（工程力学专业论文）钢管混凝土构件的动态刚度理论.pdf

摘要 钢管混凝土构件是由薄钢管和填入的混凝土组成。钢管混凝土具有一般套箍 混凝土的强度高、重量轻、耐疲劳、耐冲击等优点，另外还有很多独有的优点： 省去支模、拆模的工作和材料，简化支架，缩短工期，另外，制作钢管远比制作 钢筋骨架省工省料。 在钢管和混凝土共同工作时，混凝土在套箍作用下处于三向受力状态，其抗 压强度和变形能力有所增强，其刚度也有所增强；同时，由于稳定性较差的钢管 内填了混凝土，使其稳定性得到了很大的提高，也增强了其刚度。现在常用算法 和国内外规程对钢管混凝土构件的刚度计算，通常情况下并未考虑二者协同工作 对刚度的正面影响，因此与工程实践不能很好地吻合。 基于以上原因，文中提出了一个刚度随荷载强度系数变化的计算理论，把刚 度系数与荷载强度系数的关系假设为某种函数关系。通过试验和相关工程数据收 集，使用数据筛选与回归分析等手段，得出两者的解析关系式。再用有限元模拟 钢管混凝土构件的受弯时的力学行为，进而得出材料、构件尺寸等对刚度系数的 影响，最终得出钢管混凝土构件动态刚度理论的数学表达式。 该动态刚度理论为钢管混凝土构件的设计和计算提供理论依据，并将进一步 促进钢管混凝土结构的推广和应用，为相关设计规程提供参考。 关键词：钢管混凝土构件；荷载强度系数；动态刚度；解析表达式 a b s t r a c t t h ec f s tc o m p o n e n ti sc o n s i s t e do ft h i ns t e e lt u b ea n dc o n c r e t ef i l l e d i ni t n o t o n l yh a v ec f s tc o m p o n e n t st h ea d v a n t a g e so t h e rc o o p e rc o n c r e t ec o m p o n e n t sh a v e s u c ha sh i g hs t r e n g t h ，i m p a c ts t r e n g t ha n df a t i g u es t r e n g t ha n dl o w e rs e l f - w e i g h t ，b u t a l s oh a v et h e i re x c l u s i v ev i r t u e st h a tt h e ye c o n o m i z et h ew o r ka n dm a t e r i a l so fp u t t i n g u pa n ds t r i p p i n gf o r m w o r k , r e d u c i n gb r a c k e ta n ds a v i n gt i m e a n da l s o ，c o m p a r i n g 诵m m a k i n gt e n d o nb r a c k e t ，b o n d i n gs t e e lt u b es h o u l dg o b b l eu pl e s st i m ea n dm a t e r i a l s a ts t e e lc u b ea n dc o n c r e t e st e a m w o r kt i m e ，c o o p e rc o n c r e t ei so ns t a t e so ft r i a x i a l c o m p r e s s i o n , s oi t sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，d e f o r m a b i l i t ya n ds t i f f n e s sa r ee n h a n c e d a t t h es a m et i m e ，t h et h i ns t e e lt u b e ss t a b i l i t yi sl a r g ei m p r o v e da n di t ss t i f f n e s si sa l s o e n h a n c e df o rt h er e a s o nt h a tc o n c r e t ef i l l e di ni t h o w e v e r ，n on o r m a la l g o r i t h m so r c o d e sr e f e rt ot h eb e n e f i tt ot h e i rm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ew h e nt h e yc 0 - o p e r a t i o n a sa r e s u l t ，t h ec o m p u t a t i o nu s u a l l yd o e sn o td o w e ri n t ow i t ht h ea c t u a lv a l u eo fe n g i n e e r i n g a t h e o r yi sp r o p o s e dt h a tt h ec o m p o n e n t ss t i f f n e s sf a c t o ri ss o m ef u n c t i o no ft h e s t r e s sl e v e lb a s e do nt h ea r g u m e n t sa b o v e b ys i f to u tg r o u p so fc r e d e n td a t af r o mt h o s e c o l l e c t e da n ds u r v e y e df r o me x p e r i m e n ta n dt h e na n a l y z et h e m ，ar e g u l a rf u n c t i o na b o u t s t i f f n e s sa n ds t r e s sl e v e lw i l lb ec o n s t r u c t e d t ot a k eas t e pf o r w a r d ，s e r i e so fm o d e l s w e r ed e s i g n e di ns o m ef e ms o f t w a r ew h i c hs i m u l a t e dt h em e c h a n i c sb e h a v i o r so f c f s t c o m p o n e n t sw h e nb e n dt oo b t a i nt h en u m e r i c a le f f e c to ft h e i rm a t e r i a l sa n ds i z e a tl a s t ，as t r e s sl e v e lr e l a t e ds t i f f n e s sf u n c t i o no fc f s t c o m p o n e n tw a sf i n a l l yo b t a i n e d k e yw o r d s ：c f s tc o m p o n e n t ；l o a d s t r e n g t hc o e f f i c i e n t ；l o a ds t r e n g t h c o e f f i c i e n tr e l a t e ds t i f f n e s s ；r e g u l a rf u n c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 乏锣 日期：2 0 0 9 年3 月2 8 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：孑 日期：2 0 0 9 年3 月2 8 日 指导教师签名 日期：2 0 0 9 年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：1 乞乍 日期：2 0 0 9 年3 月2 8 日 指导教师签名： 日期：2 0 0 9 年3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 钢管混凝土最早主要用于桥墩和厂房柱等结构中，但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。早期 钢管混凝土中采用的钢管大多是热扎管，钢管的壁厚一般都比较大，且由于当时 钢管内混凝土的浇筑工艺也未得到很好的解决，因而应用钢管混凝土的经济效果 并不明显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一定的影响。 近几十年来，对长期荷载作用下钢管混凝土力学性能的研究取得新的进展。 我国主要集中研究在钢管中浇筑素混凝土的内填型钢管混凝土结构，后来钢管混 凝土被列入国家科学发展规划，使这一结构在我国的发展进入一个新阶段，无论 是科学研究还是设计施工都取得了较大的进展，实际工程应用不断增多，取得了 良好的经济效益和社会效益。 对于钢管混凝土的研究存在各种不同的方法，其区别在于如何估算钢管和核 心混凝土之间的相互作用而产生的“效应 。这种效应的存在构成了钢管混凝土的 固有特性，也导致其力学性能的复杂性。对这种相互作用认识的准确程度会有所 不同，而所获计算方法和计算结果也就会有所差异。但无论采用哪种办法，都有 其特点，其目的都是为了寻找钢管混凝土结构合理科学的设计理论。 近2 0 年来，钢管混凝土结构逐渐被应用于建筑结构尤其是在高层建筑结构 中，随着建筑物高度的增加，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构的应用也 将会得到快速的发展。一般的，我们把混凝土强度等级在c 5 0 以下的钢管混凝土 称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在c 5 0 以上的钢管混凝土称为钢管高强混 凝土；混凝土强度等级在c 1 0 0 以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。 钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。由于钢 管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了 钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺 的产生，工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形 钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管 混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。 2第一章绪论 1 2 钢管混凝土构件的分类及特点 1 2 1 钢管混凝土构件的分类 钢管混凝土是指在钢管中填充了混凝土而形成的构件。 按截面形式不同可分为圆钢管、方钢管和矩形及多边形钢管混凝土等。按照 截面钢管层数又分为实心式和空心式，空心式又有圆套圆( 外层是圆钢管，内层 也是圆钢管，中间夹素混凝土，下类推) 、圆套方和方套方。口1 根据钢管作用的差异，钢管混凝土构件又可分为两种形式：一是组成钢管混 凝土的钢管和混凝土在受荷载初期就共同受力，二是外加荷载仅作用在核心混凝 土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱。 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 其核心混凝土的约束作用，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，塑性和韧性性能得到改善。同时，由于混凝土的存在，可以延缓或 避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。此外，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，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， 这也是钢管混凝土结构的优势所在。 1 2 2 钢管混凝土结构的特点 众所周知，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的 抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而 钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状 态，其抗压强度可成倍提高同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共 同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构， 主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中( 如 厂房和高层) 。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性 能，具体表现为以下几个方面： a 承载力高、延性好，抗震性能优越 钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状 态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局 部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱 承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏 转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗 第章绪论 震性能。 塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试脸表明， 试件压缩到原长的2 3 ，纵向应变达3 0 以上时，试件仍有承载力。剥去钢管后， 内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但仍保持完整，并未松散，且仍有约5 的承 载力，用锤敲击后才粉碎脱落。抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好 的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压 弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退 化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同，但在一些建筑中，钢柱常常 要采用很厚的钢板以确保局部稳定性。但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因 此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。 b 施工方便，工期大大缩短 钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和 结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；由于钢管混凝土内部没有钢筋，便 于混凝土的浇注和捣实；钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、 拆模的材料和人工费用，也节省了时间。 c 有利于钢管的抗火和防火 由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度 场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢 柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力 也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统 计数据表明：达到一级耐火3 小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1 3 2 3 甚至 更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。 d 耐腐蚀性能优于钢结构 钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少 得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管 混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。 圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内 部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝 土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为 方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。 e 施工方面 钢管混凝土柱的零件较少，焊缝少，构造简单，柱脚常采用在棍凝土基础上 预留杯口的插入式柱脚，因而工厂制造比较简单，同时构件自重较小，运输和吊 装也较易，施工很简便，而且钢管馄凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一 4第一章绪论 般在4 0 m 以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难。同时，与钥筋 混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向 箍筋的作用，所以管内没钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，又由于 柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序。近年来，泵 送砖相当普遍，现场浇灌并无困难，我国创造并广泛使用的高位抛落不振捣混凝 土的施工方法，更简化了现场灌混凝土的工序，简便了施工。也有在管柱下部开 临时浇灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快，又保证浇灌质量。 而且，在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养 护工序，简化了混凝土的养护工艺。 在钢管构件的制作、安装要求方面：钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要 求较高。一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时，也可以用滚床自行卷制钢 管，但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除 一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直，不得有翘曲、表面锈蚀和冲击 痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求。可能会增加钢管的制作周期：在构件制 作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊 接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对 接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于 钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现 微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量，在现 场拼接时，在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求往的肢管和各种 腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙，应采用 自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。如无自动切 割机时应按板金展开图进行放样切割。在高层建筑中常常采用变径的钢管，变径 管的对接就又是一个施工难点，变径处节点构造较为复杂，无疑会影响到施工的 进度。【3 1 1 3 钢管混凝土结构的研究现状及工程应用 1 3 1 研究现状 2 0 世纪6 0 年代之前，钢管混凝土结构的研究对象主要是圆钢管混凝土结构。 从6 0 年代后半期以后，开始比较系统地研究矩形钢管混凝土结构。目前，圆钢管 混凝土结构的研究已经取得了丰硕的成果，很多国家制定了相应的设计和施工规 范或规程，如欧洲标准e c 4 ( 1 9 9 6 ) 、德国标准d i n l 8 8 0 0 ( 1 9 9 7 ) 、美国标准a c l 3 1 9 第一章绪论 - - 8 9 、s s l c ( 1 9 7 9 ) 和l r f d ( 1 9 9 7 ) 、日本标准a i j ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 。在我国，钢 管混凝土结构的研究主要集中在圆钢管中填充素混凝土的内填型圆钢管混凝土结 构，最早开展研究工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所。1 9 6 8 年以后，中国 建筑科学研究院、冶金部冶金建筑科学研究院等单位也先后对钢管混凝土基本构 件的工作性能、设计方法、节点构造和施工技术等方面展开了系统的研究。进入 8 0 年代后，研究工作进一步深入，通过大量的试验研究和理论分析，对构件的承 载力和变形性能及其影响因素进行了全面的研究，得到了实用的设计计算公式。 与此同时，钢管混凝土结构的施工技术也在迅猛发展，涌现出很多新的施工工艺 和施工方法，钢管混凝土结构的优势得到了更加充分的发挥。近十几年来，我国 钢管混凝土结构的科学研究和工程应用都取得了令人瞩目的成就。目前已经先后 有国家建材局、中国工程建设标准化委员会、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。为钢管混凝土结构在我国的推 广奠定了坚实的基础，使钢管混凝土结构广泛应用于各种大型建筑工程和交通运 输工程中。钢管混凝土结构的应用在近十年的时间里得到了飞速的发展。 。 我国对于矩形钢管混凝土结构的研究工作开展得较晚，1 9 8 5 年郑州工学院开 始进行方钢管混凝土轴压短柱的研究，其后同济大学等单位也进行了方钢管混凝 土构件的研究，取得了一定的成果，而我国的矩形钢管混凝土结构的设计施工规 程尚在制定中。川 1 3 2 工程应用 早在1 9 世纪8 0 年代，钢管混凝土结构就已经出现。例如，1 8 7 9 年英国赛 文( s e v e r n ) 铁路桥的建造中采用了钢管桥墩，在钢管中灌了混凝土以防止内部 锈蚀并承受压力。前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架 的上弦和上部建筑的柱子，省钢2 5 。1 9 6 1 年比利时建造船坞时，采用钢管混凝 土构件做桁架的压杆和立柱，比钢结构节省钢材4 0 。法国巴黎居民区的第一座 摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱，比钢结构节省钢材4 0 。前苏联在一些吊车 栈桥( 跨度达4 8 m ) 中采用钢管混凝土结构，比全钢结构节省钢材1 2 一2 8 ， 降低造价2 8 ，比钢筋混凝土结构省钢9 ，降低造价5 6 。日本、瑞士等国在输 电跨越塔中采用了钢管混凝土结构，也都取得了显著的经济效益。 在2 0 世纪6 0 年代以前，由于钢管内浇注混凝土的施工工艺尚未得到很好的 解决，现场的施工操作显得繁琐，钢管混凝土结构在施工性能方面的优势没有得 到应有的发挥。到8 0 年代后期，由于泵送混凝土工艺的发展，解决了现场钢管内 6第一章绪论 部浇灌混凝土的工艺问题，加上现代高强混凝土需要用钢管约束来克服其脆性。 因此，钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用，被 认为是高层建造技术的一次重大突破。 我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近4 0 年的历史。1 9 6 6 年钢管混 凝土结构应用于北京地铁车站工程，7 0 年代又在单层工业厂房、重型构架中得到 了成功的应用。近1 0 年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的 高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动 了建造技术的发展。在我国，钢管混凝土结构主要应用于以下的领域中。 a 高层建筑工程 在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势：具有承载力高，抗震性 能好的特点，既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结 构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题；也可以取代 钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构 件的自重较轻，可以减小基础的负担，降低基础的造价。全部采用钢管混凝土柱 的工程可以采用“全逆作法 或“半逆作法 进行施工，从而加快施工进度；钢 管混凝土柱的钢材厚度较小，取材容易、价格低。其耐腐蚀和防火性能也优于钢 柱。钢管混凝土柱不易倒塌，即使损坏，修复和加固也比较容易。 b 大跨度桥梁工程 随着经济的迅速发展，需要建造能够跨越江河、海湾和山谷的，安全、经济 且轻盈美观的大跨度桥梁。 在我国，钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中，也开始应用于斜拉桥 结构中。在拱桥结构中，钢管混凝土构件主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很 大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。另外， 钢管可以做为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。因此，钢管混 凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的复合结构材料。自1 9 9 0 年在四川 省旺苍县建成跨度为1 1 5 米的我国第一座钢管混凝土拱桥以来，在1 0 来年的时间 里，我国已经建成了1 0 0 多座钢管混凝土拱桥，其中跨度在1 0 0 米以上的就有3 0 多座，尤其是重庆市万县长江公路大桥，跨度达到4 2 0 米，一跨过江。 经过多年的实践，我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验，形 成了一套较为完整的钢管混凝土拱桥建造技术。 近年来，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构，同样取得了良好 的经济效益。例如，广东南海市紫洞大桥、湖北秭归县向家坝大桥和四川万县万 洲大桥都采用了钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，减轻了结构恒载，提了结构 承载力利用系数，同时采用与之相适应的、合理的施工工艺，简化了施工程序， 第一章绪论 减少了施工设备，加快了施工进度，降低了工程造价。在对广东南海市紫洞大桥 主桥进行了技术经济分析，主桥采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构与采用预 应力混凝土连续钢结构方案相比较，可以节省混凝土4 4 ，节省预应力钢材6 2 ， 增加普通钢材2 3 。加上施工设备、临时设施和施工工期等方面的因素，主桥的 经济效益就更为可观。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构适用于多种桥型，如系 杆拱桥结构、特大跨径斜拉桥结构、特大跨径悬索桥结构等，推广其应用必将带 来显著的经济效益和社会效益。 c 地铁车站工程 地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。早期的地铁车站是深 埋地下的多跨结构，用明挖法施工：采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的 特点，以减小柱子的截面尺寸，有效地利用空间。近年来，在城市中心地区修建 的地铁车站多为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑。采用盖挖逆作法施工， 以尽量减少对城市正常生活的干扰以及对地面交通和邻近建筑的影响。盖挖逆作 法，是先施工地下结构的顶盖，在顶盖的保护下进行开挖，按照从顶到底的顺序 进行施工。为此，必须在土方开挖前设置好顶盖的中间支撑柱，钢管混凝土柱将 施工阶段的临时柱和结构的永久柱合二为一，因此是最好的选择。9 0 年代以来， 北京地铁的复八线工程中，采用盖挖逆作法建成了“天安门东站 、“大北窑站 和“永安里站；在建中的南京地铁的“三山街站 也是采用的盖挖逆作法进行施 工。 d 单层和多层工业厂房柱 单层工业厂房的柱属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝土结构的特点， 很多工程中的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯 矩转变为轴心力。如1 9 7 2 年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四 肢柱；1 9 8 0 年建成的太原钢铁公司第- $ l 钢厂第- - 4 , 型厂的下柱采用双肢柱； 1 9 8 2 年建成的吉林种籽处理车间采用了三肢柱；1 9 8 0 年建成的武昌造船厂船体结 构车间采用了四肢柱。与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得 特别轻巧，节约钢材，施工简便，同时刚度好。单层工业厂房中采用钢管混凝土 柱时，钢管中混凝土的浇注可以在全部主体结构安装完成后进行，所以大大缩短 了工期。如1 9 9 2 年建成的哈尔滨建成机械厂大容器车间，从破土动工到竣工只用 了1 5 5 个月；同年该厂又建成了容罐式汽车车间，主体结构的施工仅用了半年时 间。 8 0 年代初，我国开始在多层工业厂房中采用钢管混凝土柱。多层工业厂房柱 基本为偏心受压单管柱；如1 9 8 4 年建成的上海特种基础科研所的科研楼，1 9 8 5 年建成的柳州水泥厂窑尾加热车间。啼儿蚰 8第一章绪论 1 4 钢管混凝土结构发展方向 a 高强度材料的应用 采用高强混凝土可以减轻结构自重、降低工程造价。随着混凝土强度的提高， 其延性下降，这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强混凝土灌入钢管中形成高 强钢管混凝土，由于受到钢管的约束作用，混凝土处于三向受压状态，其延性将 大为提高，而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此，高强钢管混凝土具有 很大的发展潜力。 近年来，国内外对高强钢管混凝土构件的研究表明；高强钢管混凝土的力学 性能与普通钢管混凝土有所不同，其设计不能套用普通钢管混凝土构件的设计公 式。而我国现行的钢管混凝土设计施工规范和规程只适用于普通钢管混凝土结构， 因此必须加大高强钢管混凝土的研究力度，尽快制定出相应的设计施工规范和观 察。 b 节点动力性能的研究 节点是结构设计中的关键部位，也是施工的难点。对于钢管混凝土节点，其 合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点可以分为 两种；钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点和钢管混凝土柱与钢梁的连接节 点。目前，国内对于钢管混凝土节点静力性能的研究较多，而对于节点动力性能 的研究报导还较少。 c 耐火性能的研究 我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。对于已经建成的钢管混凝 土结构，有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂 防火材料，都没有统一规定和科学的依据。近年来，国内学者就钢管混凝土的耐 火性能问题进行了研究，已经取得了可喜的成绩；应尽快编制出适合我国国情的 钢管混凝土结构防火规范。 e 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究 在对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试 验研究；并从理论上分析比较了两种结构的动力性能，得出了钢管混凝土框架结 构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构的结论。但目前对钢管混凝土结构抗 震性能的研究，主要还是集中在基本构件方面，而对于钢管混凝土整体结构的抗 震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究，以提供合理的抗震设计参数， 便于工程应用。 第一章绪论9 f 矩形钢管混凝土结构的研究 矩形钢管混凝土结构中，钢管对于其内部混凝土的约束作用相对较弱，但是 它具有节点形式简单，便于施工等优点。国外学者对矩形钢管混凝土结构已进行 了大量的研究，制定了相应的设计规程，在工程应用上也取得了很大的进展。我 国的矩形钢管混凝土结构的设计施工规程尚在制定中。 与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形 式。随着其理论研究的深入和完善，新型施工工艺的产生和高性能材料的应用， 钢管混凝土结构的应用范围将不断扩大。 g 钢管混凝土施工方面的研究 钢管混凝土结构在施工中也有一些问题不容忽视。在结构构件的连接构造方 面：当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如 果用暗牛腿、会给浇注混凝土带来不便，影响施工进度：当钢管混凝土柱与无梁 盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接 影响到施工的进度：为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接 应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和 层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，做 到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较萦琐的，尤其是对于小直 径管，特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇 注和振捣。一般仅在大直径钢管混凝土中使用。 h 预应力钢管混凝土方面的研究 实际上，随着钢管混凝土组合结构体系的应用愈来愈广泛，钢管混凝土还常 用于结构的受拉部位，如钢管混凝土空间桁架的下弦及受拉腹杆、大跨度拱桥的 水平拉杆和挡土墙的锚杆等。因此，本文提出了预应力钢管混凝土结构，即对钢 管混凝土构件施加预应力，以提高结构的承载力。预应力钢管混凝土结构不仅有 效地拓展了钢管混凝土的应用范围( 钢管混凝土结构的应用范围不再局限于轴心 受压短柱，可扩展到结构的受拉部位) ，而且改善了钢管混凝土结构的性能，也充 分发挥了组合结构的优势。另外，预应力钢管混凝土结构用于斜拉桥的斜拉索亦 是一种有益的尝试，可改善结构的动力性能，减小斜索垂度的影响，提高索的耐 久性和抗腐蚀能力。 i 薄壁离心钢管混凝土结构研究 薄壁离心钢管混凝土结构是介于钢筋混凝土环形杆和钢管杆之间的一种新型 钢一砼复合结构，该结构既可以充分发挥钢和混凝土两种材料的物理力学性能， 又可避免这两种材料在各自单独实用条件下的弱点，具有良好的共同工作和力学 性能。我国从1 9 8 4 年起，开始该结构研究试验，目前关于该种结构的基本计算理 1 0第一章绪论 论、技术规程、制造工艺以及施工及验收规程均图# 以编制出版，已形成较为完整 的体系。吲 1 5 本文研究的必要性 从以上的介绍和分析可以看出，由于其优越的力学性能，钢管混凝土作为一 种复合材料，应该广泛应用于工程中，但主要构件形式是用于受压的柱。 而抗弯性能也较普通钢筋混凝土结构有很大提升的钢管混凝土梁，发展却不 那么顺利。其主要原因是受弯时的内力情况很复杂，因此人们对其研究还很不够， 也因而没有比较健全的规范供设计参考。也由于对它抗弯的研究还很不够，对于 不利的一些力学行为，还没有克服，这也制约了钢管混凝土构件作为抗弯构件的 使用的发展。所以，对于钢管混凝土抗弯力学性能的研究就显得十分迫切了。 1 6 本文研究的内容 本文主要的研究对象是实心钢管混凝土构件，截面形式为圆形截面的构件。 核心混凝土为普通混凝土为主。 对于构件承受轴向压力荷载的研究已经比较多，且算法比较完善了，因此， 本文要研究的荷载载形式是纯弯荷载，也就是研究构件的刚度问题。 以往对钢管混凝土的研究，都主要是在几何参数、物理参数方面，韩林海等 ( 2 0 0 4 ) 有对结构在动荷载、长期荷载、以及火灾等条件下的研究，但鲜有对构 件在数值不等的静力荷载作用下，刚度的变化情况的研究。 基于以上原因，作者就钢管混凝土构件在不同荷载强度系数下，钢管混凝土 构件的截面刚度与该截面所处荷载强度系数的关系为研究内容，做了此论文，也 就是所谓动态刚度理论。所谓动态就是指与荷载强度系数之间的动态关系，而非 动力学的动态( d y n a m i c ) 。 第二章钢管混凝土构件静态刚度算法枚举 11 第二章钢管混凝土构件静态刚度算法枚举 这里提到的静态刚度，是指与构件的几何参数、物理参数有关的一个物理量。 此前规范、文献中提到的刚度算法几乎都是与这两个方面有关，所以是与论文题 目的动态刚度相对，这里称之为静态。这里要列举的算法主要是国内外几个主要 的规程的算法，蔡绍怀、韩林海、钟善桐等国内专家提出的一些算法以及其它一 些算法。这些算法虽然各不相同，但是它们各有长处，都从不同角度反应了几何 参数和物理参数对刚度的贡献。虽然与本文提的动态刚度法有区别，但是对动态 刚度的研究有一定借鉴和印证作用。阳】【明 2 1 规程中的刚度算法 这里要列举的规程主要是国外的美国钢结构协会a i s c - l r f d ( 9 4 ) 规程、欧洲 标准协会e u r o c o d e - - 4 规程( e c 4 - 9 4 ) 、日本建筑协会钢管混凝土构造设计施工 指针( a i j 规程( 1 9 9 7 ) ) 以及国内的国家建筑材料工业局标准钢管混凝土结构 设计与施工规程( j c j 0 1 - 8 9 ) 、电力行业标准钢一混凝土组合结构设计规程 ( d l t 5 0 8 5 1 9 9 9 ) 、工程建设标准化协会钢管混凝土结构设计与施工规程 ( c e c s 2 8 ：9 0 ) 。 2 1 1 美国钢结构协会a i s c - l r f d ( 9 4 ) 规程 此规程建立钢管混凝土承载力设计公式的思想，在组合截面的几何特性上( 如 面积、惯性矩) 仅考虑外层钢管，而在刚度与力学特性上( 如强度、弹性模量) 考虑管内混凝土的贡献。 根据上述思想，已知组合截面的惯性矩采用钢管的惯性矩，定义并推导组合 截面的弹性模量，即“修改后的用于钢管混凝土柱弹性模量( m o d i f i e dm o d u l u so f ac f t ) l e m ”，e m 的计算公式如下： a e = e + o 4 疋孚 ( 2 卜1 ) 式中：e 。一一钢材的弹性模量( m o d u l u so fe l a s t i c i t yo fs t e e l ) ，k s i e 。一一混凝土的弹性模量( m o d u l u so fe l a s t i c i t yo fc o n c r e t e ) ，k s i a c 一一混凝土的截面积( a r e ao fc o n c r e t ec r o s ss e c t i o n ) ，i n 2 a s - 一钢管的毛截面面积( t h eg r o s sa r e ao fs t e e lp i p e ) ，i n 2 尽管刚度与截面的惯性矩成比例，根据公式建立的思想，上式应当按公式 e m i s = e i s 十0 4 e c l c 进行推导得到e m = e + 0 4 e c ( i c i s ) ，但是对于钢管混 1 2第二章钢管混凝土构件静态刚度算法枚举 凝土，根据面积比a c a s 要比根据惯性矩比i c i s 得到的e m 结果要好。上式第二 项可看成是核心混凝土对钢管刚度的贡献。 钢管混凝土组合截面抗弯刚度为：e m l s 。n 们 2 1 2 欧洲标准协会e u r o c o d e4 ( e 0 4 - 19 9 4 ) 规程 规程在计算细长柱的弹性临界力n c r 时，引入了“组合截面的有效弹性抗弯 刚度( t h ee f f e c t i v ee l a s t i cf l e x u r a ls t i f f n e s so fac o m p o s i t es e c t i o n ) ( s i ) e 的概念，此规程没有分别定义组合抗弯刚度中的组合弹性模量和组合截面 惯性矩，而是给出了独立的组合刚度概念，它的大小等于钢管部分与管内混凝土 部分各自抗弯刚度的叠加，但考虑了混凝土开裂的影响。具体的计算公式如下： ( e i ) e = e a l a + o 8 e c d 工c = e a i a + o 6 e c m l c ( 2 1 2 ) 式中： ( e i ) e 一一组合截面的有效弹性抗弯刚度( n m m 2 ) ( t h ee f f e c t i v ee l a s t i cf l e x u r a ls t i f f n e s so fac o m p o s i t es e c t i o n ) e a 一一钢材截面的弹性模量( n m m 2 ) ( t h em o d u l u so fe l a s t i c i t yo ft h es t e e ls e c t i o n ) e c d 一一混凝土的弹性模量设计值( n m e 2 ) ( t h ed e s i g nv a l u eo fm o d u l u so fe l a s t i c i t yo ft h ec o n c r e t e ) e c m 一一混凝土的弹性割线模量( n m m 2 ) ( t h es e ca n tm o d u l u so fe l a s t i c i t yo ft h ec o n c r e t e ) i a ，i c 一一分别为钢管、混凝土的截面惯性矩( m m 4 ) ( t h es e c o n dm o m e n to fa r e ao ft h es t e e l ，t h ec o n c r e t e ，r e s p e c t i v e l y ) 1 1 1 2 1 3 日本建筑协会a ij 钢管混凝土构造设计施工指针( 19 9 7 ) 规程在计算钢管混凝土组合柱的等效稳定强度nk 时，间接地引入了计算组合 截面抗弯刚度的公式，但规程中没有定义组合截面的抗弯刚度。由于规程中没有 定义组合截面的弹性模量与惯性矩，因此只能得到组合截面的抗弯刚度。所得到 的组合截面的抗弯刚度公式为钢管部分与管内混凝土部分各自抗弯刚度的叠加， 但考虑了混凝土裂对组合刚度的影响。 规程中的组合柱的等效稳定强度计算公式为： n k = 兀2 ( e c l c 5 + e s l s ) u( 2 1 - 3 ) 式中：n k 一一组合柱的等效稳定强度( t f ) ： 第二章钢管混凝土构件静态刚度算法枚举 1 3 e c 一一混凝土的弹性模量( k g f c m 2 ) ； e s 一一钢管的弹性模量( k g f c m 2 ) ； i s 一一钢管截面的惯性矩( c i n 4 ) ； i c 一一混凝土截面的惯性矩( c m 4 ) ； l 。一一有效稳定长度( c m ) ； 上面求组合柱的等效稳定强度n 。与求欧拉稳定临界力的公式相比较，就可以 间接的得到钢管混凝土组合截面的抗弯刚度( e i ) e ： ( e i ) c ：e 。i s _ 卜0 2 e c l c ( 2 1 - 4 ) 1 3 1 2 1 4 工程建设标准化协会钢管混凝土结构设计与施工规程 ( c e c s 2 8 ：9 0 ) 规程第2 0 2 条规定：钢管混凝土构件在正常使用极限状态下的刚度可按下列 规定取值，弯曲刚度： e i = e 。i 。+ e c i 。( 2 1 - 5 ) 式中：i 。、l 一一混凝土和钢管横截面对其重心轴的惯性矩； e 。、e c 一一钢材和混凝土的弹性模量； 由于规程中没有定义组合截面的弹性模量、面积以及惯性矩，因此只能得到 组合截面的轴压、抗弯刚度。所得到的组合截面的抗弯刚度公式为钢管部分与管 内混凝土部分各自抗弯刚度的叠加，但考虑了混凝土裂对组合刚度的影响。n 钔 2 1 5 中国电力行业标准钢一混凝土组合结构设计规程 ( d l t 5 0 8 5 - 19 9 9 ) 此规程是在定义了组合截面的截面特性后( 如组合截面面积缸= 丸+ a 。，组合 截面惯性矩i = i 。+ i 。) 的基础上，定义并推导出钢管混凝土组合抗弯弹性模量，从 而得到组合截面刚度的计算公式。 钢管混凝土组合抗弯刚度：e 姗i = e s c m ( i 。+ i 。)( 2 卜7 ) 规程第6 2 9 条规定：钢管混凝土组合抗弯弹性模量e 。应按下式计算 e 锄= k 2 e 卵( 2 1 - 8 ) 式中：一换算系数，可根据含钢率q ：和混凝土的强度等级查表得到。也 可根据规程条文说明介绍的数学表达式进行计算。 k ，：生竺堕 l + 口，玎1 + 其中：n = - e e 。，q - - - a j a 2 。2 t r o 1 4第二章钢管混凝土构件静态刚度算法枚举 = l 西瓣1 一l ， l = 三( ，o 一，) 4 ，= 署 疗一( 一，) 4 - i 其中，r 0 和t 分别为钢管外径和壁厚。 以上计算钢管混凝土组合抗弯刚度的方法是