钢管混凝土柱论文范例6篇

钢管混凝土柱论文

钢管混凝土柱论文范文1

关键词:钢管叠合柱; 设计; 应用

Abstract: This paper taking the steel tube of laminated column with steel tube combined structure mechanical characteristics and development as the starting point, from the design, construction and so on several aspects of the analysis, summed up the steel pipe of laminated column and its advantages, the development of industry of our country construction importance, as well as in structural design should give attention to the design points discuss, put forward steel laminated column structure development prospect and can work in future research in several points of attention.

Key words: steel tube composite columns; design; application

中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)

0、前言

2008年在我国四川汶川发生的地震,给建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。更多的建筑设计者和科研人员都将目光放在了组合结构上,希望借此提高我国建筑结构的抗震水平。钢管叠合柱是组合结构中的比较常用的一种结构形式。目前在我国的应用也比较广泛,沈阳万鑫大厦和沈阳和泰大厦等等都是采用了钢管混凝土叠合柱的比较成功的案例。

1、钢管混凝土叠合柱的力学特性

钢管混凝土叠合柱是由钢管混凝土和外包混凝土构成,有时候因构造上的需要会在外包混凝泥土内配置纵筋与箍筋。分析钢管混凝土叠合柱的力学特性是建立在与钢管混凝土,型钢混凝土,普通钢筋混凝土构件的对比的基础之上的。钢管混凝土叠合柱是一种由钢管混凝土与外包混凝土所组成的组合结构,它的力学性能并不是构件内部组成部分的简单叠加,而是各个部分协调工作状态下,性能的相互强化,所以它兼有钢管混凝土与普通钢筋混凝土的优点的同时,又表现出一些新的特性。

2.1 钢管混凝土叠合柱的优点

2.1.1 承载力高,使用性能好

高强混凝土虽具有强度高的优点,但是与低等级的混凝土相比缺乏足够的延性性能。使用的混凝土强度等级越高,当达到极限承载力的时候强度下降的越明显,表现出一定的脆性,不利于抗震,强度越低承载力下降越平缓。钢管的约束作用克服了高强混凝土的脆性,同时,钢管的围压力使管内混凝土的轴心抗压强度大幅度提高,充分发挥了高强混凝土受压能力高的优势。

2.1.2 延性好,抗震性能强

对于钢管混凝土叠合柱,作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土;轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后,按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土。分配轴压力时,钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。结果,钢筋混凝土分担的轴压力比按管外、管内混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小、轴压比低,通过配置适量的纵筋和箍筋,能提高整个构建的延性,增强构建在地震荷载作用下的耗能作用。

2.1.3 抗剪能力强

与普通钢筋混凝土结构相比,钢管混凝土叠合柱受剪承载力由箍筋、混凝土和核心小钢管混凝土柱及钢翅片提供。截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力,容易实现强剪弱弯。同时钢管混凝土的存在,可简化核芯区构造,方便施工。

2.1.4 耐火性能好

钢管混凝土叠合柱具有良好的耐火性。对于钢管混凝土叠合柱来说,外包混凝土的存在大大延缓的构件环境热量向核心钢管传递的速度,从而延长了核心钢管承载能力失效的时间,为消防救火赢得宝贵的时间。同时钢管混凝土叠合柱免去了钢管外层的防火涂层,降低的构件的防火成本。

3、钢管混凝土叠合柱的成柱特点和设计理念

在高层重载柱设计时,增强柱子承载能力和抗震性能是设计者的主导思想具体包括如下四个方面:强化、组合、约束、叠合。钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念,将结构柱的组成材料优化配置,充分发挥每种材料的力学性能,大大减少柱截面尺寸。

3.1强化

采用强度高性能忧的材料,目前我国已经具备批量生产高强厚壁钢管的能力;在混凝土材料方面,十年前就已经研制成功高强、高弹性模量、利于泵送、 收缩量小、徐变小、早期强度高的混凝土,辽宁地区已有20多幢高层建筑在管

内采用C80~C100级自密实高强度混凝土,高强度混凝土其配制材料完全达到了国产化。

3.2 组合

叠合柱基本上是钢和混凝土的组合,主要靠混凝土承受轴压力。钢管内用的是高强素混凝土(如 C60~C100 级) ,钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土(如C40~C60 级) 。叠合柱基本上属于混凝土结构,但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理,使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用,混凝土和钢筋起部分抗压,但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用,用量较少,用钢量远远低于同样荷载的型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。

3.3约束

通过钢管约束管内素混凝土,提高其轴压承载力和塑性,又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土,可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。关于钢管对管内混凝土的约束增强作用,在钢管混凝土的文献中已有详细论述。

3.4 叠合

利用时间差进行截面优化组合,达到竖向轴向力的合理分配。混凝土理论证明,柱子的抗震延性控制,实质上是控制柱子在设计阶段(小震组合)的压应

变值不应过大;无论普通混凝土柱或组合柱,在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘,大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值 ( 01003~01003 3)时,则产生压溃现象,导致截面破坏。

4、钢管混凝土叠合柱结构在我国使用情况

仅沈阳市近几年就有多个采用 C100级钢管混凝土叠合柱的工程,下面将有代表性的几个案例介绍给大家:沈阳富林广场地上建筑30层,总建筑高度达到125米,总建筑面积为8万平方米,主体结构为框架筒体结构 ,外框柱间距8层以上为4.5m ,8层以下转换为9m,采用框支叠合柱,2001年完成叠合柱施工,为我国第一次在钢管内采用 C100 自密实混凝土的施工案例。沈阳远吉大厦地上结构为28层,总建筑高度为96.1米,总建筑面积为2.43万平方米,采用地下室逆作法,从地下2层到地上5层为框支层,采用叠合柱,地上6层以上为剪力墙结构,2002年完成叠合柱施工,2005年建成使用。沈阳贵和回迁楼,地上结构28层,总建筑高度89.45米,总建筑面积5.1万平方米,该结构的特点是大底盘上设双塔楼,塔楼为剪力墙结构,底部4层大底盘采用框支叠合柱2002年完成叠合柱施工,2005年建成使用;沈阳万鑫大厦主塔40层,副塔34层,主塔总高度180米,副塔高度148米,总建筑面积19.8万平方米。主体结构采用框架-筒体结构,塔楼均采用用叠合柱 ,最大柱边长由于采用叠合柱的结构其由原设计的1600mm减为1200mm,大大减少了结构占用的空间, 最大钢管直径为864mm,壁厚为22mm,采用Q345B结构钢管,2005年完成叠合柱施工,2006年结构封顶 ,当年为沈阳市最高建筑。沈阳宏发国际茗城,地上结构32层,建筑总高度110米,总建筑面积5万平方米,主体结构采用框剪结构,每单元中4个受力最大的柱截面尺寸为1200×1200叠合柱,2006年完成叠合柱施工,2006年末主体建成。

5、结语

钢管组合结构的研究才起步很短的时间,目前的研究成果已经表明钢管组合结构具有很好的力学性能,目前的研究结论也为设计工作和大面积推广提供了基础理论。由于该结构的复杂性,本人认为需要对如下问题给予重视:

5.1 何能更好的提高混凝土和钢管接触面的连接强度,以保证钢管和混凝土的协同工作是十分重要的问题。

5.2 钢管混凝土从具体操作上还需要深入研究,钢管在施工中成为封闭的容器,施工中要保证钢管内混凝土的质量,首先就要求密实度,混凝土密实度不够,在上部荷载的作用下容易产生局部失稳,会产生严重破坏后果;

5.3 采用有限元软件进行模拟得出的结论是可靠的,可以为钢管混凝土叠合柱进一步的力学性能分析提供基础,并且为此类结构的工程设计提供相应的依据。随着我国经济的发展,钢结构的广泛应用,组合结构特别是钢管混凝土叠合柱结构将在未来我国工程建设中发挥很重要的作用。

参考文献:

李 惠,吴波,林立岩. 钢管高强混凝土叠合柱的抗震性能研究[J].地震工程与工程振动,1998,18(1):45-52.

钢管混凝土柱论文范文2

【关键词】钢管混凝土柱;抗火性能;耐火极限;抗火设计

火灾是人们日常生活中常遇的自然或人为灾害之一,火灾发生频率高,火势发展迅速,给人们的生命财产安全带来巨大威胁。如2001年9月11日,美国纽约世界贸易中心两栋大楼受到恐怖组织的袭击,“9·11事件”使美国损失民航飞机4架、世贸双子塔楼和五角大楼一角;伤亡3465人;估计带给美国的直接损失为255亿美元,而间接损失高达2000亿美元, 2003年11月3日,湖南衡阳发生特大火灾,衡州大厦3000多平方米建筑整体倒塌, 20名消防官兵身亡。

钢管混凝土柱是一种性能十分优异的组合结构形式,由于其在结构体系中的重要性以及在实际工程中应用的广泛性,研究其抗火性能具有重要的现实意义。为此,本文对钢管混凝土柱的抗火性能研究现状进行总结。

一、国内外钢管混凝土柱抗火研究

钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的柱,其工作实质在于钢管及其核心混凝土之间的相互作用和协同互补,也正是由于这种相互作用使这种结构具有较好的耐火性能。

1、国外的抗火试验研究

目前为止,国外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多, 主要研究试验结果表明:

(1)影响钢-混凝土组合柱抗火性能的主要因素有骨料类型、长细比、构件截面、混凝土强度等。钙质混凝土的钢管混凝土柱耐火极限的实测结果离散性较小,而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。

(2) 钢管仅在受火初期承担荷载,受火后期主要由核心混凝土承担荷载。

(3) 当构件长细比较大时,钢管混凝土柱耐火极限较低,破坏形态为失稳破坏,当构件长细比较小时,钢管混凝土柱耐火极限较高,破坏形态为强度破坏,并局部出现鼓曲和褶皱;

(4) 当轴压比较低时,钢管混凝土柱轴向膨胀变形明显,当轴压比较高时,柱轴向膨胀变形不明显,柱耐火极限低于30min。

2、国内的抗火试验研究

国内的抗火试验起步较晚,抗火试验也相对较少,比较著名的试验有两个:韩林海试验和韩金生试验。前者主要通过对钢管带保护层来提高其耐火极限,后者在核心混凝土中配置钢筋以提高抗火性能。

(1)韩林海采用的在钢管中填充素混凝土而成的钢管混凝土柱,共选用了25个试件(圆形14个、方形3个、矩形8个)。试件两端为铰接,控制升温曲线为ISO-834标准升温曲线,试件均四面均匀受火.该组试验主要考虑了截面形式、横截面尺寸、防火涂料保护层以及偏压与轴压对比等四个因素。

通过试验发现:

1)荷载偏心距对钢管混凝土柱耐火极限的影响不大。

2)防火保护层厚度对钢管混凝土构件的耐火极限有很大的影响,在其他条件相同的情况下,保护层厚度越大,构件耐火极限越长。

3)构件截面直径对钢管混凝土柱耐火极限有较大影响,构件在各自的火灾设计荷载作用下,直径越大,耐火极限越长。

4)钢管混凝土构件由于核心混凝土的吸热作用,及在火灾作用下钢管及其核心混凝土间的协同互补作用,使其具有较好的耐火性能,只要进行适当的防火保护即可达到要求的耐火极限。

(2)韩金生试验

该试验是没有防火保护的配筋钢管混凝土柱的火灾试验,选用5个试件,1个钢管素混凝土柱和 3个配筋钢管混凝土柱以及1个测温用短柱B1,同样按照标准升温曲线升温。

通过试验发现:

(1)在受火条件下,由于钢管,温度迅速升高,强度损失严重,钢管壁的厚度对耐火极限的影响不大。在受火较短时间内钢管已经基本上退出工作了。

(2)试件的破坏是由弯曲变形急剧增加造成的, 所有试件的最终破坏形态均为弯曲破坏。

(3)配筋量的多少对其抗火性能有着显著的作用,一方面,埋置在混凝土内部的钢筋升温较慢,在火灾下可保持足够的承载能力,直接提高柱的耐火极限;另一方面,加配的箍筋和纵筋对核心混凝土的约束作用和销栓作用可以改善核心混凝土火灾下的受力性能, 间接提高钢管混凝土柱的耐火极限。

二、理论研究

1、温度场计算

温度场计算理论较成熟,对于钢管混凝土柱,一般采用有限元法,包括ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件以及学者们自编的有限元软件,也有部分学者采用有限差分法,还有学者采用解析法或其他经验公式法。

2、结构构件抗火分析方法

(1)ANSYS、ABAQUS、DYNA3D等大型有限元软件

国外,Ding J, WangY C和 Hong Sangdo分别采用ANSYS和ABAQUS有限元软件对圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱抗火性能进行分析。

国内,查晓雄采用DYNA3D有限元软件对圆钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。王卫华运用ABAQUS对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析,计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变,计算结果与实验结果比较总体偏于安全。

(2)自编有限元程序

WangY.C采用其自编的有限元程序FIREFRAME对无侧移钢管混凝土柱的抗火性能进行分析,通过建立无侧移框架模型分析柱有效长度、轴力和弯矩等因素对其耐火极限的影响。

韩林海利用自编有限元程序计算分析钢管混凝土柱截面的温度场,分析火灾荷载比、材料强度、截面含钢率、截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对标准火灾下钢管混凝土柱的耐火极限和承载力的影响规律,理论结果与试验结果总体吻合。

东南大学韩金生根据Delphi和VF语言自编了数值计算有限元程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场,计算中考虑了水分、接触热阻和高温瞬态热应变的影响, 程序计算结果与试验结果符合得较好。

(3)纤维模型法

Lie TT和KodurV K R分别基于采用纤维模型法,提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。该公式中考虑了火灾下作用在构件上荷载的大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响。

Yang Y F采用纤维模型法对火灾下中空夹层钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算,并提出了中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法。

三、尚需解决的问题:

1、材料热-力耦合本构关系

在火灾作用下,钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场,同时材料性能在高温下会不断恶化,其温度效应和结构效应是同时存在的。由于火灾下组合结构构件截面受火的不均匀性,其存在明显的截面应力重分布和构件间的内力重分布,同时已有的研究和火灾案例表明,结构可能在降温阶段破坏,此时结构受火时间较长,结构抗火分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变不能忽略,因此需建立考虑升、降温的多轴滞回应力状态下的高温热-力耦合材料本构关系。

2、基于整体性能和升降温全过程的结构抗火分析计算理论

钢管混凝土柱构件中的混凝土和钢管中存在相互作用,混凝土和钢材间存在粘结-滑移。因此,有必要建立考虑火灾高温对钢管与混凝土约束套箍作用的弱化、对钢与混凝土间粘结-滑移性能的弱化、甚至高温导致的钢与混凝土分离、考虑升降温全过程的抗火分析计算理论。

3、“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估

火灾下,钢管混凝土柱是结构的最不利位置之一,与地震作用下结构的最不利位置是一致的,因此结构抗火设计原则可以基于结构抗震中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则。故在结构抗火设计中提出“小火不坏、中火可修、大火不倒”的抗火设计原则,在火灾后评估工作中建立“小火维修、中火加固、大火重建”的结构评定准则及相应的火灾损伤指标评定体系,具有十分重要的理论意义和实用价值。

参考文献:

[1]韩林海,杨有福,霍静思.钢管混凝土柱火灾后剩余承载力的试验研究[J].工程力学,2001(6):100~109.

[2]韩林海,贺军利,吴海江,韩庆发.圆形截面钢管混凝土柱耐火性能的试验研究[J].土木工程学报,2000,33(3):31-36.

[3]韩林海,徐蕾,冯九斌,杨有福.钢管混凝土柱耐火极限和防火设计实用方法研究[J].土木工程学报,2002,35(6):6-13.

[4]韩林海.钢管混凝土结构[M]北京:科学出版社,2000:290-334.

[5]杨有福,韩林海,冯九斌,徐蕾,经建生,杜兰萍.钢管混凝土柱防火保护层厚度实用计算方法研究[J].钢结构,2001,16(6):39-42.

[6]韩林海,霍静思.火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究[J].土木工程学报,2002,35(4):25-35.

钢管混凝土柱论文范文3

关键词:方钢管混凝土 节点

引言

工程实践表明,钢管混凝结构是一种抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外形美观和造价经济的结构。现代钢管混凝土结构的广泛应用,代替了传统的在高层结构中采用普通钢筋混凝土结构,并且避免了采用普通混凝土结构造成的“肥梁胖柱”、浪费使用空间、不美观又不经济等现象[1]。

1.钢管混凝土研究现状

方钢管混凝土结构是钢管混凝土结构的一个重要分支,1964~1965年,Chapman和Neogi对圆形、矩形、方形截面钢管混凝土柱进行了较为全面的对比实验研究,标志着对方钢管混凝土应用研究的开始。方钢管混凝土结构是在钢管内填充素混凝土,利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,内填混凝土有效地提高了钢管的局部稳定性和抗火能力,而钢管对内填混凝土的约束作用又使其强度提高、塑性和韧性性能大为改善,充分发挥了两种材料的优点和潜力,可使构件截面减小,承载力提高,整体重量减轻,钢管壁板不需太厚,可大量使用国产钢材实现工厂化生产;能够大幅度节约钢材和基础费用,降低结构造价;因施工中可省去大量支模板的工作,工期可缩短1/4~1/3;环境污染小;由于柱子截面的减小,可使使用面积增加5~8%。方钢管混凝土构件外形规则,连接构造相对简单,双向受力性能较好,抗扭能力强,具有良好的经济和社会效益[2]。以方矩形钢管混凝土柱-钢梁组成的框架结构,是一种具有巨大的开发与应用前景的新型房屋体系,经国内外学者多年研究,已取得丰硕成果。

2.钢管混凝土柱节点研究

由于节点是诸多构件的力流交汇之处,节点的受力模式较之于一般构件更为复杂,特别是在地震作用下的节点受力尤为复杂,又由于节点联系着多个构件,其失效的后果比起一般的构件更为严重,因此,在工程实践中,对节点的性能应格外重视。随着钢管混凝土柱越来越多的被应用于多高层建筑,到了上个世纪90年代,由于工程应用的需要,日本率先开始方钢管混凝土柱与钢梁节点的受力性能和连接构造研究,并以日、美等国为代表的发达国家,于1993成立了“美-日地震工程合作研究计划:组合与杂交结构”组织,对钢-混凝土组合结构进行了有计划、有组织地跨国研究,其内容包括各种组织结构、构件、不同构造节点等的承载能力和抗震性能研究,取得了丰硕的成果,现正在向纵深发展。特别是在1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震后,世界各国开始对钢结构、钢混凝土组合结构的连接进行了大量的研究,并定期在国际范围进行专题讨论交流,为各国制订相关规范和工程应用起了重要作用。在这种国际环境下,我国也结合工程应用开始了较大规模的钢管混凝土节点的研究,其中,以圆钢管混凝土柱节点的研究较多,而方矩形钢管混凝土柱节点的研究相对较少。

3.方钢管混凝土柱节点研究

方钢管混凝土柱节点根据应用的不同也分为“方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点”和“方钢管混凝土柱-钢梁节点”两大类,随着工程应用的发展,近年又出现了一些“方钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁节点”。方钢管混凝土柱外表相对规则,其连接构造也比较简单,但由于应用与研究较少,目前这类已开发的构造形式和研究成果远比圆钢管混凝土节点少。

3.1方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点

方钢管混凝土柱配合钢筋混凝土梁板体系在我国也存在较大的应用前景。环梁-钢承重销式连接、穿筋式连接是我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的两种连。环梁-钢承重销式连接在钢管外壁焊半穿心牛腿,柱外设八角形钢筋混凝土环梁,梁端纵筋锚入钢筋混凝土环梁传递弯矩;穿筋式连接为在柱外设矩形钢筋混凝土环梁,在钢管外壁焊水平肋钢筋(或水平肋板),通过环梁和肋钢筋(或肋板)传递梁端剪力,框架梁纵筋通过预留孔穿越钢管传递弯矩。

3.2方钢管混凝土柱-钢梁节点

我国矩形钢管混凝土结构技术规程推荐了四种连接形式:带短梁内隔板式梁柱连接、外伸内隔板式梁柱连接、外隔板式梁柱连接、内隔板式梁柱连接。带短梁内隔板式梁柱连接,为矩形钢管内设隔板,柱外预焊短钢梁,钢梁的翼缘与柱边预设短钢梁的的翼缘焊接,钢梁的腹板与短钢梁的腹板用双夹板高强度螺栓摩擦型连接; 外伸内隔板式梁柱连接,为矩形钢管内设隔板,隔板贯通钢管壁,钢管与隔板焊接,钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接,钢梁翼缘与外伸的内隔板焊接;内隔板式梁柱连接,为钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接,矩形钢管混凝土柱内设隔板,钢梁翼缘与柱钢管壁焊接;外隔板式连接为钢梁腹板与柱外预设的连接件采用摩擦型高强度螺栓连接,柱外设水平外隔板,钢梁翼缘与外隔板焊接。这些钢管混凝土柱-钢梁的节点形式构造简单、整体性好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便。

参考文献:

[1]谢晓栋, 杨娜, 杨庆山. 钢结构翼缘削弱型节点的参数分析[J]. 钢结构,2004,19(4):50-64.

钢管混凝土柱论文范文4

关键词:高层建筑 结构承重柱 轴压比值 抗震性能

为了满足城市现代化建设的需求,越来越多的高层大型建筑被广泛应用在城市建筑工程施工设计中。而由于建筑功能的需要,对建筑结构的设计要求也越来越多,对高层建筑底层的开间要求较大,为了满足建筑功能需求,且确保高层建筑结构的稳定,提高底层的负荷能力,就经常或采用承重柱的主体结构设计方式来提高底层建筑结构的承重能力,保证建筑上层的稳定与安全。在高层建筑结构承重柱的设计中,需要考虑到多方面因素的影响,综合分析建筑工程的主体结构受力状况进行设计,通常来讲,需要着重注意从轴压比、短柱抗震性等几方面来考虑影响承重柱质量的因素。

1、高层建筑结构承重柱的种类

由于不同的高层建筑的功能需求存在很大差异,也就使得高层建筑的基础工程以及底层结构受力分布存在很大差异。为此,在采用承重柱进行结构主体设计时,必须按照工程的实际状况合理分析,确定选用何种承重柱才能最大化的满足承重柱的经济性、合理性、安全性与可靠性。一般来讲,目前较为常用的高层建筑结构的承重柱种类主要有以下六种,其各自不同的工作机理和受力特点分别如下所示:

1.1箍筋约束混凝土柱。其受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变,使核心混凝土处于三向受压状态,从而提高混凝土强度,增加延性。这种类型柱在设计使用时,柱截面需做成圆形,适用性和灵活性差;采用焊接钢箍时,焊接麻烦,用钢量大,同时,钢箍约束核心混凝土横向应变有限,柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。

1.2钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展,使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。

1.3钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料,它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约,使其具备了优异的工作性能:承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。

1.4钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨,同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制,混凝土中配置较多的钢材,能有效地减少柱截面尺寸,满足建筑功能要求。同时,钢骨可以承担施工荷载,可作为施工荷载的承力系统。

1.5分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2个或4个等截面小柱。各小柱独立配筋,梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明,对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想,框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型,延性明显提高,但柱承载力略有下降,因此柱截面尺寸不仅没有减小,反而略有增大。

1.6高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80的混凝土。由于其抗压强度高,使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加,在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸,增大使用空间,避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时,需考虑施工条件的可行性。

2、高层建筑结构承重柱的轴压比限值

2.1柱中轴压比是影响延性的主要因素之一,而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值,以使混凝土柱的抗震延性得到满足,十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性,对柱的轴压比限值做出了规定,希望框架发生大偏心受压破坏,保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性,从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。

2.2在设计承重柱的施工方案时,对于轴压比值的确定还需要考虑到所采用的混凝土的强度等级这方面因素的影响,通常来讲,不同混凝土强度等级对于其构件的延性影响较大,等级越高的混凝土,其刚度就越大,自然构件的延性就越差,在受到外力作用时越容易遭到脆性破坏。为此,在选择承重柱的混凝土材料时,不可一味盲目追求刚度大,强度高以提高承重柱的受力能力,而应该充分考虑到建筑的抗震性能,在保证承重柱的刚度达到技术要求的范围时,就需要考虑到承重柱的轴压比是否会影响到延性的需求。但在采用强度等级较高的混凝土时,若能通过调节其配筋构造措施,满足承重柱的延性需求,则可以保持原有的轴压比值不变。

2.3不同种类的承重柱,其性能也有所不同,对于轴压比值的确定范围也略有差异,其轴压比值的确定分别如下所示:

钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似,存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内,钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析,钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。

钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果,钢管混凝土构件用于高层建筑中时,可采取限制长细比的办法,不必限定轴压比。

钢骨混凝土柱的性能,相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果,从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发,推导出轴压比的理论计算公式,经简化后提出了实用计算公式。计算表明,钢骨混凝土柱的轴压比限值一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。

分体柱的性能。由于 “短柱”变为“长柱”,实现了框架柱的破坏形态的转变,因此,其轴压比不应受到限制。

3、改善短柱抗震性能的对策

改进配筋构造型式,加强核心混凝土有效约束,如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等;提高构件承载力,减小轴压比,如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等;改进材料性能,提高混凝土变形能力,如钢纤维混凝土柱等;采用分体柱,变短柱为长柱。承重柱选型时,应视柱轴力大小,根据施工技术和经济指标综合确定。选用箍筋约束混凝土柱、钢纤维混凝土柱和分体柱能有效地改善承重柱的抗震性能。

钢管混凝土柱论文范文5

作者简介:李志强(1984),男,江西吉安人,工学博士研究生,Email:。

摘要:总结了各国学者对方、矩形钢管混凝土剪切性能的研究现状,阐述了当前研究的特点与不足,指出了需要进一步研究的问题。鉴于剪跨比、轴压比、钢管对混凝土的约束效应等因素对剪切性能的影响较大,各种破坏形态的界限尚缺乏统一的判定标准,根据相关试验数据,对比了各种承载力公式的计算结果,分析了产生差别的原因。基于工程实际的需求,对未来研究工作提出了进一步的建议。

关键词:方、矩形钢管混凝土;剪切性能;剪跨比;轴压比;约束效应;承载力

中图分类号:TU398.9 文献标志码:A

0 引 言

方、矩形钢管混凝土构件具有截面惯性矩大、制作简单、施工方便、对建筑功能影响较小等优点,在大型公共建筑、厂房、高层及超高层建筑中得到了越来越广泛的应用。在工程实际中,方、矩形钢管混凝土构件往往用作承受压弯作用的柱,柱内一般存在剪力,某些条件下剪力对构件性能有较大影响。此外,柱与梁、桁架的连接部位是结构传力的关键部位,其抗剪性能尤其需要保证。目前针对圆钢管混凝土的剪切性能研究相对较为成熟,对方、矩形钢管混凝土的剪切性能则关注较少,而研究其轴压、压弯性能的较多。相关规范的规定也不完善,如文献[1],[2]中进行构件抗剪验算时采用的计算公式较为简单,只考虑钢管的抗剪强度而忽略了混凝土的作用;进行节点域抗剪验算时采用的计算公式又较为复杂。本文中笔者总结各国学者对方、矩形钢管混凝土构件和节点域抗剪问题的研究现状,梳理目前研究所采用的方法与特点,并提出进一步研究需要关注的问题。将相关文献的试验结果与一些规范以及研究者提出的承载力计算公式进行对比,分析各计算公式的适用条件与范围,并提出相关建议。

1 研究方法与特点

钢、混凝土的剪切破坏机理不同,二者采用的破坏准则也不同。根据文献[3]中的描述,混凝土的剪切破坏是由于主拉或主压应力导致的拉裂或压碎,随剪跨比的变化有斜拉、剪压和斜压3种破坏形态。钢管腹板的剪切破坏属于材料塑性破坏,一般根据Mises准则,由是否达到屈服强度来判定。而方、矩形钢管混凝土构件是钢、混凝土2种材料组合而成,2种材料的剪切破坏形态本身不同,因剪跨比、荷载条件、构造等因素的差别而带来的抗剪机理变化更为复杂。同为抗剪问题,因柱、梁构件抗剪与节点域抗剪具有不同特点,形成方、矩形钢管混凝土剪切问题的2大研究热点。

目前方、矩形钢管混凝土构件和节点抗剪性能及承载力的研究方法大体分3种:一是通过数值方法得到剪力剪切变形全过程曲线,定义破坏准则,拟合出强度公式,如文献[4];二是通过试验数据拟合承载力计算公式,如文献[5];三是建立简化的理论分析模型,分别计算模型中各组成部分(如钢管、核心混凝土等部件)的抗剪强度并叠加得到承载力计算公式,如文献[6]~[11]等。第1种方法既可以得到承载力又可以得到剪切变形,能用于研究构件或截面的抗剪性能;第2种方法需要大量的试验数据;第3种方法多见于节点域的剪切性能研究。上述每种方法一般都需要采用其他方法辅助确定一些关键参数。2 构件剪切问题研究现状

目前方、矩形钢管混凝土构件抗剪性能的研究较少,研究主要集中于压弯作用下的抗剪性能。研究者一般采用试验或有限元方法考察其抗剪性能,较少提出有效的承载力计算公式。

文献[12]中对方钢管和圆钢管混凝土短柱进行了无轴力作用下单调与反复加载的抗剪性能试验,并用有限元法进行了验证。试件剪跨比λ较大,试验中均有弯曲破坏的特点。文献[13]中对20个方钢管混凝土柱的抗剪性能进行了试验研究,考察了轴压比n、剪跨比λ、混凝土强度、含钢率α等参数的影响。试验以荷载位移曲线斜率发生明显变化的拐点作为屈服点,以峰值点作为极限荷载点。笔者认为剪跨比0.15,0.75的试件分别为剪切破坏和弯曲破坏,可将剪跨比的这2个数值作为剪切、弯剪、弯曲3种破坏形态的划界依据。但从文献来看,试验中剪跨比为0.75的试件仍然表现出剪切破坏的特点。文献[14]中完成了22个T形截面钢管混凝土构件的抗剪性能试验,试验参数包括剪跨比λ、轴压比n(0,0.2,0.4)和套箍指标ξ。笔者认为试件的破坏形态随剪跨比不同而分为剪切破坏、弯剪破坏和弯曲破坏,且不受轴压力的影响。

文献[5]中进行了6个足尺方钢管混凝土柱的压弯抗剪承载力试验,主要参数为剪跨比λ和轴压比n,并且通过有限元参数分析提出了承载力计算公式,即

式中:Vm为剪切极限承载力;Nu为按照文献[15]中所提出方法计算的试件轴心受压承载力;N为杆件轴力。

式(1)由较少的数据点拟合而来,有效性不明确,适用范围也较小,且将轴压力对抗剪承载力的提高简单地设定为轴压力的0.1倍,但没有提出理论依据,没有给出试验数据的验证。

文献[15]中以构件受扭时纤维剪应变达到屈服应变γscy时的剪应力τscy作为方钢管混凝土组合剪切屈服点,横向受剪时则以其应力应变(τγ)关系曲线上剪应变达到0.01时的剪应力作为方钢管混凝土抗剪强度,推导出的抗剪承载力计算公式用于构件纯剪时的截面强度计算,即

式中:Vu为截面抗剪承载力;γv为受剪时截面塑性发展系数;fcu为混凝土立方体抗压强度;fscy为轴心受压组合屈服强度指标。

文献[16]中认为矩形钢管混凝土纯剪构件的长度可统一按剪跨比为0.15的对比方形构件来计算,并定义剪应变达到0.01的剪力为构件抗剪承载力,根据有限元参数分析的结果拟合得到了矩形钢管混凝土纯剪承载力计算公式,即

式中:H,tw,Ac分别为与剪力方向平行的截面边长、钢管厚度和核心混凝土截面面积;fv,ft分别为钢材抗剪强度与混凝土抗拉强度指标;η为套箍指标ξ对核心混凝土抗剪强度的影响系数。

文献[4]中通过大量有限元参数分析后认为,剪跨比在0.2~4之间时钢管混凝土构件的抗剪承载力随剪跨比的增大而降低,剪跨比大于4或小于0.2时抗剪承载力的变化较为平缓。根据数值分析结果给出了破坏界限的定义,剪跨比不大于0.2时,钢管混凝土受剪构件破坏为剪切破坏;剪跨比在0.2~4之间时为弯剪破坏;剪跨比不小于4时为弯曲破坏。文献[17]中建议取τγ关系曲线上剪应变达到0.01时的剪力为抗剪强度,文献[4]中据此通过大量有限元分析提出了方钢管混凝土构件截面抗剪强度计算公式及τγ全过程曲线表达式,并给出了压、弯、剪承载力的相关方程,即

式中:V为截面剪力;M为截面弯矩;Mu为截面抗弯承载力;η0为钢管混凝土压弯构件相关曲线上的平衡点横坐标值;a,b,c均为与钢管混凝土压弯构件相关曲线平衡点坐标有关的系数。3 构件抗剪承载力计算公式对比

根据文献[5],[12],[13]中的试验数据,采用式(1),(4)进行钢管混凝土构件抗剪承载力计算,计算结果分别记为Vca,Vcb,其与试验值Vt的对比情况如表1所示。式(1)针对杆件进行验算,无需关注截面内力分布,使用较为方便,但该公式未直接反映剪切破坏的本质原因。式(4)针对截面进行验算,需要考虑截面上的所有内力,反映了构件抗力的相关性。由表1可知,式(4)适用范围较大且一般偏于安全,但剪跨比较大时较为保守。

随着剪跨比的变化,式(1),(4)抗剪承载力计算

值和试验值的对比情况见图1。剪跨比较大时弯矩对钢管混凝土构件抗剪性能影响较大,λ>0.5时若采用式(4)进行计算而不考虑截面上的弯矩,抗剪承载力计算结果记为Vcc,其值往往偏于不安全。剪跨比在1.0以上的钢管混凝土构件抗剪试验数据较为缺乏,其破坏机理与承载力是进一步研究需要关注的问题。

4 节点域剪切问题研究现状

方、矩形钢管混凝土结构节点形式较多,设计方法均要求“强节点”,即塑性铰出现于梁端而此时节点核心区尚未发生破坏。目前各国对方、矩形钢管混凝土节点承载力的计算方法仍不完善,尚难准确判断节点的强弱,尤其是抗剪承载力的高低。早期的节点域抗剪承载力计算公式是基于截面抗剪模型推导出的(如文献[18]中的公式),近年来提出的斜压杆模型(如Fukumoto模型)则更符合试验情况。文献[19],[20]中统计了近年来各国部分钢管混凝土钢梁节点的试验数据,将试验结果与AIJ规范公式、Fukumoto模型和Nishiyama模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,Fukumoto模型和Nishiyama模型更为准确,具有更广泛的适用性。文献[21],[22]中基于软化桁架模型提出了用节点核心区非线性应力应变模型来模拟剪力传递机制,采用叠加原理提出了节点核心区抗剪承载力计算公式。该模型考虑了轴压力的影响,但核心混凝土部分抗剪计算十分复杂。

文献[23]中介绍了方钢管混凝土梁柱节点极限抗剪承载力Vj的计算公式,即

式中:B为方钢管宽度;Fc为核心混凝土的抗剪强度;hb为钢梁高度,当2.5B/hb>4时取4;Aweb为钢管腹板面积。

Fc可按下式计算

文献[11],[24]中进行了采用高强材料的钢管混凝土柱钢梁节点抗震试验,经试验和理论分析,笔者基于叠加原理提出了实用的剪力剪切变形三折线计算模型(Fukumoto模型)和相应的抗剪承载力计算公式,即

式中:Vpu,Vsy,Vcu分别为节点域、节点域钢管部分与节点域混凝土部分抗剪承载力;σsN为钢管轴向应力;θ为节点域混凝土斜压杆与钢管柱翼缘的夹角;Mfp为钢管柱翼缘屈服弯矩;hc为核心混凝土截面高度;fy为钢管屈服强度;Aw为钢管柱腹板面积;dc,tfc分别为钢管柱翼缘宽度和厚度;As为钢管截面积。

Fukumoto模型认为节点域剪力由钢管腹板与混凝土斜压杆共同承担,混凝土斜压杆由主体斜压杆和约束斜压杆组成。该模型能够考虑轴压力的影响,且能够考虑非线性阶段钢材和混凝土强度比值对轴压力在钢管柱壁和核心区混凝土之间分配比例的影响。

文献[10]中完成了采用超高强钢材和超高强混凝土的钢管混凝土柱钢梁节点核心区抗震试验研究,并提出了节点核心区的受剪机理模型(Nishiyama模型)与抗剪承载力计算公式。该模型及抗剪承载力计算公式与文献[11],[24]中所提出的基本一致,仅钢管轴向应力σsN计算公式有所区别,即

Nishiyama模型将轴力按照钢管和混凝土的刚度进行分配,而文献[11],[24]中提出的模型将轴力按照钢管和混凝土的强度进行分配。

文献[8],[25]中在试验研究和理论分析的基础上,提出了方、矩形钢管混凝土柱与钢梁连接节点抗剪承载力计算公式,被现行《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159:2004)中所采用,即

式中:Ny为钢管柱焊缝与腹板抗剪承载力的较大值;Muw,Muj分别为钢管柱腹板和加劲板屈服弯矩;Ncv为混凝土斜压杆抗压承载力;twc,tj分别为钢管柱腹板和内隔板的厚度;fw,fyj分别为焊缝强度和内隔板钢材屈服强度;fc为核心混凝土轴心抗压强度;ac为钢管角部有效焊缝厚度;bc为核心混凝土截面宽度。

式(8)考虑了柱焊缝、柱腹板、内隔板和混凝土斜压杆对节点抗剪强度的贡献,利用塑性铰理论得到内隔板节点的受剪承载力计算公式。

文献[7],[26],[27]中在带内隔板方钢管混凝土柱钢梁节点(图2)抗震试验的基础上,分析了节点核心区剪切受力机理,建立了钢“框架剪力墙”加混凝土“斜压短柱”受力模型及屈服机制。根据塑性极限分析,给出了节点核心区受剪承载力计算的叠加公式,即

式中:tfb为梁翼缘的厚度。

文献[9],[28]中提出了带内隔板矩形钢管混凝土梁柱节点域受剪屈服机制,根据薄腹板梁受剪理论分析节点域钢管受剪承载力,基于斜压短柱理论分析节点域混凝土柱受剪承载力,应用虚功原理与叠加原理推导出节点域受剪承载力计算公式,即

式(10)未考虑轴压比的影响,将混凝土抗剪承载力乘以折减系数0.8,缺乏足够理论依据。

文献[6]中采用形状改变比能理论和混凝土斜压杆力学模型,推导了内隔板式矩形钢管混凝土钢梁节点核心区受剪承载力计算的叠加公式,即

文献[6]中的模型并未提出f0的确定方法。

文献[29]中进行了6个方钢管混凝土柱与钢混凝土组合梁连接节点的抗震试验,在此基础上,将节点域抗剪贡献分成钢管腹板、节点域钢管翼缘与内隔板或外隔板组成的钢板框架、节点域混凝土3个部分,分别计算3个部分的剪力剪切变形曲线并叠加,得到节点的剪力剪切变形骨架曲线,并基于此提出了恢复力模型。文献[30]中在抗震试验的基础上提出简化模型,将方钢管混凝土柱节点抗剪受力过程分为协同工作、共同工作、屈服强化和极限变形4个阶段。该模型认为剪力由钢管腹板和节点核心区混凝同承担,而核心区混凝土抗剪又分成平面抗剪和压杆模式2个部分,分别计算钢管腹板、混凝土直接抗剪与斜压杆抗剪模式的剪力剪切变形曲线并叠加,得到了方钢管混凝土柱节点的剪力剪切变形全过程曲线。该方法可计算抗剪屈服承载力、极限承载力以及相应的剪切变形,但忽略了钢管翼缘与内隔板组成的板式框架的抗剪承载力与变形,缺乏理论依据。

文献[31]中根据试验和理论研究成果,对方钢管混凝土柱穿心高强螺栓端板节点核心区的受力机理进行了分析,建立了节点核心区的受力模型和屈服机制,推导了节点核心区的抗剪承载力计算公式。该公式考虑了轴压力的作用,也考虑了钢管对混凝土的约束效应。

目前已有多个关于方、矩形钢管混凝土节点域抗剪机理的理论模型,它们既有各自的优势也有相应的局限性。这些模型大多考虑了节点域混凝土斜压作用与钢管柱节点域的抗剪承载力,但对于节点内隔板、钢管柱焊缝抗剪承载力的考虑则各不相同。此外,对于核心混凝土强度的提高、轴压比的影响等因素的考虑也有所区别。Fukumoto模型和Nishiyama模型均未考虑内隔板对节点抗剪强度的贡献,也未考虑钢管约束下核心区混凝土抗压强度的提高,使得计算值偏低。文献[8],[25]中提出的模型没有考虑柱轴力对节点核心区受力性能的影响,且表达式较为复杂。文献[6]中对Fukumoto模型进行了改进,考虑了轴力对钢管抗剪承载力的影响,但未考虑对混凝土抗剪承载力的影响。文献[7],[26],[27]中则认为轴压比对承载力的影响小于5%,并采用经过修正的型钢混凝土节点抗剪公式计算混凝土抗剪承载力,缺乏理论依据。5 节点域抗剪承载力计算公式对比

节点域剪切破坏的试验较少,文献[10],[24]中通过减小节点域板件厚度研究了节点域的剪切极限承载力。根据式(6)~(11)对文献[10],[24]中各试件进行验算,得到的节点域剪切承载力以Vc6~Vc11表示,与试验值Vtj的对比情况见图3,计算数据见表2。由表2可知,式(6),(7),(11)具有较好的精度,其中式(6),(7)的计算结果差别较小且用于大高宽比试件时略显保守。式(8),(10)未考虑轴压比的影响,轴力较大时计算结果偏于不安全。式(9)根据型钢混凝土节点承载力公式计算钢管混凝土节点域混凝土抗剪承载力,计算结果具有一定的误差。

剪时有剪切、剪弯、弯曲3种破坏形态。文献[14]中针对3种破坏形态采用了3种不同的极限承载力判定标准:剪切型破坏根据试件形心处钢管剪应变达到0.01确定;弯曲型破坏根据跨中挠度达到1/50或1/100确定;弯剪型破坏根据荷载位移曲线的峰值点确定。然而,由于准确地判定试件属于哪一种破坏形态较为困难,使得承载力计算公式并不完善。目前尚未有研究者给出完善的、定量的破坏形态判定标准,只能定性地判断试件属于哪种破坏形态。相关研究表明:随着剪跨比的变化,方、矩形钢管混凝土承载力的变化是连续的,剪跨比较大时的抗弯承载力与剪跨比较小时的纯剪承载力较为稳定。因而,是否可以从承载力的角度给出破坏形态的定量判断标准并由此确定3种破坏形态的剪跨比界限值,尚需进一步的研究。

各国有不少针对方、矩形钢管混凝土与钢梁连接节点的试验研究,但多是根据“强节点”要求设计试件,所谓的节点破坏出现在梁端而非节点域。一些学者设计了节点域较弱的试件进行抗剪试验,并提出了相关的力学模型解释其破坏机理。一些学者通过理论推导与有限元方法分析节点域抗剪性能,并提出简化模型与相应的承载力计算公式。这些力学模型有着各自的适用范围,承载力计算公式也各不相同。然而,节点域抗剪性能的研究仍不成熟,剪切破坏的试验数据较少且涵盖的参数有限,难以验证提出的理论模型以及承载力计算公式。轴压比、高宽比、加劲板厚度、钢管约束效应等参数如何影响节点域的抗剪性能,目前尚缺乏统一的认识,如有些学者认为轴压比对抗剪性能影响显著,也有些学者认为影响较小。随着节点域高宽比的变化,破坏形态也随之变化,各破坏形态的界限尚不明确,但关注节点域高宽比参数的试验较为缺乏,因而,尚需要进行涵盖更多参数的节点域剪切试验研究。

超高层建筑巨型柱与伸臂桁架、带状桁架连接部位以及大型站房柱与桁架连接部位(图4),即桁架上、下弦杆之间的柱段,几何尺度、高宽比较大,其抗剪性能介于普通钢管混凝土柱梁节点域与构件之间。现有的节点域抗剪模型与承载力计算公式大多针对核心区高度、高宽比较小的情况,针对几何尺度大、高宽比大等特殊情况的研究较为缺乏;现有的构件承载力计算公式较少,式(4)虽能计算复杂状态下的抗剪强度,但对于剪跨比较大的情况,计算结果存在偏差。已有研究者针对这一特殊研究对象进行试验与理论研究,但仍需进一步的深入探索。

钢管混凝土多用于压弯构件,截面内力以轴力、弯矩为主,构件设计时剪力一般不起控制作用。钢管混凝土构件抗剪验算时,多数情况下剪跨比较大,破坏形态以剪弯为主。随着剪跨比的减小,几何参数、受力情况、破坏形态与节点域的情况较为接近。然而,研究者一般将构件、节点域剪切问题分开讨论,对二者的联系与区别关注较少,分析模型、承载力计算公式是否可以统一仍需进一步的研究。7 结 语

笔者总结了方、矩形钢管混凝土构件与节点域剪切问题的研究现状,并阐述了各种研究方法的特点。根据剪跨比与构造细节的不同,方、矩形钢管混凝土构件受剪时有剪切、剪弯、弯曲3种破坏形态,基于有限元参数分析可给出各破坏形态的剪跨比界限值。节点域高宽比、剪跨比一般较小,且有加劲板件的约束,其剪切破坏模式一般为斜压杆机制,根据叠加原理分别求解各组件的剪切贡献可得到承载力计算公式。但目前的研究也有不足之处,进一步的探索需要关注以下问题:

(1)建立合适的力学模型以揭示剪切、剪弯、弯曲3种破坏形态的内在机理,并确定判别破坏形态的定量标准。

(2)确定3种破坏形态的剪跨比界限值。

(3)合理考虑钢管约束效应的有利作用,并评估轴压比、加劲板厚度等因素对承载力的影响。

(4)研究高宽比、剪跨比较大的节点域受剪机理与计算模型,并提出相应的承载力计算公式。

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《土木工程学报》2014年征订通知

《土木工程学报》是中华人民共和国住房和城乡建设部主管、中国土木工程学会主办的土木工程类综合性学术期刊,以土木工程界中高级工程技术人员为主要读者对象。内容主要报道结构工程、桥梁工程、岩土力学及地基基础、隧道工程、防护工程、道路及交通工程、建设管理等专业在科研、设计、施工等方面的重要成果及发展状况,重视刊登结合工程实践的论著,并报道行业综述、科技信息和动态,促进国内外土木工程界的学术交流。

《土木工程学报》创刊于1954年3月,现被收录为Ei核心期刊、北京大学工业技术类全国中文核心期刊、中国科技信息研究所中国科技核心期刊、中科院文献情报中心中国科学引文数据库核心期刊和武汉大学中国科学评价研究中心权威学术期刊。

《土木工程学报》为月刊,大16开本,每期定价25.00元,全年共300.00元。国内外公开发行,国内邮发代号2582,国外邮发代号M288。《土木工程学报》2014年征订工作已经开展,欢迎各界有关单位及个人订阅。

钢管混凝土柱论文范文6

关键词:钢管混凝土结构高层建筑结构设计

Abstract: concrete filled steel tube (i.e., concrete filled steel tube ) which has high bearing capacity, good anti-seismic performance, steel saving and simple construction and other advantages, so in the high-rise and super high-rise building has been widely applied. In this paper, the concrete filled steel tube structure in tall building structural design application.

Key words: steel tube concrete structure in high-rise building structure design

[中图分类号] TU753.8 [文献标识码]A[文章编号]

钢管混凝土结构以其承载力高、抗震性能好、混凝土延性好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点而广泛应用于高层和超高层建筑中。相对于其它结构材料而言,钢管混凝土结构的研究还很不充分,尤其是结构体系的研究更少,还存在着一些需要进一步研究和解决的问题。本文就钢管混凝土结构在高层建筑结构设计的应用进行探讨。

一、钢管混凝土结构的应用特点

钢管混凝土是在钢管中填入混凝土后形成的建筑构件,按截面形状可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用,充分地发挥了这两种材料的优点,使混凝土的塑性和韧性大为改善,且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲,使钢管混凝土整体具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益优良和施工方便等优点。

钢管混凝土虽由两种材料组合而成,但对构件业而言,它被视为一种新材料,即所谓的“组合材料”(不再区分钢管和混凝土)。而且钢管混凝土构件在不同荷载组合作用下的性能变化是连续的和统一的;钢管混凝土构件的性能随几何参数,如含钢率、长细比和空心率等的改变是连续的和统一的;钢管混凝土构件的性能随着物理参数,如钢材和混凝土的强度等的变化是连续的和统一的;钢管混凝土构件的性能随其截面形状,如圆形、多边形、八边形、六边形和正方形等的改变也是连续的和统一的等。钢管高强度混凝土性能的研究高强度混凝土(世界各国对高强度混凝土的定义有所不同,在我国,一般认为强度等级为C60 及以上的混凝土为高强混凝土)是近年来国内外学者研究的热门课题。这类高强度混凝土优点是强度高,可以节约水泥,减小构件截面尺寸,减轻结构自重,因而常用于荷载很大的结构,如高层建筑,地下工程和大跨结构的支柱等。然而,高强混凝土的弱点是脆性大,延性差大,这就阻碍它在实际工程中的应用,尤其在复杂受力状态下,结构受脆性破坏控制,其工作的可靠性大大降低。如果将高强度混凝土灌入钢管高强度混凝土,高强度混凝土受到钢管的有效约束,其延性将大为增强。此外,在复杂受力状态下,钢管具有很大的抗剪和抗扭能力。这样,通过二者的组合,可以有效地克服高强混凝土脆性大、延性大的弱点,使高强混凝土的工程应用得以实现,经济效益得以充分发挥。大量实例证明,与普通强度混凝土的钢管混凝土和钢柱相比,钢管高强度混凝土可节约钢材50%左右,降低造价;和钢筋混凝土柱相比,不需要模板,且可节约混凝土50%以上,减轻结构自重50%以上,而耗钢量和造价略多或约相等。钢管混凝土工程应用新进展钢管混凝土结构宜用于轴心受压或偏心较小的压柱。

二、结构设计要点

一般高层工业与民用建筑中使用钢管混凝土结构多采用单肢柱形式;下面主要讨论单肢钢管混凝土柱的设计方法。

1、一般要求

钢管可采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管或无缝钢管;外径不宜小于100 mm ;壁厚不宜小于4 mm。混凝土强度等级不宜低于C30 。

套箍指标θ 宜限制在0.3~3 之间。一般框架结构单肢钢管混凝土柱的长细比不宜超过20 。

2、结构计算

《钢管混凝土结构设计与施工规程》(以下简称规程)规定;钢管混凝土柱主要采用极限状态设计方法。单肢柱的轴向受压承载力应满足:

N ≤ Nu =фlфe No ;

No = fcAc( I+θ+θ) ;

θ = faAa/ fcAc

式中: No —————钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值;

θ —————钢管混凝土的套箍指标;

fc —————混凝土的抗压强度设计值;

Ac —————钢管内混凝土的横截面面积;

fa —————钢管的抗拉、抗压强度设计值;

Aa —————钢管的横截面面积;

фl —————考虑长细比影响的承载力折减系数;

фe —————考虑偏心率影响的承载力折减系数。

由于目前常用的结构计算软件如PKPM 系列、TBSA 系列软件等尚缺乏对钢管混凝土结构的支持;所以目前设计中常将预估的钢管混凝土柱等刚度代换为实心圆钢柱;输入软件进行结构整体计算;得到各柱的最不利内力值;最后手工校核钢管混凝土柱的承载能力。

3、节点构造

一般钢管混凝土柱与钢梁或钢筋混凝土梁组成的框架结构体系中;梁柱连接节点常采用刚性节点。钢管混凝土柱由基础开始一直通到建筑物顶端;各楼层结构中的横梁都从柱侧面与柱相连;梁端的弯矩和剪力通过一些连接件可靠地传给柱身。钢梁常在梁的翼缘平面内围绕钢管混凝土柱设置加强环;将梁端弯矩转变为水平力通过加强环传给柱;梁腹板直接焊接或通过连接板与柱连接传递竖向剪力。混凝土预制梁梁端上下可预埋钢板和加强环焊接;梁下设牛腿(也可在梁内暗设)传递剪力。对于现浇混凝土梁;可采用平行双梁的形式;也可将梁端局部加宽,使纵筋绕过钢管。钢管混凝土柱的柱脚也有两种做法,一种是同预制钢筋混凝土柱相同的插入式杯口基础,另一种是同钢结构相同的端承式柱脚。应注意柱脚钢管的端头必须用钢板封固,并应验算柱与基础连接面的混凝土局部受压强度。

三、钢管柱混凝土柱设计与施工应用过程

某大厦为三十一层商住楼,地下室三层为车库,一层至四层为商场,四层顶为结构转换层,五层为设备层,上部为住宅。整个结构采用框支剪力墙结构,围绕楼、电梯井筒核心,部分框支柱在一层至四层采用了钢管混凝土柱,管径分别为ф=1000,ф=1200。钢管圆柱采用16MNn 钢制做,壁厚20,管内浇筑混凝土C40,圆钢管柱共6 根,ф=1000,2 根。ф=1200,4根,钢管顶部为钢筋混凝土板式转换层。

1、钢管混凝土单肢柱的承载力:

Nu=фlфeNo,

No=fcAc(1+θ+θ)

θ=faAa/fcAc,