡鋼管內(nèi)雜物和積水，先澆筑一層100mm200mm厚與混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的水泥砂漿，以防止自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳。 將泵管出料口伸入鋼管內(nèi)，利用混凝土下落產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)達(dá)到混凝土的自密實(shí)。 當(dāng)拋落的高度不足4m 時(shí)，用插入式振搗棒密插短振，逐層振搗。 6.1 概

2、述鋼梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)6.1 概述鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)施工6.1 概述鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)施工6.1.1 鋼管混凝土的基本原理受壓時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變彈性階段0.283塑性階段0.5低應(yīng)力時(shí)0.17較高應(yīng)力時(shí)0.5極限狀態(tài)時(shí)1.0環(huán)向應(yīng)變縱向應(yīng)變兩種受力模式的 鋼管混凝土柱6.1.1 鋼管混凝土的基本原理受壓時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變鋼管混凝土的荷載-應(yīng)變曲線鋼管與混凝土錯(cuò)位弓弦效應(yīng)6.1.1 鋼管混凝土的基本原理受壓時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變混凝土單向受壓的變形過(guò)程鋼管混凝土受力初期鋼管和混凝土的受力狀態(tài)6.1.1 鋼管混凝土的基本原理圓管受力分析6.1.1 鋼管混凝土的基本原理中后期相互作用受

3、力狀態(tài)相互作用混凝土三向約束鋼管局穩(wěn)增強(qiáng)圓管受力分析6.1.1 鋼管混凝土的基本原理方管受力分析未填充混凝土6.1.1 鋼管混凝土的基本原理方管受力分析6.1.2 鋼管混凝土的基本特點(diǎn)承載力高塑性韌性好施工方便耐火性較好經(jīng)濟(jì)性好6.1.2 鋼管混凝土的基本特點(diǎn)圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回試驗(yàn)P-曲線6.1.2 鋼管混凝土的基本特點(diǎn) 與鋼結(jié)構(gòu)相比，在保持自重相近和承載力相同的條件下，可以節(jié)省鋼材約50%，焊接工作量可大幅度減少； 與型鋼混凝土相比，在保持橫截面面積相近和承載力相同的條件下，可以節(jié)省鋼材約50%，且施工更為便捷； 與普通鋼筋混凝土柱相比，在保持鋼材用量相近和承載力相同的條件下，構(gòu)件的橫

4、截面面積可減小約一半，從而建筑的有效面積得以加大，混凝土和構(gòu)件自重相應(yīng)減少50%。理論分析和工程實(shí)踐表明：6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用 1879年英國(guó)賽文鐵路橋采用鋼管混凝土橋墩，目的是防止鋼管內(nèi)部銹蝕，其后發(fā)現(xiàn)除了防銹外還能增強(qiáng)鋼管穩(wěn)定性。1897年美國(guó)人John Lally用鋼管混凝土作房屋結(jié)構(gòu)的承重柱（稱為L(zhǎng)ally柱），并申請(qǐng)獲得專利。 由于鋼管混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能，一經(jīng)出現(xiàn)便受到美歐蘇各國(guó)土木工程界的重視，并競(jìng)相開(kāi)發(fā)利用。 20世紀(jì)20年代前后，美國(guó)的波士頓、紐約和芝加哥等地曾將其用于單層和多層廠房的承重柱；1930年法國(guó)巴黎郊區(qū)的Ibis地方用鋼管混凝土建造了一座9m跨的上承

5、式拱橋；1937年蘇聯(lián)列寧格勒用集束的小直徑鋼管混凝土作拱肋，建造了橫跨涅瓦河101m跨度的下沉式拱橋，1939年又在西伯利亞建成了跨度140m的上承式鋼管混凝土鐵路拱橋。 蘇聯(lián)格沃茲杰夫（Gvozdev）教授深刻地闡明了鋼管套箍混凝土的工作機(jī)理，并成功地用極限平衡法求解了鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力。 6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用 在20世紀(jì)80年代以前，由于管內(nèi)混凝土的澆灌工藝未得到很好解決，現(xiàn)場(chǎng)施工操作繁瑣，使施工方面潛在的優(yōu)勢(shì)未能得到很好發(fā)揮，致使人們更愿意采用操作簡(jiǎn)單、質(zhì)檢直觀的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或工廠化程度高、現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)量少、吊裝輕便、施工速度快的鋼結(jié)構(gòu)。 到了20世紀(jì)80年

6、代后期，由于先進(jìn)的泵灌混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場(chǎng)管內(nèi)混凝土的澆灌問(wèn)題，加以現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土需要用鋼管套箍克服其脆性，因此在美國(guó)和澳大利亞等國(guó)的若干高層建筑工程中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)又悄然興起，傳統(tǒng)的鋼柱被鋼管高強(qiáng)混凝土柱取代，并被認(rèn)為是高層建筑營(yíng)造技術(shù)的一次重大突破。 6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用 我國(guó)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)起步于20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)的援建項(xiàng)目，中科院哈爾濱土建研究所最早開(kāi)展研究，其后哈爾濱工業(yè)大學(xué)鐘善桐教授、中國(guó)建科院蔡紹懷研究員等國(guó)內(nèi)專家對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，并據(jù)此編制了設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，有力地推動(dòng)了鋼管混凝土在我國(guó)工程界的應(yīng)用，從而使我國(guó)在世界上成為鋼管混凝土結(jié)

7、構(gòu)大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。2005年建成的世界最大跨度460m的鋼管混凝土重慶奉節(jié)巫山長(zhǎng)江大橋2000年建成的世界最高的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)深圳賽格廣場(chǎng)大廈72層291.6m6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用剖面示意圖五、六層結(jié)構(gòu)平面圖6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用1966年建成的北京地鐵“北京站”6.2 鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)6.2.1 鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)外規(guī)范歐洲規(guī)范EC4(2004)澳大利亞規(guī)范AS5100(2004)美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)規(guī)范ACI318(2008)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)規(guī)范AISC(2010)英國(guó)規(guī)范BS5400(2005)日本建筑學(xué)會(huì)規(guī)范AIJ(2008)國(guó)內(nèi)規(guī)范6.2.1 鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范 自

8、1989年至今已有行業(yè)和地方兩方面的設(shè)計(jì)施工規(guī)程十余本。 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程（CECS28:90） 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS159:2004） 福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程DBJ/T13-51-2010 6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo) 鋼管混凝土的力學(xué)性能不僅與兩種材料各自的性能有關(guān)，而且與兩者的“匹配”有關(guān)。1.材料要求鋼管 一般按鋼結(jié)構(gòu)用材要求。宜采用螺旋焊接管或直接焊接管,焊縫為坡口對(duì)接焊，不得采用搭接角焊縫?；炷?Q235-C30或C40，Q345-C40C60,Q390或Q420-C50或C

9、60及以上；水灰比0.45，加減水劑塌落度宜為160180mm。6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)2.參數(shù)定義及限值含鋼率約束效應(yīng)系數(shù) 反映截面幾何與物理特性，越大約束越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度和延性增加越大。取值范圍 0.34，抗震要求圓管0.6，方管1.0。6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)2.參數(shù)定義及限值徑厚比或高厚比D/t長(zhǎng)細(xì)比 基于不發(fā)生局部失穩(wěn)，雖可考慮混凝土支撐的有利影響，但不得大于鋼結(jié)構(gòu)D/t的1.5倍，且 圓管D/t150235/fyDDB詳鋼規(guī)柱150支撐200矩管6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)3.鋼管混凝土的剛度取值直接影響結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確性。組合軸壓剛度短柱平均應(yīng)力-應(yīng)變

10、曲線 基本以定性方式確定，各規(guī)程公式有別：福建省標(biāo)行業(yè)規(guī)程6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)3.鋼管混凝土的剛度組合彈性抗彎剛度 不僅不考慮粘結(jié)，而且還要考慮混凝土的開(kāi)裂和塑性發(fā)展。福建省標(biāo)行業(yè)規(guī)程規(guī)程不同公式有別。6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)3.鋼管混凝土的剛度組合剪切剛度 取定鋼與約束混凝土的本構(gòu)模型，用有限元程序算出純扭或純剪的名義剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線，并以其比例極限定義剪變模量。純扭構(gòu)件-曲線P150式（6-17）P150式（6-18）6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)3.鋼管混凝土的剛度組合剪切剛度6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)4.鋼管混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)組合軸壓強(qiáng)

11、度短柱平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈塑性基本結(jié)束鋼和砼均達(dá)極限標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計(jì)指標(biāo)4.鋼管混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)組合抗剪強(qiáng)度純扭構(gòu)件典型-曲線 外鋼管也達(dá)屈服，主要與含鋼率、約束系數(shù)和組合軸壓強(qiáng)度有關(guān)，詳式（6-22）和式（6-23）。6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱 木柱在L/b10時(shí)可看作“短柱” ，鋼筋混凝土柱在L/b8時(shí)可以稱為“短柱” ，素混凝土和未配置縱筋的套箍混凝土柱L/b4可以稱為“短柱”，磚石柱L/b3可以稱為“短柱”。 鋼管混凝土在極限狀態(tài)時(shí)，鋼管主要起環(huán)箍的作用，在縱向的作用很小，在L/D4時(shí)也可算作“短柱” 。6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算

12、1.短柱鋼管混凝土短柱加載方式試驗(yàn)裝置6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱鋼管混凝土短柱N-曲線6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱弓弦效應(yīng)示意圖變形測(cè)量示意圖鋼管縱向應(yīng)變小于整體平均應(yīng)變機(jī)理解釋彈性薄片6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱中建院所作短柱試件外觀形態(tài)變化過(guò)程圖6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱中建院部分短柱試件試驗(yàn)以后的外形6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱中建院粗短厚壁鋼管混凝土試件試驗(yàn)后外形N-c曲線荷載N（10kN）縱向應(yīng)變c（%）6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱混凝土各階段的應(yīng)力狀態(tài) （蘇）格沃茲杰夫用極限平衡理論

13、求解鋼管混凝土短柱承載力Nu6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱極限狀態(tài)下鋼管與混凝土受力簡(jiǎn)圖6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱等測(cè)壓三向受壓混凝土6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱據(jù)Mises條件6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算1.短柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算同理，可推出P158CECS28:90依據(jù)1.短柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱影響鋼管混凝土長(zhǎng)柱承載力的主要因素有：鋼管對(duì)核心混凝土的套箍強(qiáng)化作用柱的長(zhǎng)細(xì)比作用力的偏心率柱端約束條件沿柱身的彎矩分布梯度套箍指標(biāo)影響6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承

14、載力驗(yàn)算長(zhǎng)柱研究情況6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱中建院-鋼管混凝土長(zhǎng)細(xì)比影響試驗(yàn)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)后試件6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱中建院長(zhǎng)細(xì)比影響經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)國(guó)外資料的校核6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱中建院-長(zhǎng)柱試驗(yàn)方案 為了能較好地觀察長(zhǎng)細(xì)比和偏心率對(duì)鋼管混凝土柱力學(xué)行為的影響，并據(jù)之建立承載力計(jì)算方法，中建院采用了棋盤(pán)式的試驗(yàn)方案。e0/rcL/D長(zhǎng)細(xì)比L0/D總折減系數(shù)中建院-偏壓柱總折減系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱標(biāo)準(zhǔn)單元柱非標(biāo)準(zhǔn)單元柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱沿柱身彎矩分布梯度6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算2.長(zhǎng)柱相同長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)單元柱與非標(biāo)準(zhǔn)單元柱M-N相關(guān)曲線鋼管混凝土試件N-M相關(guān)曲線6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗(yàn)算據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程CECE28:903.計(jì)算公式 圓鋼管短柱、長(zhǎng)柱軸心受壓偏心受壓承載力鋼管內(nèi)半徑等效計(jì)算長(zhǎng)度【例題6-