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第五章钢管混凝土柱 5 1钢管混凝土的特点 钢管混凝土也称作为钢管套箍混凝土 steeltube confinedconcrete 或concrete filledsteeltube 它是在钢管内灌入混凝土而形成的一种组合结构 钢管混凝土结构按截面形式的不同可以分为矩形截面 圆形截面和多边形截面 其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用最为广泛 实心和空心钢管混凝土 钢管混凝土的基本原理是依靠内填混凝土的支撑作用 使得钢管的稳定性增强 同时核心混凝土受到钢管的 约束 作用或称之为 套箍 作用 使核心混凝土处于三向受压应力状态 延缓混凝土内部纵向微裂缝产生和发展的时间 从而使得核心混凝土具有更强的抗压强度和抵抗变形能力 特点 1 承载力高2 具有良好的塑性和抗震性能3 施工简单 可以大大缩短工期4 钢管混凝土柱的耐火性能好于钢柱5 可采用高强度混凝土 5 2钢管混凝土柱的工作性能 1 钢管混凝土柱的几个影响参数 1 含钢率 2 约束效应系数 一般在0 3 4 0之间 宜大于等于3 0 钢管混凝土规程称为套箍系数 招标 3 径厚比或高厚比圆钢管d t 150 235 fy 方 矩形 钢管d t 60 235 fy 1 2 4 长细比 2 轴心受压的钢管混凝土短柱 l d 3 3 5 钢管混凝土短柱的一次压缩工作曲线分为三个阶段 1 弹性阶段oa 2 弹塑性阶段ab 3 强化阶段bc 1 0时 核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的提高恰好弥补钢管因异号应力场使纵向承载力的减小 所以出现了塑性的水平段bc 1 0时 核心混凝土承载力的提高超过了钢管纵向承载力的减小 出现了曲线上升的强化阶段bc 1 0时 核心混凝土承载力的提高不足以弥补钢管纵向承载力的减小 曲线出现下降段 0 4 曲线无塑性段 呈脆性破坏 3 轴心受钢管压混凝土长柱轴心受压钢管混凝土长柱受力性能复杂 与钢结构相似 存在强度破坏和稳定破坏 1 对于长细比小的短柱 破坏是由于钢管的屈服和混凝土三向受压下的强度破坏所致 2 对于长细比大的长柱 其破坏是由于弹性失稳 欧拉公式 3 对于中等长度的中柱 其破坏是由于弹塑性失稳 修正的欧拉公式 4 偏心受压钢管混凝土长柱曲线 是钢管混凝土长柱偏心受压强度破坏时截面偏心力n与杆中挠度的关系 工作分两个阶段 弹性阶段oa 弹塑性阶段ab 曲线 是当钢管混凝土长柱长细比 12 偏心受压构件承载力由稳定决定时的压力n与杆中挠度的关系曲线 曲线的最高点是偏压构件稳定承载力的极限 钢管混凝土偏心受压构件的工作性能特点 在接近破坏时 外荷载增量很小 而变形发展的很快 和钢构件相比 曲线过b点后平缓的多 说明由于有紧箍力的作用 不但提高了核心混凝土的承载力 而且还增加了构件的延性 影响钢管混凝土偏心受压构件承载力的两个重要参数 长细比 偏心率 5 3圆钢管混凝土柱的计算和设计圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应 受力性能比矩形钢管混凝土柱好 相比而言承载力提高最大 也最经济 钢管混凝土结构设计与施工规程 承载力设计方法 cecs28 90 1 单肢柱承载力计算 n 轴向压力设计值 nu 钢管混凝土单肢柱的承载力设计值 n0 钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值 钢管混凝土的套箍指标 fc 混凝土的抗压强度设计值 ac aa 钢管内混凝土 钢管的横截面面积 fa 钢管的抗拉 抗压强度设计值 考虑长细比影响 偏心率影响的承载力折减系数 0 按轴心受压柱考虑的 1值 2 格构柱的承载力计算 nu 格构柱的整体承载力设计值n0i 格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值 按公式确定 1 e 考虑长细比影响 偏心率影响的整体承载力折减系数 在任何情况下都应满足下列条件 1 e 0 0 按轴心受压柱考虑的 1 值 3 变形计算 1 压缩和拉伸刚度 2 弯曲刚度aaia 钢管横截面的面积和对其重心轴的惯性矩acic 钢管内混凝土横截面的面积和对其重心轴的惯性矩ecec 钢管和混凝土的弹性模量 4 钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数对单肢柱当e0 rc 1 55时当e0 rc 1 55时 e0 柱两端轴向压力偏心距较大者 rc 核心混凝土横截面的半径 m2 柱两端弯矩设计值的较大者 n 轴向压力设计值 5 钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数对单肢柱 d 钢管的外径 le 柱子的等效计算长度 按规程公式计算 6 钢管混凝土柱等效计算长度钢管混凝土柱的等效长度应按下列公式确定 le kl0l0 ll0 框架柱或杆件的计算长度l 框架柱或杆件的长度k 等效长度系数 按照规程进行计算 计算长度系数 5 4矩形钢管混凝土柱的计算1 轴心受力构件的计算 1 轴心受压构件的强度n nun 轴心压力设计值nu 轴心受压时截面抗压承载力设计值 按下式计算nu fas fcac f fc 分别为钢材和混凝土的抗压强度设计值 考虑地震作用组合时应除以抗震调整系数 reasac 分别为钢管和管内混凝土的截面面积 当钢管截面有削弱时 应按下式计算净截面强度n nunnun fasn fcacasn 钢管的净截面面积 2 轴心受压构件的稳定性计算 轴心受压杆件的稳定系数nu 轴心受压时截面抗压承载力设计值 相对长细比 按下式计算 钢材的屈服强度 钢材的弹性模量 矩形钢管混凝土轴心受压构件的长细比 计算如下 轴心受压构件的计算长度 矩形钢管混凝土轴心受压构件截面的折算回转半径 按下式计算 分别为钢管和管内混凝土截面对形心轴的惯性矩 管内混凝土的弹性模量 3 矩形钢管混凝土轴心受拉构件的强度应按下式计算 轴心拉力设计值 钢材的抗拉强度设计值 2 压弯 拉弯构件的计算 1 弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土压弯构件的强度同时满足下式 轴心压力设计值 弯矩设计值 混凝土工作承担系数 按下式计算 净截面抗压承载力设计值 只有弯矩作用时净截面的抗弯承载力设计值 按下式计算f 钢材抗弯强度设计值 考虑地震作用组合时应除以抗震调整系数 d b 分别为矩形钢管截面垂直和平行弯曲轴的边长 t 钢管壁厚 dn 管内混凝土受压区高度 按下式计算 2 弯矩作用在一个主平面内 绕x轴 的矩形钢管混凝土压弯构件弯矩作用平面内的稳定性 同时满足下式 并应按下列公式计算弯矩作用平面外的稳定性 分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的轴心受压稳定系数 系数 值为 欧拉临界力 按下式计算 只有弯矩作用时截面的抗弯承载力设计值 按下式计算 等效弯矩系数 按 钢结构设计规范 gb50017 2003采用 3 弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土拉弯构件 4 弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯矩形钢管混凝土构件的强度应按下列公式计算 同时满足下式 分别为绕主轴x y轴作用的弯矩设计值 分别为绕x y轴的净截面抗弯承载力设计值 5 双轴压弯矩形钢管混凝土构件应按下列公式计算绕主轴x轴的稳定性 同时满足下式 并应按下列公式计算绕主轴y轴的稳定性 同时满足下式 分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的轴心受压稳定系数 分别为在计算稳定的方向对mx和my的弯矩等效系数 参见 钢结构设计规范 gb50017 2003 分别为绕x y轴的抗弯承载力设计值 6 弯矩作用在两个主平面内的双轴拉弯矩形钢管混凝土构件应按下式计算式中 等代号与 5 条相同 5 5钢管混凝土柱节点1 一般规定设计节点式一般应满足以下设计原则 1 节点应具有足够的整体刚度和承载力 能满足强柱弱梁 节点更强的原则 2 节点构造应满足实际中采用的计算模型 刚接或铰接 明确而不含糊 3 节点应满足传递内力的功能要求 传力途径明确 简洁而可靠 4 在满足以上三项原则的基础上 尽可