傅昶彬课件系列—组合结构第六章 钢管混凝土结构(2)

1、材料和设计指标材料和设计指标 轴心受压构件承载力计算轴心受压构件承载力计算 6.2 6.2 钢管混凝土构件设计钢管混凝土构件设计 6.2.1 6.2.1 钢管混凝土设计规范钢管混凝土设计规范 国外规范国外规范 欧洲规范欧洲规范EC4(2004)EC4(2004) 澳大利亚规范澳大利亚规范AS5100(2004)AS5100(2004) 美国混凝土协会规范美国混凝土协会规范ACI318(2008)ACI318(2008) 美国钢结构协会规范美国钢结构协会规范AISC(2010)AISC(2010) 英国规范英国规范BS5400(2005)BS5400(2005) 日本建筑学会规范日本建筑学会规范

2、AIJ(2008)AIJ(2008) 国内规范国内规范 6.2.1 6.2.1 钢管混凝土设计规范钢管混凝土设计规范 自自19891989年至今已有行业和地方两方面的年至今已有行业和地方两方面的 设计施工规程十余本。设计施工规程十余本。 中国工程建设标准化协会标准中国工程建设标准化协会标准 钢管混凝土结构设计与施工规程钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28:90CECS28:90） （简称简称CECS28CECS28规程规程） 中国工程建设标准化协会标准中国工程建设标准化协会标准 矩形钢管混凝土结构技术规程（矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159:2004CECS159:2004） （

3、简称简称CECS159CECS159规程规程） 福建省工程建设标准福建省工程建设标准 钢管混凝土结构技术规程钢管混凝土结构技术规程DBJ/T13-51-2010 DBJ/T13-51-2010 （简称福建简称福建规程规程） 钢管混凝土的力学性能不仅与两种材料各自的钢管混凝土的力学性能不仅与两种材料各自的 性能有关，而且与两者的性能有关，而且与两者的“匹配匹配”有关。有关。 1.1.材料要求材料要求 钢管钢管 一般按钢结构用材要求。宜采用螺旋焊接管或一般按钢结构用材要求。宜采用螺旋焊接管或 直接焊接管直接焊接管, ,焊缝为坡口对接焊，不得采用搭接角焊焊缝为坡口对接焊，不得采用搭接角焊 缝。缝。

4、混凝土混凝土 Q235-C30Q235-C30或或C40C40，Q345-C40Q345-C40C60,Q390C60,Q390或或Q420-Q420- C50C50或或C60C60及以上；水灰比及以上；水灰比0.450.45，加减水剂塌落度，加减水剂塌落度 宜为宜为160160180mm180mm。 2.2.参数定义及限值参数定义及限值 含钢率含钢率 cs AA 约束效应系数约束效应系数 cc s ckc ys fA fA fA fA 0 设计值设计值 标准值标准值 反映截面几何与物理特性，反映截面几何与物理特性，越大约束越强，越大约束越强， 混凝土强度和延性增加越大。取值范围混凝土强度和延

5、性增加越大。取值范围 0.30.34 4， 抗震要求圆管抗震要求圆管0.60.6，方管，方管1.01.0。 2.2.参数定义及限值参数定义及限值 径厚比或高厚比径厚比或高厚比D/ /t 长细比长细比 基于不发生局部失稳，虽可考虑混凝土支撑的基于不发生局部失稳，虽可考虑混凝土支撑的 有利影响，但不得大于钢结构有利影响，但不得大于钢结构D/tD/t的的1.51.5倍，且倍，且 圆管圆管D/t150235/fy y ftD23560 D D B DL04 BL DL 0 0 32 32 详详钢规钢规 柱柱150150 支撑支撑200200 矩管矩管 4 2 64 2 4 D D D A I i 圆管

6、圆管 3212 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度 取值直接影响结构分析准确性。取值直接影响结构分析准确性。 组合轴压刚度组合轴压刚度 短柱平均应力短柱平均应力-应变曲线应变曲线 基本以基本以 定性方式确定性方式确 定，各规程定，各规程 公式有别公式有别： 福建福建规程规程 4.5 4.5 1.0 1 矩管矩管 方管方管 圆管圆管 ccss AEAEEA cssc scsc AAA AEEA CECS规程规程 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度 组合弹性抗弯刚度组合弹性抗弯刚度 不仅不考虑粘结，而且还要考虑混凝土的开裂不仅不考虑粘结，而且还要考虑混凝土的开裂 和塑性发展。和塑性发展

7、。 福建福建规程规程 CECS规程规程 ccss IE.IEEI80 圆管圆管 规程不同公式有别。规程不同公式有别。 ccss IE.IEEI60 方管方管 ccss IEIEEI 圆管圆管 ccss IE.IEEI80 方管方管 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度 组合剪切刚度组合剪切刚度 取定钢与约束混凝土的本构模型，用有限元程取定钢与约束混凝土的本构模型，用有限元程 序算出纯扭或纯剪的名义剪应力与剪应变的关系曲序算出纯扭或纯剪的名义剪应力与剪应变的关系曲 线线，并以其比例极限定义剪变模量。并以其比例极限定义剪变模量。 3 2 1 3 2 1 1 1 1 211 csacsacsa

8、csacsacsa csacsacsa csacsa csa E 钢与约束混凝土的本构模型钢与约束混凝土的本构模型广义虎克定律广义虎克定律？ csa csa E 不同应力水平下的割线模量；不同应力水平下的割线模量； 不同应力水平下的泊松比。不同应力水平下的泊松比。 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度 组合剪切刚度组合剪切刚度 纯扭构件纯扭构件-曲线曲线 3.3.钢管混凝土的刚度钢管混凝土的刚度 组合剪切刚度组合剪切刚度 scp scp sc G P150P150式（式（6-176-17） P150P150式（式（6-186-18） sc sc AGGA 剪切刚度剪切刚度 3.3.钢管混凝

9、土的刚度钢管混凝土的刚度 组合剪切刚度组合剪切刚度 cssc AAA 4.4.钢管混凝土的强度指标钢管混凝土的强度指标 组合轴压强度组合轴压强度 4.5 4.5 1.0 1 矩管矩管 方管方管 圆管圆管 短柱平均应力短柱平均应力-应变曲线应变曲线 弹塑性基本结束弹塑性基本结束 钢和砼均达极限钢和砼均达极限 标准值标准值 ckscy ff 1.021.14 圆管圆管 ckscy ff 0.851.18 矩管矩管 设计值设计值 cscy ff 1.021.14 圆管圆管 cscy ff 0.851.18 矩管矩管 scscyu AfN 短柱轴心受压承载力短柱轴心受压承载力 福建福建规程规程 4.4

10、.钢管混凝土的强度指标钢管混凝土的强度指标 组合抗剪强度组合抗剪强度 纯扭构件典型纯扭构件典型-曲线曲线 6 10 3500201500 cu f 外钢管也外钢管也 达屈服，主要达屈服，主要 与含钢率、约与含钢率、约 束系数和组合束系数和组合 轴压强度有关，轴压强度有关， 详式（详式（6-226-22） 和式（和式（6-236-23）。）。 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱短柱 木柱在木柱在L/b10时可看作时可看作“短柱短柱” ，钢筋，钢筋 混凝土柱在混凝土柱在L/b8时可以称为时可以称为“短柱短柱” ，素，素 混凝土和未配置纵筋的套箍混凝土

11、柱混凝土和未配置纵筋的套箍混凝土柱L/b4 可以称为可以称为“短柱短柱”，砖石柱，砖石柱L/b3可以称为可以称为 “短柱短柱”。 钢管混凝土在极限状态时，钢管主要起钢管混凝土在极限状态时，钢管主要起 环箍的作用，在纵向的作用很小，在环箍的作用，在纵向的作用很小，在L/D4 时也可算作时也可算作“短柱短柱” 。 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱短柱 钢管混凝土短柱加载方式钢管混凝土短柱加载方式 试验装置试验装置 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱短柱 钢管混凝土短柱钢管混凝土短柱N-N-曲线曲线 6

12、.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱短柱 弓弦效应示意图弓弦效应示意图变形测量示意图变形测量示意图 钢管纵向应变小于整体平均应变机理解释钢管纵向应变小于整体平均应变机理解释 弹性薄片弹性薄片 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 1.短柱短柱 中建院所作短柱试件外观形态变化过程图中建院所作短柱试件外观形态变化过程图 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 短柱短柱 中建院部分短柱试件试验以后的外形中建院部分短柱试件试验以后的外形 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3

13、 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 中建院粗短厚壁钢管混凝土试件中建院粗短厚壁钢管混凝土试件 试验后外形试验后外形N-c曲线曲线 荷载荷载N（10kN） 纵向应变纵向应变c（%） 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 混凝土各阶段的应力状态混凝土各阶段的应力状态 （苏）（苏）格沃格沃 兹杰夫兹杰夫用极限用极限 平衡理论求解平衡理论求解 钢管混凝土短钢管混凝土短 柱承载力柱承载力Nu 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 极限状态

14、下钢管与混凝土受力简图极限状态下钢管与混凝土受力简图 个方程个方程需建立需建立 个未知数个未知数共共 5 5 21uc N,p, 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 等测压三向受压混凝土等测压三向受压混凝土 63K,Kpff c * c cc c * c f p f p .ff2511 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 Kpfc c 据据MisesMises条件条件 22 221 2 1s f 2 2 c pd pfAAN scc 1 *

15、 u * pfN ppfN 0令令 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 c c c c s d t d td A A4 2 2 cc ss fA fA 3 13 1 2 K fAN ccu 2 133 1 K K f p c * , KK K 23 13 63 2 范围内，可取范围内，可取时时当当4 K sscccc AfAffA221 3 13 1 2 K fAN ccu 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 时时当当 cc cc f p

16、f p .f2511 同理，可推出同理，可推出 2 c * f p c * c * ccu f p f p .fAN2511 06111.fA cc P158 CECS28依据依据 短柱短柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 长柱长柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 影响钢管混凝土长柱承载力的主要因素有：影响钢管混凝土长柱承载力的主要因素有： 钢管对核心混凝土的套箍强化作用钢管对核心混凝土的套箍强化作用 柱的长细比柱的长细比 作用力的偏心率作用力的偏心率

17、 柱端约束条件柱端约束条件 长柱长柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 cc sy Af Af 约束效应系数约束效应系数套箍指标套箍指标 0 . 16 . 0 43 . 0 ，矩管，矩管地震区要求圆管地震区要求圆管 的目的的目的要求要求 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 中建院中建院-钢管混凝土长细比影响试验钢管混凝土长细比影响试验 试验装置试验装置试验后试件试验后试件 长柱长柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 411501 0 DL. l 经验公式经验公式 长柱长柱 1.轴心受压构件轴

18、心受压构件 中建院长细比影响经验公式对国外资料的校核中建院长细比影响经验公式对国外资料的校核 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 长柱长柱 1.轴心受压构件轴心受压构件 6.2.3 6.2.3 钢管混凝土构件承载力验算钢管混凝土构件承载力验算 据据C CECS28ECS28规程规程 计算公式计算公式 4115. 014 0 . 14 0 . 1 1 0 dldl dl Af fA AfNNN ele le cc s e ccelelu 时时，当当 时时，当当 钢钢管管混混凝凝土土套套箍箍指指标标 轴轴心心受受压压取取 圆钢管圆钢管 短柱短柱、长长 柱轴心受柱轴心受 压偏心受压偏心受 压承载