钢管混凝土构件计算

第三部分,钢管混凝土结构ConcreteFilledSteelTubularStructure,钢管混凝土构件计算,11-1轴心受力构件的强度计算,一、轴心受拉构件根据第九章中的分析，钢管混凝土轴心受拉时（含空心钢管混凝土），忽略管内混凝土的影响按钢管受拉计算，其承载力为：（11-1）,式中：K钢管抗拉强度提高系数（11-2）空心率，；对于实心钢管混凝土柱有rci=0，=0，在此情况下，K=1.1rco、rci核心混凝土的外半径和内径；As钢管的截面面积，As=(ro2rco2)（11-3）ro钢管外半径；f钢管材料的抗拉强度设计值,二、轴心受压构件钢管混凝土柱的抗压强度与其长细比有关。当钢管混凝土短柱承压时，其承载力按下式计算：（11-4）,式中：fsc组合抗压强度设计值，按表10-2（或表10-5、表10-9）取用，系数B、C按公式（10-2）计算。对于空心钢管混凝土柱按下式计算：（11-5）o套箍系数，o=f/fc；含钢率，按下式计算：（11-6）Asc构件截面总面积，由下式确定：（11-7）t钢管壁厚；fc混凝土抗压强度设计值,11-2轴心受压构件的稳定计算,在实际工程中，钢管混凝土柱和拱圈的长细比都很大。在多数情况下，钢管混凝土轴心受压构件的承载力是由稳定控制的。因此说稳定问题对钢管混凝土轴压构件是非常重要的。关于稳定的计算方法也有很多，各有优缺点和适用范围。在此仅介绍用组合模量确定单柱临界力和格构式柱的稳定计算方法。,钢管混凝土构件的长细比钢管混凝土构件的长细比是一个重要的计算参数，尤其对于具有较大长细比构件的稳定性分析。钢管混凝土构件的截面面积和截面惯性矩可由下列公式求出：截面回转半径为：,rco、rci核心混凝土的外半径和内径ro钢管外半径,构件长细比为：对于实心钢管混凝土柱，空心率=0，即有：（11-8）式中：l构件的计算长度；D钢管的外径，D=2ro,一、单管混凝土轴心受压构件的稳定1、临界力的确定在前两章中我们已经利用合成法求出了钢管混凝土作为一种组合材料的组合强度和组合模量，因而可以直接应用欧拉公式求出构件的临界力。在弹性阶段：（11-9a）在弹塑性阶段：（11-9b）相应的临界应力为：（11-10）,2、界限长细比(分两个界限值介绍),下表给出p的计算结果,利用钢管混凝土柱的实际长细比sc与界限长细比o和p的关系可以判断钢管混凝土柱的失稳状态或破坏状态。当sco时，构件发生强度破坏；当oscp时，构件发生弹塑性失稳；当scp时，构件发生弹性失稳。,Back,例题11-1课下看,二、格构式柱的稳定问题当轴心受压柱的长度较大时，或对于荷载偏心较大的压弯构件，为了节约材料，宜采用格构式截面，将弯矩转化为轴向力。采用的格构式截面有双肢，三肢和四肢等几种，参见图11-1。,格构式构件由柱肢和缀材组成。穿过柱肢的轴称为实轴，穿过缀材平面的轴称为虚轴。图11-1中只有（a）中的x轴为实轴，其余均为虚轴。柱肢用缀材连接（与钢结构相类似），缀材分为缀板和缀条，又称为平腹杆和斜腹杆。缀材常用空心钢管制成。,采用平腹杆体系时，平腹杆应与柱肢刚性连接，形成多层框架体系。采用斜腹杆时，认为腹杆与柱肢铰接，组成桁架体系，见图11-2。,比较公式（11-20）和（11-10）可知，格构式钢管凝土轴心受压构件的稳定计算，亦可套用公式（11-19）进行。但需由公式（11-21）求出换算长细比oy，并以此查表求出稳定设计安全系数。以下给出常用的各种格构形式的换算长细比的计算公式。,1、双肢平腹杆柱见图11-3，对于双肢平腹杆柱，x轴为实轴，y轴为虚轴。沿y轴方向（绕x轴转动）的稳定计算可以忽略平腹杆的影响：以两肢的截面几何性质计算对x轴的长细比ox=x。,于是公式（11-23）可以简化为如下形式：（11-24）式中：EscIsc一根钢管混凝土柱肢的组合刚度；EsA1一根横（平）腹杆（系空钢管）的刚度；1钢管混凝土单肢长细比，（11-25）l1平腹杆间距；ro单肢钢管外半径；o平腹杆空钢管的长细比，按下式计算：（11-26）I1、A1一根横腹杆的惯性矩和截面面积；b两肢钢管混凝土柱的中心距,2、双（四）肢缀条柱（有斜腹杆）见图11-4，双（四）肢缀条柱的x、y两轴均为虚轴，且两方向对称。,3、三肢缀条柱自学,按上述公式求出换算长细比oy或ox后，查表求出稳定设计安全系数值，即可按公式（11-35）计算轴压格构柱的稳定承载力：（11-35）格构式钢管混凝土轴压柱除按换算长细比验算整体稳定性外，通常不再进行单肢稳定性验算，但应满足下列构造条件：平腹杆构件：单肢长细比140且10.5max斜腹杆构件：单肢长细比10.7max上式中max是指构件在x和y轴方向上长细比的较大值，即：max=max（ox，oy）,三、钢管混凝土拱圈的稳定的问题前面介绍的稳定性计算方法，不论对钢管混凝土单肢柱还是格构式构件，都是对柱子而言的。而且都是以弹性直杆导出欧拉临界力公式为理论基础的。钢管混凝土拱圈与钢管混凝土柱之间有着很大的差别，因而不能直接利用欧拉公式计算稳定问题，必须考虑拱桥结构的稳定计算特点。拱桥的稳定问题从理论上一般分为两类。第一类稳定问题是指在失稳破坏时拱的平衡状态出现了分支，即当拱承受的荷载达到某一临界荷载时，拱圈不再保持原有的平衡状态：或在竖向平面内，拱轴线离开原来受压对称变形状态向反对称的平面挠曲（压弯）状态转化，即平面内失稳；或者拱轴线倾出竖平面之外，转向弯扭变形状态，即出平面失稳。,第二类稳定问题是指临界荷载是一个非线性的数值解，其中包括几何非线性和材料非线性的影响。此时拱的失稳过程是逐步演变的，也就是说当荷载达到临界值时拱的平衡状态和变形状态并不发生质变，即使荷载不再增加，某个或某些截面的位移也会迅速增加。从工程实用角度来看，拱桥的失稳事故主要发生在施工阶段，第二类失稳往往发生在第一类失稳之后。且第一类失稳具有突发性，失稳后很快导致拱的承载力丧失。所以第一类稳定问题要比第二类稳定问题更为重要，因此工程设计中应主要控制第一类稳定问题，而且往往对于第一类失稳和第二类失稳采用的安全系数也是不同的，前者的安全系数应大于后者。,1、钢管混凝土拱圈的特点拱圈有抛物线，悬链线和圆弧线之分，并非直线形。由于联系桥面系的吊杆存的，相当于对拱圈施加竖向荷载，在计算中常把这些吊杆施加的集中力简化为均布力作用于拱圈上。拱圈的稳定分为拱圈平面内失稳和出平面失稳，两种情况须分别考虑。下面分别介绍,2、拱圈平面内的稳定问题理论分析表明：在拱圈发生面内屈曲之前，对于对称无铰拱、两铰拱和三铰拱，不论是等截面的还是变截面的，在下列三种情况下，即；抛物线拱承受匀布竖向荷载；悬链线拱承受沿拱轴分布的竖向荷载；圆弧拱承受匀布径向荷载；在拱圈中任意截面上仅产生轴向压力。对于圆弧拱，这个轴向压力沿拱轴线不变。但对其它情况，轴向压力则由拱顶向拱脚递增。通常选取四分之一跨的临界轴向压力并称之为四分点的名义屈曲临界压力，作为拱圈平面内第一类稳定问题的近似计算的依据。,四分点的名义屈曲临界压力公式可以写成如下形式：（11-36）相应的临界应力为：（11-37）式中：S拱圈的轴线长度；K拱轴线的换算长度系数，与拱的约束条件有关：三铰拱，K=0.58；双铰拱，K=0.545；无铰拱，K=0.36；lo拱圈的计算长度，lo=KS；Isc拱圈截面对拱圈平面的惯性矩，对于格构式断面应取截面总惯性矩。,公式（11-36），（11-37）与前面钢管混凝土单柱的临界力公式形式相同，因此拱圈平面内的稳定问题亦可用公式（11-35）计算。即但是，按上述公式计算时，稳定设计安全系数是根据拱圈的截面形式采用单肢柱的长细比sc或格构式柱的换算长细比oy或ox查取的。,3、拱圈的出平面稳定问题为了增加拱圈出平面的稳定性，在不影响桥面净空高度的情况下可在两拱圈之间沿桥长方向设置若干道横向风构（亦叫横系梁），如图11-6所示。,此外在出平面的稳定计算中，利用“非保向力效应”可使稳定安全系数提高几倍，见图11-7。,4、拱圈的稳定控制混桥规中对于拱桥的稳定性未给出明确的控制条件。工程实践表明拱桥的失稳事故多发生在桥梁的施工阶段。钢管混凝土拱桥施工技术规范中规定“拱肋安装合拢时出平面稳定安全系数在不考虑非线性影响时不小于4，考虑非线性影响时不小于2”，这一规定可供拱桥稳定性验算时参考。也就是说：在工程计算时可按如下公式控制钢管混凝土拱桥的稳定性。（11-38）式中：Ncr钢管混凝土拱圈的平面内或出平面临界荷载，按公式（11-36）计算；Nj拱圈控制截面的计算轴向力，按混桥规的承载能力极限状态进行最不利组合；Kw拱圈稳定安全系数，对于第一类稳定问题一般取Kw=45；对于第二类稳定问题时，Kw值可以适当降低，但不易低于2.0,11-3偏心受力构件的强度和稳定计算,偏心受力构件包括压弯和拉弯构件。钢管混凝土拱圈在绝大多数情况下是属于压弯构件一、偏压（即压弯）构件的强度和稳定问题1、偏压构件的破坏特征偏压构件的破坏与构件的长细比有关。对于长细比sc20的短柱，一般将发生强度破坏。图11-8给出了轴向力和构件最大纤维应变的关系曲线。,图中oa段为弹性工作阶段，到a点时，钢管最大的压应力达到屈服点fy。过a点后截面发展塑性，受压区产生紧箍力，ab段为弹塑性工作阶段。到b点时截面趋近塑性铰，变形将无限增加，压区紧箍力仍有所增长。破坏时拉、压区的钢管应力均可达到屈服强度（强度破坏）。,对长细比大于20的钢管混凝土柱将发生稳定破坏。图11-9中给出了轴向力与柱中点挠度的关系曲线。,曲线上oa段为弹性工作；过了a点，截面受压区不断发展塑性，钢管和受压区混凝土之间产生了非均紧箍力，工作呈弹塑性。随着荷载的继续增加，塑性区继续深入，到达曲线最高点时，内外力不再保持平衡，构件失去承载力，受压区混凝土不退出工作，曲线开始下降，构件失稳破坏。,偏压构件失稳破坏时，随着构件长细比和荷载相对偏心率不同，破坏截面的应力分布亦有三种情况：全截面受压；受压区单侧发展塑性变形；压、拉区都发展塑性变形。钢管混凝偏压构件的工作特点可以归纳为如下几点：（a）构件强度破坏时，截面全部发展塑性，拉区混凝土退出工作。（b）构件稳定破坏时，危险截面上的应力分布既有塑性区，也有弹性区而拉区混凝土未必全部退出工作。（c）由于危险截面上压应力分布不均匀，因而钢管和核心混凝土间的紧箍力分布也不均匀。（d）两种材料变形模量不仅在截面上是变化的而且沿构件长度方向也不相同。,2、偏压构件相关曲线图11-10中sc=0时为强度破坏；而sc=20200则为失稳破坏。图中c点称为平衡点，与含钢率有关。,3、偏压构件计算公式根据压弯构件危险截面最大应变纤维达到屈服的准则，偏安全地取强度和稳定的平衡点均为0.2。考虑材料安全系数后，取N/No=0.2。对强度计算取No=Ascfsc，对稳定计算取No=Ascfsc，建议的设计公式如下：,式中：N、M计算截面的最大轴向力和弯矩，用于钢管混凝土拱桥计算时，应按公路桥规取用计算内力即Nj、Mj并应同时考虑NjmaxMj和MjmaxNj两种布载工况；Asc、Wsc构件的截面面积和截面抵抗矩；NE欧拉临界力，Esc截面的组合弹性模量，可查表10-3（或表10-7、表10-10）确定；sc构件长细比；fsc构件的组合强度设计值，可查表10-2（或表10-6、表10-9）确定；稳定设计安全系数，由sc查表11-2确定值得说明的是，当ox和oy均小于12时，公式（11-39）和（11-40）可以用于格构式偏压构件的强度计算，在此情况下应将Asc、Wsc取为格构柱截面的几何性质。,用公式（11-40）和（11-42）计算压弯构件或格构式构件稳定时，只能验算构件是否保证稳定，无法直接确定构件的最大稳定承载力No，但将两式进行变换后（取M=Ne）,可得到关于No的一元二次方程，由此即可解出最大稳定承载力No。,例题11-2课下看,二、偏拉（即拉弯）构件的强度问题拉弯构件只需考虑强度问题。其承载力验算按下式进行：（11-44）式中：N、M构件承受的拉力和弯矩，取值方法同压弯构件；As钢管截面面积；f钢材的抗拉强度设计值；fsc钢管混凝土的组合抗压强度设计值；Wsc对钢管混凝土受压边缘的截面抵抗矩,11-4受弯构件的强度计算,一、受力特点及计算假设钢管混凝土受弯时，截面分为受压区和受拉区。受压区钢管和混凝土皆承受压力而且在发展塑性之后还会产生相互作用的紧箍力。不过该箍力沿受压区高度分布不均匀，主要分布在最大受压纤维附近。受拉区混凝土开裂，只有钢管受拉，钢管内部拉区混凝土对钢管只提供横向约束。因此钢管混凝土受弯破坏时，中性轴不在形心位置，一般情况下上移。根据钢管混凝土梁的受力特点，引入如下几点假设：（1）组合材料为理想的弹塑性体，屈服点的应力为fscy，屈服应变scy=fscy/Esc。（2）钢材为理想的弹塑性体，屈服应变为y=fy/Es。（3）纤维达到屈服后，不考虑拉区混凝土的受力。（4）任何时候截面皆保持平面。,二、弹性极限弯矩计算弹性极限弯矩计算时，认为压区纤维屈服，其应力、应变达到fscy和scy，而且拉区钢管边缘纤维屈服，其应力应变达到fy,y。计算图示见图11-11。,订正符号,三、塑性极限弯矩计算以截面形成塑性铰为极限，即压区应力达到fscy，拉区应力达到fy，计算图式见图11-12,计算分析表明：对A3钢、C30混凝土而言，当含钢率a=0.050.20时，钢管混凝土受弯时的塑性极限弯矩MP是弹性极限弯矩My的2.052.09倍，也就是说，截面的塑性抵抗矩是弹性抵抗矩的2.052.09倍。对于正常使用阶段应以弹性极限弯矩控制计算，即有：（11-54）式中：M按正常使用极限状态组合的截面工作弯矩；My按公式（11-51）计算得到的截面弹性极限弯矩；K截面安全系数，可以取K=1.72.0,对于承载能力极限状态，建议考虑混凝土和钢的材料安全系数，将公式（11-52）中的材料组合强度标准值fscy用设计值fsc代替，钢材的强度标准值fy以设计值代替f。并以下式控制截面的极限强度，（11-55-1）式中：Mj按承载能力极限状态组合的截面计算弯矩；Mp按公式（11-53），考虑材料分项系数计算得到的截面