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)容基本原理及特點鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用材料和設(shè)計指標(biāo)承載力驗算 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 概述鋼管運輸與吊裝6.1 概述泵送高拋無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厚與混凝土強度等級相同的水泥砂漿，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)生的動能來達到混凝土的自密實。 當(dāng)拋落的高度不足4m 時，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)點設(shè)計6.1 概述鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點施工6.1 概述鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點施工6.1.1 鋼管混凝土的基本原理受壓時的應(yīng)力與應(yīng)變彈性階段0.283塑性階段0.5低應(yīng)力時0.17較高應(yīng)力時0.5極限狀態(tài)時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位弓弦效應(yīng)6.1.1 鋼管混凝土的基本原理受壓時的應(yīng)力與應(yīng)變混凝土單向受壓的變形過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承載力高塑性韌性好施工方便耐火性較好經(jīng)濟性好6.1.2 鋼管混凝土的基本特點圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回試驗P-曲線6.1.2 鋼管混凝土的基本特點 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%。理論分析和工程實踐表明：6.1.3 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用 1879年英國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鋼管穩(wěn)定性。1897年美國人John Lally用鋼管混凝土作房屋結(jié)構(gòu)的承重柱（稱為Lally柱），并申請獲得專利。 由于鋼管混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能，一經(jīng)出現(xiàn)便受到美歐蘇各國土木工程界的重視，并競相開發(fā)利用。 20世紀(jì)20年代前后，美國的波士頓、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)場施工操作繁瑣，使施工方面潛在的優(yōu)勢未能得到很好發(fā)揮，致使人們更愿意采用操作簡單、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)場勞動量少、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，由于先進的泵灌混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場管內(nèi)混凝土的澆灌問題，加以現(xiàn)代高強混凝土需要用鋼管套箍克服其脆性，因此在美國和澳大利亞等國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)的鋼柱被鋼管高強混凝土柱取代，并被認(rèn)為是高層建筑營造技術(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)的援建項目，中科院哈爾濱土建研究所最早開展研究，其后哈爾濱工業(yè)大學(xué)鐘善桐教授、中國建科院蔡紹懷研究員等國內(nèi)專家對鋼管混凝土進行了大量系統(tǒng)的研究，并據(jù)此編制了設(shè)計與施工規(guī)程，有力地推動了鋼管混凝土在我國工程界的應(yīng)用，從而使我國在世界上成為鋼管混凝土結(jié)

7、構(gòu)大國和強國。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6.2.1 鋼管混凝土設(shè)計規(guī)范國外規(guī)范歐洲規(guī)范EC4(2004)澳大利亞規(guī)范AS5100(2004)美國混凝土協(xié)會規(guī)范ACI318(2008)美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)范AISC(2010)英國規(guī)范BS5400(2005)日本建筑學(xué)會規(guī)范AIJ(2008)國內(nèi)規(guī)范6.2.1 鋼管混凝土設(shè)計規(guī)范 自

8、1989年至今已有行業(yè)和地方兩方面的設(shè)計施工規(guī)程十余本。 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程（CECS28:90） 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(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，混凝土強度和延性增加越大。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)計指標(biāo)2.參數(shù)定義及限值徑厚比或高厚比D/t長細比 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)計指標(biāo)4.鋼管混凝土的強度指標(biāo)組合軸壓強

11、度短柱平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈塑性基本結(jié)束鋼和砼均達極限標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計值6.2.2 鋼管混凝土材料和設(shè)計指標(biāo)4.鋼管混凝土的強度指標(biāo)組合抗剪強度純扭構(gòu)件典型-曲線 外鋼管也達屈服，主要與含鋼率、約束系數(shù)和組合軸壓強度有關(guān)，詳式（6-22）和式（6-23）。6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱 木柱在L/b10時可看作“短柱” ，鋼筋混凝土柱在L/b8時可以稱為“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，鋼管主要起環(huán)箍的作用，在縱向的作用很小，在L/D4時也可算作“短柱” 。6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算

12、1.短柱鋼管混凝土短柱加載方式試驗裝置6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱鋼管混凝土短柱N-曲線6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱弓弦效應(yīng)示意圖變形測量示意圖鋼管縱向應(yīng)變小于整體平均應(yīng)變機理解釋彈性薄片6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱中建院所作短柱試件外觀形態(tài)變化過程圖6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱中建院部分短柱試件試驗以后的外形6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱中建院粗短厚壁鋼管混凝土試件試驗后外形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)件承載力驗算1.短柱極限狀態(tài)下鋼管與混凝土受力簡圖6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱等測壓三向受壓混凝土6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱據(jù)Mises條件6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算1.短柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算同理，可推出P158CECS28:90依據(jù)1.短柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱影響鋼管混凝土長柱承載力的主要因素有：鋼管對核心混凝土的套箍強化作用柱的長細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)件承載力驗算6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承

14、載力驗算長柱研究情況6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱中建院-鋼管混凝土長細比影響試驗試驗裝置試驗后試件6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱中建院長細比影響經(jīng)驗公式對國外資料的校核6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱中建院-長柱試驗方案 為了能較好地觀察長細比和偏心率對鋼管混凝土柱力學(xué)行為的影響，并據(jù)之建立承載力計算方法，中建院采用了棋盤式的試驗方案。e0/rcL/D長細比L0/D總折減系數(shù)中建院-偏壓柱總折減系數(shù)試驗結(jié)果匯總6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱標(biāo)準(zhǔn)單元柱非標(biāo)準(zhǔn)單元柱6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱沿柱身彎矩分布梯度6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算2.長柱相同長度的標(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)件承載力驗算6.2.3 鋼管混凝土構(gòu)件承載力驗算據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程CECE28:903.計算公式 圓鋼管短柱、長柱軸心受壓偏心受壓承載力鋼管內(nèi)半徑等效計算長度【例題6-