鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

1鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用管道混凝土是指由管道中填充混凝土形成的構(gòu)件。根據(jù)截面形狀，可分為方管混凝土、圓形管道混凝土和多邊形管道混凝土。在實際結(jié)構(gòu)中，根據(jù)不同的管道處理方法，管道混凝土柱可分為兩種形式。首先，組成管道混凝土的管道混凝土和混凝土在加壓初期是共同的。其次，由于此處使用的負(fù)荷僅用于主混凝土，而管道僅用于限制其核心混凝土。換句話說，所謂的管道混凝土限制柱。本文主要研究了實際工程中常用的圓形截面管混凝土（以下簡稱管混凝土）、矩形截面管混凝土（以下簡稱管混凝土）和矩形截面管混凝土（以下簡稱矩形管混凝土）的結(jié)構(gòu)。管道和混凝土在上升和釋放初期共同承受外部負(fù)荷[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，34，35，36和37]。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用,即鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下,從而使混凝土的強度得以提高,塑性和韌性性能大為改善.同時,由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲,保證其材料性能的充分發(fā)揮,另外,在鋼管混凝土的施工過程中,鋼管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板,與鋼筋混凝土相比,可節(jié)省模板費用,加快施工速度.總之,通過鋼管和混凝土組合而成為鋼管混凝土,不僅可以彌補兩種材料各自的缺點,而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點,這也正是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢所在[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37].本文簡要回顧了鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀,探討了組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土之間的相互作用問題,介紹了鋼管混凝土在單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架、棧橋柱、地鐵站臺柱、送變電桿塔、桁架壓桿、樁、空間結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況.最后,對需要進一步開展的研究工作進行了探討.2鋼管混凝土的應(yīng)用鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的.最早采用鋼管混凝土的工程之一是1879年英國的賽文鐵路橋橋墩,在鋼管內(nèi)填充混凝土以防止銹蝕并承受壓力,隨后又被用做單層或多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)柱.但在早期的應(yīng)用中一般不考慮由于組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土間相互作用對承載力的提高.對鋼管混凝土力學(xué)性能進行較為深入的研究,及這類結(jié)構(gòu)被大范圍推廣應(yīng)用主要是在60年代以后.早期鋼管混凝土采用的鋼管往往是熱軋管,鋼管的壁厚一般均較大,而且由于鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝未得到很好解決,因而經(jīng)濟效果不明顯,從而使鋼管混凝土的推廣應(yīng)用受到一定的影響.前蘇聯(lián)在五六十年代對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行了大量的研究,并在一些土建工程,如工業(yè)廠房和拱橋結(jié)構(gòu)中進行了應(yīng)用.在西歐一些國家,如英國,德國和法國等,主要研究方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu),核心混凝土為素混凝土,或在核心混凝土中配置配筋或型鋼,目前的設(shè)計規(guī)程主要有:EC4(1996);德國:DIN18800(1997)等.在美國,以研究方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土為主,核心混凝土為素混凝土,設(shè)計規(guī)程主要有:ACI319-89,SSLC(1979)和LRFD(1994);1923年日本關(guān)西大地震后,發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在該次地震中的破壞并不明顯,故在以后的建筑,尤其是(多)高層建筑中,鋼管混凝土得到大量應(yīng)用,尤其1995年阪神地震后,鋼管混凝土更顯示了其優(yōu)越的抗震性能,鋼管混凝土的研究進一步成為熱門課題之一,在日本,主要研究方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu),核心混凝土為素混凝土或配筋混凝土,目前的設(shè)計規(guī)程主要有AIJ(1980,1997).澳大利亞和加拿大等國學(xué)者尚對薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)深入的研究.我國主要集中研究在鋼管中灌素混凝土的內(nèi)填型鋼管混凝土結(jié)構(gòu),目前已先后由國家建材總局、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)程,分別是:JCJ01-89(1989),CECS28:90(1992),DL5085/T-1999(1999)和GJB4142-2000(2001).目前,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(包括鋼管混凝土)已被列入國家科技成果重點推廣項目.對于鋼管混凝土構(gòu)件的研究存在各種不同的方法,區(qū)別在于如何估算鋼管和核心混凝土之間相互約束而產(chǎn)生的“效應(yīng)”.這種“效應(yīng)”的存在構(gòu)成了鋼管混凝土構(gòu)件的固有特性,從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的復(fù)雜性.研究者們從不同的角度對上述問題進行了研究,由于對鋼管和混凝土之間緊箍效應(yīng)理解不同,因而估計的準(zhǔn)確程度也會有所不同,所獲計算方法和計算結(jié)果也就會有所出入.1鋼管混凝土自適應(yīng)識別極限時.設(shè)計內(nèi)對鋼管混凝土軸心受壓短試件強度承載力的計算方法可歸納為兩類:①確定極限承載力;②確定進入塑性工作階段的承載力.由于混凝土工作性能的非線性,以及兩種材料共同工作時性能的復(fù)雜性,求其極限荷載是比較簡捷的方法.也可認(rèn)為這類方法是對螺旋箍筋約束鋼筋混凝土柱計算原理和方法的移植和發(fā)展.基本概念是:鋼管對核心混凝土提供了約束,使混凝土三向受壓,從而提高了承載力.達(dá)到極限承載力時,鋼管縱向應(yīng)力為零,環(huán)向應(yīng)力達(dá)屈服點,因而約束效應(yīng)最大.后來,不少研究者通過試驗觀察到試件在達(dá)到極限狀態(tài)時,鋼管縱向應(yīng)力并未降為零,環(huán)向應(yīng)力也未達(dá)到單向受拉時的屈服點.有的研究者將鋼管達(dá)到屈服、核心混凝土達(dá)抗壓強度作為鋼管混凝土軸心受壓時的極限狀態(tài).該類研究方法又可分兩種類型:一種是不考慮組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土之間的組合作用對其承載力的提高,另一種是考慮這種組合作用對鋼管混凝土強度的提高.當(dāng)然,以后者較為合理.該方法的關(guān)鍵是如何確定進入塑性階段時鋼管的縱向應(yīng)力.不同的研究工作者采用不同的強度理論.有的采用塑性理論,有的采用八面體理論,有的假設(shè)鋼管和核心混凝土均為理想彈性塑性體,采用最大剪應(yīng)力理論,或用莫爾強度理論,所得結(jié)果大體相同,而按理想彈塑體分析時,結(jié)果稍偏低.根據(jù)試件轉(zhuǎn)入塑性階段為承載力極限的方法,一般均未提出極限狀態(tài)準(zhǔn)則.而且鋼管出現(xiàn)塑性和核心混凝土達(dá)強度極限也不一定同步.有個別研究工作者采取了限制縱向變形的方法來確定軸壓承載力,如美國ACI319-89設(shè)計規(guī)程定義混凝土縱向應(yīng)變?yōu)?000μs時相應(yīng)的承載力為強度承載力.也有學(xué)者提出以殘余應(yīng)變?yōu)?000μs時對應(yīng)的承載力為強度承載力.對于并無明顯屈服階段的構(gòu)件,以變形達(dá)某一值為極限狀態(tài)是合理可行的,但是,以殘余應(yīng)變值為標(biāo)準(zhǔn)不便于使用.對鋼管混凝土軸心受壓時臨界力的計算方法可歸納為如下幾種:①應(yīng)用歐拉公式確定承載力;②根據(jù)實驗結(jié)果回歸計算公式;③數(shù)值解法.2鋼管縱向纖維強化階段與最優(yōu)支護極限荷載以往對鋼管混凝土受彎構(gòu)件研究得不多,對鋼管混凝土抗彎承載力的確定方法也不盡相同.有的學(xué)者定義截面塑性充分發(fā)展(截面2/3以上范圍達(dá)到屈服),而鋼管最外邊緣纖維尚未強化的點為構(gòu)件的抗彎承載力極限.有的學(xué)者則認(rèn)為比較合理的極限荷載,應(yīng)是鋼管約束效應(yīng)充分發(fā)揮,而又尚未進入強化階段時的最大荷載,亦即鋼管縱向纖維開始進入強化階段的荷載.3鋼管混凝土壓彎性能作用在壓彎構(gòu)件上的荷載可以有不同的加載路徑.過去,研究者們主要對構(gòu)件受偏心壓力的情況進行研究.對鋼管混凝土壓彎構(gòu)件承載力的計算方法可歸納為如下5種:①采用最大荷載理論;②軸力與彎矩相關(guān)方程;③增大偏心率法;④經(jīng)驗系數(shù)法;⑤數(shù)值解法.與對軸壓構(gòu)件的研究方法類似,也有的學(xué)者采用有限單元法和纖維模型法進行鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的承載力計算.近些年,國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土的動力性能進行了大量的試驗研究.文獻(xiàn)采用纖維模型法對圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的動力性能進行了較為系統(tǒng)的理論分析.由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補、共同工作的優(yōu)勢,這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能.在英、德、加拿大、盧森堡、日本和澳大利亞等國、研究者們對圓形和矩形截面的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能進行了大量的理論分析和試驗研究[15,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33],已制訂了專門的設(shè)計規(guī)程.但在進行鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計時,由于考慮到勞動力較為昂貴,因而大都采用在核心混凝土中配置專門考慮防火的鋼筋或鋼纖維、或者通過降低柱子的軸壓比以使構(gòu)件達(dá)到所要求的耐火極限.3鋼管混凝土構(gòu)件的約束-變形耦合過程分析目前國內(nèi)外學(xué)者在對鋼管混凝土工作機理和力學(xué)性能研究方面已取得一系列重要成果,為進一步深入該領(lǐng)域的研究工作創(chuàng)造了條件.但對鋼管混凝土的研究仍存在如下不足之處:1)對鋼管混凝土承載力的計算,采用理想彈性塑性體的假設(shè),這對抗變形能力很強的鋼管混凝土進行承載力計算是不合理的;2)對于圓鋼管混凝土,根據(jù)定值側(cè)壓力的實驗結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系來確定其承載力,這和核心混凝土的工作狀態(tài)不符;3)把鋼管普通強度混凝土和鋼管高強混凝土機械地分割來進行研究.進行鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限的計算時不考慮鋼和混凝土之間的相互作用問題,這和材料的實際工作狀態(tài)不符,得到的計算結(jié)果也不夠準(zhǔn)確;4)對鋼管混凝土在動力荷載作用下性能的研究主要以實驗為主,不利于深入系統(tǒng)地了解動力荷載作用下性能.因此,有必要對鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進行更深入系統(tǒng)的研究,提供理論上更為合理,設(shè)計上更為簡單的方法.鋼管混凝土構(gòu)件工作的實質(zhì)在于鋼管及其核心混凝土間的相互作用和協(xié)同互補.這種相互作用,使鋼管混凝土具有一系列優(yōu)越的力學(xué)性能,同時也導(dǎo)致了其力學(xué)性能的復(fù)雜性,因此,合理地估計這種相互作用的“效應(yīng)”成為迫切需要解決的鋼管混凝土理論研究熱點課題.從廣大設(shè)計部門的角度,不僅希望這一問題在理論上取得較透徹的解決,而且更希望能進一步提供便于工程設(shè)計人員使用的實用設(shè)計方法.從研究者的角度來說,在工程技術(shù)領(lǐng)域從事理論研究,其最終目的也應(yīng)該是更好地為實際應(yīng)用服務(wù).按照這一指導(dǎo)原則,作者及其課題組近年來進行了一些有益的探索,在進行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究共時經(jīng)歷了三個階段:一是在總結(jié)目前國內(nèi)外有關(guān)理論分析和實驗研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了能夠進行鋼管混凝土構(gòu)件荷載-變形全過程分析的理論和方法;二是根據(jù)研究的需要有針對性地進行了一系列試驗研究,以更加全面地驗證全過程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;三是將上述研究成果進一步推進到實用化的程度,提出以精確分析理論為基礎(chǔ)的鋼管混凝土構(gòu)件承載力和變形的實用驗算方法.在對以往有關(guān)研究者們大量卓有成效的理論和實驗研究成果分析的基礎(chǔ)上,作者及其課題組認(rèn)為組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間的相互作用主要表現(xiàn)在以下兩個方面:1)對于鋼管混凝土構(gòu)件截面,表現(xiàn)在鋼管對其核心混凝土的約束作用,使混凝土的材性發(fā)生變化,即強度得以提高,塑性和韌性性能大為改善.同時,由于混凝土的存在可以延緩或阻止鋼管不能發(fā)生內(nèi)凹的局部屈曲;在這種情況下,不僅鋼管和混凝土材料本身的性質(zhì)對鋼管混凝土構(gòu)件性能的影響很大,而且二者幾何特性和物理特性參數(shù)如何“匹配”,也將對鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能起著非常重要的影響.最后認(rèn)定以“約束效應(yīng)系數(shù)ξ”[ξ的表達(dá)式參見式(1)]作為衡量這種相互作用的基本參數(shù);2)對于構(gòu)件,尤其是長細(xì)比較大的鋼管混凝土構(gòu)件,表現(xiàn)在由于混凝土的存在,構(gòu)件的“破壞模態(tài)”表現(xiàn)出很大的不同,從而使鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載力和同等長度的空鋼管相比具有很大的提高.這時,核心混凝土的“貢獻(xiàn)”主要在于延緩鋼管過早地發(fā)生局部屈曲,從而使鋼管混凝土構(gòu)件整體的承載力和塑性能力得到很大提高.在這種情況下,混凝土材料本身的性質(zhì),例如強度等的變化對鋼管混凝土構(gòu)件整體的力學(xué)性能影響不大.基于上述對組成鋼管混凝土的鋼材和混凝土之間相互作用的基本認(rèn)識,第一階段首先以“約束效應(yīng)系數(shù)”(ξ)為基本參數(shù)來描述鋼管對其核心混凝土的約束.ξ的表達(dá)式如下:ξ=AsfyAcfck=αfyfck(1)ξ=AsfyAcfck=αfyfck(1)式中:As,Ac分別為鋼材和混凝土的截面積;α=As/Ac為鋼管混凝土截面含鋼率;fy為鋼材屈服極限;fck為混凝土抗壓強度.由式(1)可以看出,對于某一特定的鋼管混凝土截面,約束效應(yīng)系數(shù)ξ可以反映出組成鋼管混凝土截面的鋼材和核心混凝土的幾何特性和物理特性參數(shù)的影響,ξ值越大,表明鋼材所占比重大,混凝土的比重相對較小;反之,ξ值越小,表明鋼材所占比重小,混凝土的比重相對較大.約束效應(yīng)系數(shù)ξ對鋼管混凝土性能的影響主要表現(xiàn)在:ξ值越大,在受力過程中,則鋼管可對核心混凝土提供足夠的約束作用,混凝土強度和延性的增加相對較大;反之,隨著ξ值的減小,鋼管對其核心混凝土的約束作用將隨之減小,鋼管混凝土的強度和延性提高得就越少,也就是說,ξ的大小可以很好地反映出鋼管和混凝土的組合作用.以“約束效應(yīng)系數(shù)”為基本參數(shù)可較準(zhǔn)確地描述鋼管混凝土截面的“組合作用效應(yīng)”,概念準(zhǔn)確,便于有關(guān)設(shè)計人員從概念上理解鋼管混凝土的力學(xué)實質(zhì),進而進行合理設(shè)計.基于上述認(rèn)識,首先確定組成鋼管混凝土的鋼材及混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,在此基礎(chǔ)上,采用纖維模型法,分析了鋼管混凝土構(gòu)件在短期和長期荷載、動力、火災(zāi)作用下和火災(zāi)作用后荷載-變形全過程分析關(guān)系曲線,并和已有的國內(nèi)外的實驗結(jié)果進行了對照,結(jié)果令人滿意.為了進一步更加全面驗證以上理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,在第二階段針對國內(nèi)外以往進行過的實驗研究狀況,有計劃地進行了一系列鋼管混凝土構(gòu)件在短期荷載和長期荷載、動力、火災(zāi)作用下和火災(zāi)作用后的補充實驗研究,使理論分析結(jié)果更為可信.以上這種以充分考慮組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間相互組合作用的分析方法自然是比較系統(tǒng)和完善的,而且得到大量實驗結(jié)果的驗證,計算結(jié)果也較精確.但是也要看到,從實際應(yīng)用的角度考慮,這種理論方法顯得還是比較復(fù)雜,不便于應(yīng)用.如何從上述理論成果出發(fā),搭起必要的橋梁,過渡到便于廣大設(shè)計人員應(yīng)用的實用方法,是一項十分有意義的工作,也是作者在第三階段研究中的主要任務(wù).為了實現(xiàn)這一目標(biāo),在充分考慮到工程實際應(yīng)用的情況下,對影響鋼管混凝土性能的基本參數(shù)(包括物理參數(shù)、幾何參數(shù)和荷載參數(shù)等)進行了系統(tǒng)的分析,并考慮各種可能的影響因素,然后對所得大量計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析和歸納,考察鋼管混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律;最后從理論高度進行概括,提出鋼管混凝土構(gòu)件實用設(shè)計方法.有關(guān)圓鋼管混凝土的研究成果為國家經(jīng)貿(mào)委頒布的設(shè)計規(guī)程DL5085/T-1999所采用;有關(guān)方鋼管混凝土的研究成果為國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB4142-2000(2001)所采用;有關(guān)鋼管混凝土耐火性能研究方面的研究成果為深圳賽格廣場鋼管混凝土柱防火設(shè)計所采用.在對鋼管混凝土構(gòu)件靜力性能深入研究的基礎(chǔ)上,提出了承載力和剛度的計算公式,簡化計算方法和理論分析結(jié)果及試驗結(jié)果均吻合得令人滿意.基于鋼管混凝土構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下的荷載-變形全過程分析結(jié)果,可以方便地確定鋼管混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型,例如圖1所示各參數(shù)均可根據(jù)鋼管混凝土構(gòu)件的幾何特性和物理特性參數(shù)直接確定,簡化模型與理論分析結(jié)果及試驗結(jié)果均吻合良好.該簡化模型的提出可為采用鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)的動力分析提供參考.在對鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限理論分析和試驗研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)構(gòu)件在設(shè)計荷載作用下的耐火極限主要與構(gòu)件的截面尺寸(對于圓構(gòu)件為直徑D;對于方構(gòu)件為截面邊長B)和長細(xì)比(對于圓構(gòu)件:λ=4L/D;對于方構(gòu)件:λ=2√3L/Bλ=23√L/B;)以及防火保護層厚度(a)有關(guān).這樣可方便地計算出一定耐火極限下構(gòu)件所需的防火保護層厚度.通過對數(shù)值計算曲線的分析擬合,且適當(dāng)考慮安全度,最終可給出鋼管混凝土柱防火保護層厚度a的簡化計算公式如下:對于圓鋼管混凝土:a=(19.2t+9.6)·C-(0.28-0.0019λ)(2)對于方鋼管混凝土:a=(148.6t+22)·C-(0.42+0.0017λ)(3)式(2)和式(3)中,t為耐火極限(h);C為柱截面周長(mm);λ為構(gòu)件長細(xì)比.保護層采用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)《CECS24:90鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》.對于有長期荷載作用的鋼管混凝土構(gòu)件,基于荷載-變形關(guān)系的全過程分析結(jié)果,可方便地計算出考慮長期荷載作用時對承載力的影響系數(shù)kcr(為考慮長期荷載作用時的承載力和不考慮長期荷載作用時的承載力之比),從而方便地進行工程設(shè)計.例如對于方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件,系數(shù)kcr可表示為:kcr={(1-0.25kλ)ξ0.08kλ[1+0.13kλ(1-ke)](λ≤40)(0.13k2λ-0.3kλ+1)ξ0.08kλ((1+1-ke15+25k2λ))(40<λ≤120)0.85kξ[(1+1-ke15+25k2λ)](λ>120)(4a)(4b)(4c)kcr=???????????(1?0.25kλ)ξ0.08kλ[1+0.13kλ(1?ke)](λ≤40)(0.13k2λ?0.3kλ+1)ξ0.08kλ((1+1?ke15+25k2λ))(40<λ≤120)0.85kξ[(1+1?ke15+25k2λ)](λ>120)(4a)(4b)(4c)其中,kλ=λ/100;kξ=ξ0.1;ke=(1+e/r0)-2,e為荷載偏心距,r0=B/2.這樣,在計算出方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件一次加載情況下的承載力后,將其乘以kcr值,即可很方便地獲得考慮長期荷載作用影響時構(gòu)件的承載力.對火災(zāi)后鋼管混凝土壓彎構(gòu)件力學(xué)性能的理論分析和試驗研究結(jié)果表明,火災(zāi)作用對鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響系數(shù)kr(為考慮火災(zāi)作用影響時的承載力和常溫下的承載力之比)主要是構(gòu)件的受火時間、截面尺寸和構(gòu)件長細(xì)比.通過對工程常用參數(shù),即fy=235～390MPa、C30～C80混凝土、α=0.04～0.20、λ=10～120、e/ro=0～3.0情況下的kr數(shù)值計算結(jié)果進行分析,可回歸出按ISO-834規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線作用后鋼管混凝土構(gòu)件的kr計算公式,例如對于方鋼管混凝土柱:其中,t0=t/100;Do=D/600;λo=λ/40;f(Do)為構(gòu)件截面尺寸影響函數(shù);f(λo)為長細(xì)比影響函數(shù).上述各式中,t以分鐘(min)計,D以毫米(mm)計.可見,只要給定鋼管混凝土構(gòu)件和火災(zāi)持續(xù)時間(t),即可利用式(5)方便地計算出構(gòu)件的承載力影響系數(shù)kr,進而確定出火災(zāi)作用后構(gòu)件的殘余承載力.目前,課題組正在進行鋼管混凝土構(gòu)件的疲勞性能、初應(yīng)力對鋼管混凝土構(gòu)件性能的影響和鋼管混凝土柱與鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土梁組成的框架結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下力學(xué)性能等方面的研究工作.4鋼管混凝土生長國內(nèi)外研究者已在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得一系列重要成果,該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法也正日趨完善和成熟,因而近年來鋼管混凝土的應(yīng)用日益增多,發(fā)展速度之快驚人.根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)本身的特點,其應(yīng)用領(lǐng)域主要有:1)單層和多層工業(yè)廠房柱.和鋼筋混凝土柱相比,鋼管混凝土柱顯得較為輕巧,因而被廣泛地用作廠房柱.我國是這類結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的國家.例如1972年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間,1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠和1984年完工的上海特種基礎(chǔ)科研所科研樓也采用了鋼管混凝土柱.據(jù)不完全統(tǒng)計,我國采用鋼管混凝土柱的工業(yè)廠房已達(dá)二百余座.2)設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架柱和棧橋柱.在各種平臺或構(gòu)筑物中,下部支柱常屬于軸心受壓構(gòu)件,且往往荷載較大,因而采用鋼管混凝土柱非常合理.鋼管混凝土被作為各種設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架柱和棧橋柱的情況很多,例如1978年建成的首鋼二號高爐構(gòu)架,1979年建成的首鋼四號高爐構(gòu)架以及1982年建成的湖北荊門熱電廠鍋爐構(gòu)架,1983年建成的江西德興銅礦礦石儲倉支架柱,以及北京首鋼自備電廠和山西太一電廠的輸煤棧橋柱等.3)地鐵站臺柱.地下鐵道站臺柱承受的壓力很大,采用鋼管混凝土柱時,可以獲得很好的經(jīng)濟效果,不但承載力高,而且柱截面也可減小,從而可擴大使用空間.例如,地鐵北京站和前門站及環(huán)線工程中的站臺柱都采用了這種結(jié)構(gòu).4)送變電桿塔.檔距大的高壓輸電桿塔或微波塔,采用鋼管混凝土作立柱可取得良好的經(jīng)濟效果.例如,1980年松蚊220kV線路中的終端塔采用了鋼管混凝土柱,1986年在沿葛洲壩水電站輸出線路上及繁昌變電所500kV變電構(gòu)架中都廣泛采用了鋼管混凝土.5)桁架壓桿.在桁架壓桿中采用鋼管混凝土可充分運用這類結(jié)構(gòu)的特點,從而達(dá)到節(jié)省鋼材,減少投資的目的.實際工程有60年代建造的山西中條山某礦的鋼屋架中的壓桿.1982年完工的吉林造紙廠堿爐與電站工程中電除塵工段的屋架中也采用了鋼管混凝土構(gòu)件.6)樁.80年代后期寶鋼二期工程中曾嘗試用鋼管樁內(nèi)灌入混凝土以解決樁偏移過大影響樁承載力的問題.此后,上海楊浦大橋建設(shè)中也采用了鋼管混凝土樁技術(shù).90年代的寶鋼三期工程中,試驗成功并推廣了具有較高承載力的鋼管混凝土樁技術(shù).經(jīng)過20余年的工程實踐,寶鋼已經(jīng)形成了比較完整的長樁系列.將鋼管混凝土樁作為沿海軟土地基上高層建筑、橋梁、碼頭等重要建筑物的基礎(chǔ)具有很好的推廣應(yīng)用前景.7)空間結(jié)構(gòu).建成于1998年的日本北九州市多目的賽車場,建筑面積:94835m2;地上8層,地下1層,地上1～8層采用了鋼管混凝土柱和鋼結(jié)構(gòu)梁,充分發(fā)揮了鋼管混凝土剛性大、強度高、抗變形能力強和耐火特性好等特點,取得了良好的建筑效果和經(jīng)濟效果.該建筑的主要部分用于觀覽場地、其他部分為多功能展示場.8)高層和超高層建筑.鋼管混凝土可用于高層和超高層建筑的柱結(jié)構(gòu)和抗側(cè)力體系,主要優(yōu)點有:①構(gòu)件截面減小,節(jié)約建筑材料,可增加使用空間,且構(gòu)件自重減輕,從而減小了基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān),可降低基礎(chǔ)的造價;②抗震性能好;③耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu),相對于鋼結(jié)構(gòu)可降低防火造價;④可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法,從而可大大加快施工速度等.自90年代以來,鋼管混凝土在我國高層建筑中的應(yīng)用發(fā)展很快,經(jīng)歷了由局部柱子采用,到大部分柱子采用,最后發(fā)展到全部柱子采用的過程.由我國企業(yè)自行投資、設(shè)計、制造和施工的深圳賽格廣場大廈是其中比較典型的一座,該建筑于1999年建成,占地面積9653m2,地下4層,地上72層,總建筑面積166700m2;地上建筑高度為291.6m,為框筒結(jié)構(gòu)體系,其框架柱及抗側(cè)力體系內(nèi)筒的28根密排柱均采用了圓鋼管混凝土.于1998年修建完成的香港中心大廈,地下3層,地上70層,總建筑面積140000m2;地上建筑高度為292m,采用了方鋼管混凝土柱,最大截面尺寸為800mm×800mm,鋼材屈服極限為450MPa,混凝土圓柱體抗壓強度為45MPa.橫向荷載由方鋼管混凝土柱組成的巨型結(jié)構(gòu)體系承受.已經(jīng)完成試設(shè)計的日本東京Shimizu超高層建筑,共計121層,高度為550m,采用了矩形截面鋼管混凝土柱,柱距分為26m和12.8m兩種,鋼管混凝土柱最大截面尺寸為4000mm×2400mm.Shimizu超高層建筑地處日本東京灣,地震荷載和風(fēng)荷載的作用是設(shè)計中的關(guān)鍵問題.矩形鋼管混凝土由于具有承載力高、剛度大、延性好和施工方便等優(yōu)點,在該建筑的試設(shè)計方案中被采用.9)橋梁結(jié)構(gòu).在我國,鋼管混凝土已被較為廣泛地應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中,在斜拉橋結(jié)構(gòu)中也已開始應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益.拱式結(jié)構(gòu)主要承受軸向壓力,當(dāng)跨度很大時,拱肋將承受很大的軸向壓力,采用鋼管混凝土是十分合理的.鋼管混凝土被用作拱橋的承壓構(gòu)件,在施工時空鋼管不但具有模板和鋼筋的功能,還具有加工成型后,空鋼管骨架剛度大、承載能力高、重量輕的優(yōu)點,這些優(yōu)點與橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝相結(jié)合,可以解決轉(zhuǎn)體重量和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的強度、剛度這一矛盾,因而深受橋梁工程師的青睞.在具體應(yīng)用時,根據(jù)鋼管混凝土發(fā)揮材料的作用和施工作用的差異,實際拱橋結(jié)構(gòu)中有以下兩個方面的應(yīng)用方向:一種為鋼管內(nèi)填混凝土,即鋼管表皮外露,與核心混凝土共同作為結(jié)構(gòu)的主要受力組成部分,同時也作為施工時的勁性骨架,該類橋梁一般被稱為鋼管混凝土拱橋;另一種形式是鋼管分別內(nèi)填和外包混凝土,鋼管表皮不外露,鋼管主要作為施工時的勁性骨架,先內(nèi)灌混凝土,形成鋼管混凝土后再掛模板外包混凝土形成斷面,該類橋梁一般被稱為鋼管混凝土勁性骨架拱橋.據(jù)不完全統(tǒng)計,我國目前己建成的鋼管混凝土拱橋和鋼管混凝土勁性骨架拱橋已達(dá)120余座.例如1996年建成的下牢溪大橋是三峽工程對外交通專用公路上的重要橋梁,主跨采用了上承式鋼管混凝土懸鏈線無鉸拱,跨度為160m,凈矢高為32m,矢跨比為1/5,拱軸系數(shù)m=1.543.由于公路主要服務(wù)于三峽大壩施工,設(shè)計荷載很大,因而采用變截面拱圈,全橋布置了四條拱肋,中心距離為4.5m,肋與肋之間以主撐和副撐加強以保證拱的橫向剛度.拱圈截面為啞鈴型,高度為2.5～2.9m,鋼管混凝土外直徑為1000mm,壁厚為10-12mm,鋼材為Q345,內(nèi)填C50混凝土.圖2所示為下牢溪大橋鋼管混凝土拱肋的施工過程.1998年7月23開始動工興建,2000年6月建成通車的廣州丫髻沙大橋是廣州東南西環(huán)高速公路西環(huán)線上跨越珠江主副航道和丫髻沙島的一座標(biāo)志性橋梁,全橋總長1084m.主橋跨徑76m+360m+76m,主跨360m采用了連續(xù)自錨中承式鋼管混凝土拱橋.大橋按一級汽車專用公路汽-超20,掛車-120級荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計.地震強度按8級設(shè)防.大橋建成后橋面雙向六道,橋下凈高34m,可通過萬噸貨輪.大橋采用岸上立架拼裝拱肋,然后豎轉(zhuǎn)加平轉(zhuǎn),合攏成拱的施工工藝,每側(cè)轉(zhuǎn)體總重量約為13860t.1997年建成的萬縣長江大橋橋區(qū)處于三峽庫區(qū),建橋要求一孔過江,前后共在兩個橋位上作了吊橋、斜拉橋、混凝土剛構(gòu),拱橋等多種橋型與布孔方案.從經(jīng)濟耐用、養(yǎng)護容易、抗腐蝕強(酸雨地區(qū))、景觀優(yōu)美等因素考慮,采用凈跨420m單孔跨越長江的鋼管混凝土勁性骨架拱橋方案.全橋總長856.12m.四車道全封閉高速路,路基全寬24.5m;橋?qū)?凈2m×7.5m行車道,2m×3m人行道,總寬24m;地震烈度:基本烈度6度,按7度驗算;在三峽水庫正常蓄水位175m以上通航凈空為24m×300m(高×寬).雙向可通行三峽庫區(qū)規(guī)劃的萬噸級船隊.鋼管混凝土勁性骨架主拱圈凈跨420m,凈矢高84m,矢跨比1/5,拱圈高7m,寬16m,橫向分為三箱.勁性骨架既作為施工成拱的承重結(jié)構(gòu),又是橋梁結(jié)構(gòu)受力的永久組成部分.鋼管混凝土作為骨架弦桿,需滿足施工過程受力與穩(wěn)定的要求.骨架鋼管外直徑為402mm,壁厚為16mm,Q345鋼,內(nèi)填充C60混凝土.鋼管混凝土骨架合攏后,外包混凝土,并適當(dāng)配置鋼筋.隨著橋梁跨徑的日益增大,其恒載所占的比例也隨著加大,結(jié)構(gòu)承載能力用于承擔(dān)活載的比例相對減小,承載能力利用系數(shù)減小,從而造成建筑材料的浪費.如何通過利用新材料及采用新結(jié)構(gòu)兩條途徑,以減輕預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋上部結(jié)構(gòu)的恒載,同時采用與之相適應(yīng)的合理施工工藝,以簡化施工程序,減少施工設(shè)備,加快施工速度,達(dá)到降低造價的目的,這一直是橋梁工程界共同關(guān)注的問題.1996年建成通車的南海市紫洞大橋是采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)的橋梁,大橋跨越南海市潭洲水道(三級航道).其主橋采用跨徑組合為69m+140m+69m的雙塔三跨單索面斜拉橋.文獻(xiàn)對紫洞大橋主橋進行了經(jīng)濟分析,結(jié)果表明,主橋與原設(shè)計方案(預(yù)應(yīng)