结构设计原理第24章

第24章钢管混凝土构件叶见曙

张娟秀马莹编24.1钢管混凝土的特点及应用24.2钢管混凝土受压构件的工作性能24.3钢管混凝土受压构件的承载力计算24.4钢管混凝土构件的一般构造要求2本章目录了解钢管混凝土构件截面组成和工程应用特点。掌握钢管混凝土受压构件的工作性能。理解钢管混凝土受压构件截面套箍指标概念。了解钢管混凝土受压构件承载力计算方法。掌握钢管混凝土受压构件的一般构造要求。3教学要求24.1钢管混凝土的特点与应用

钢管混凝土就是将混凝土填入钢管内，由钢管对核心混凝土施加套箍作用的一种约束混凝土。钢管对混凝土的套箍作用，使混凝土的抗压强度提高，使混凝土由脆性材料转变为塑性材料。钢管内部的混凝土提高了薄壁钢管的局部稳定性，使钢管的屈服强度可以得到利用。图24-1钢管混凝土受压构件4

1）特点（1）钢管混凝土构件具有较高的抗压、抗剪和抗扭承载力。钢管混凝土受压构件比钢筋混凝土受压构件小而轻，适用于较大跨度的拱结构。（2）钢管混凝土结构适于承受动力荷载，有较好的结构抗震性能。（3）钢管本身作为模板适于采用先进的泵送混凝土工艺且不会发生漏浆现象；钢管替代了钢筋，兼有纵向钢筋和箍筋的作用。在施工阶段，钢管本身重量轻又可作为施工承重骨架，节省脚手架。5钢管混凝土在拱桥结构中得到广泛应用。拱桥跨度不大（100m以下）时，主拱可采用单管截面；跨度较大时，可采用哑铃形截面、多管桁式截面或集束式截面。a)单管截面b)哑铃形截面c)三角形桁式截面d)单管截面e)哑铃形截面f)三角形桁式截面624.2钢管混凝土受压构件的工作性能一般情况下是钢管与核心混凝土同时共同承担荷载，更多的情况则是钢管先于核心混凝土承受压应力。混凝土干缩会使钢管端头高于混凝土端面等。1）钢管混凝土受压构件试验（1）加载方式Ⅰ荷载直接施加于核心混凝土上，钢管不直接承受纵向荷载；7

（2）加载方式Ⅱ荷载直接同时施加于钢管和核心混凝土上。（3）加载方式Ⅲ钢管预先单独承受荷载，直至钢管被压缩（应变限制在弹性范围内）到与核心混凝土齐平后，方与核心混凝土共同承受荷载。8

试验证明，上述三种加载方式对压力（N）——核心混凝土纵向应变（ec）曲线（简称N-ec曲线）的变形特征有显著影响。图24-4加载方式对N-εc曲线的影响9

2）在荷载作用下，钢管的纵向应变es与核心混凝土的纵向应变ec并不协调一致。钢管表面纵向应变es明显小于核心混凝土的纵向应变ec，通常以核心混凝土的N-ec曲线，作为描述和评价钢管混凝土受压构件力学行为的依据。图24-5钢管和核心混凝土的荷载-应变曲线a)加载方式Ⅰb)加载方式Ⅱ10随着荷载增加而不断减小，直至C点处，荷载达到最大值。对于D/t值较大的薄壁钢管混凝土试件，在N-ec曲线下降过程中，钢管被胀裂，出现纵向裂缝而完全破坏；对于D/t值较小的试件，在荷载缓慢下降过程中，变形仍持续发展而不破坏。

3）钢管外径D与其厚度t之比（简称径厚比）D/t≥20的钢管混凝土轴心受压短柱的N-ec典型曲线。在较低的荷载阶段，N-ec大致为一直线（图中的OAB段）。当荷载增加至B点，钢管开始屈服，其表面或出现吕德尔斯滑移斜线，开始有铁皮剥落，N-ec曲线明显偏离其初始的直线。

图24-7钢筋混凝土短柱N-εc曲线1124.3钢管混凝土受压构件的承载力计算1）基本假设（1）轴心受压短柱的应变场呈轴对称分布；（2）在极限状态时，对于D/t≥20的薄壁钢管，钢管的应力状态可简化为纵向受压、环向受拉的双向应力状态，并沿钢管壁厚均匀分布；（3）混凝土达到极限压应变后为理想塑性材料；（4）钢管为理想弹塑性体，且其纵向压应力和环向拉应力在塑性阶段始终满足VonMises屈服条件：式中fy为钢材在单轴应力下的屈服强度。24.3.1钢管混凝土轴心受压短柱的极限分析12（24-1）q=Asfy/Acfc

被称为套箍指标（24-12）套箍指标表达了钢管对核心混凝土的套箍约束程度。混凝土在单轴应力下的轴心抗压强度核心混凝土的横截面面积

根据极限平衡分析法结果，钢管混凝土轴心受压短柱的极限承载力表达式为：13

1）影响钢管混凝土受压构件极限承载力的主要因素：（1）构件长细比；（2）柱端的约束条件（转动和侧移）；（3）偏心率；（4）沿柱身的弯矩变化，即柱两端较小弯矩M1与较大弯矩M2的方向及其比值b。《规程》CECS28：90对前面两个影响因素采用将轴心受压短柱的承载力乘以折减系数来修正的方法，对后两个影响因素则采用修正柱的计算长度的方法，24.3.2钢管混凝土受压构件的承载力14－钢管混凝土的套箍指标,

q=Asfd/Acfcd；—钢管的横截面积和抗拉（或抗压）强度设计值；、—核心混凝土的横截面面积和抗压强度设计值。（24-13）钢管混凝土构件的轴心压力设计值钢管混凝土受压构件的承载力设计值钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值考虑偏心率影响的承载力折减系数考虑受压构件长细比影响的承载力折减系数2）钢管混凝土受压构件承载力计算式（24-14）

j0为按轴心受压构件考虑（k=1）的jl值。15（1）考虑偏心率影响的承载力折减系数je当e0/rc≤1.55时，当e0/rc＞1.55时，e0—计算偏心距；e0=M2/N，其中M2为柱两端弯矩之较大值，N为轴向压力设计值；rc—核心混凝土截面的半径。16（24-15）（24-16）（2）考虑受压构件长细比影响的承载力折减系数jl

当le/D≤4时，当le/D＞4时， D—钢管外直径； le—受压构件的等效计算长度；对于两支点之间无横向荷载

的构件，其等效计算长度le按下式计算：

l—受压构件的实际长度；m—考虑受压构件端约束条件的计算长度系数，按规程CECS28:90查表；17（24-17）（24-18）k为考虑柱身弯矩梯度影响的等效长度系数，按下列规定进行计算：（1）对轴心受压柱k=1.0（2）对无侧移框架柱k=0.5+0.3b+0.2b2b为柱两端弯矩设计值中较小值M1与较大值M2的比值即b=M1/M2；单曲压弯时，b为正值；双曲压弯时，b为负值。（3）对有侧移框架柱当e0/rc<0.8时，k=0.5

当e0/rc≥0.8时，k=

1-0.625(e0/rc)

（4）对于悬臂柱的等效计算长度le，可按规程CECS28：90有关条文规定计算。18（24-21）24.4钢管混凝土构件的一般构造要求（1）钢管可采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管和无缝钢管。焊缝必须采用对接焊缝，并达到与母材等强的要求；（2）钢管材料可选用Q235、Q345或Q390，有可靠依据时可采用其他钢材；（3）混凝土的强度等级，应符合承载力的要求，并与钢管的钢号相匹配，其强度等级不宜低于C30。一般情况下，Q235钢材宜配C30、C40或C50级混凝土；Q345钢宜配C40、C50或C60级混凝土；Q390钢材宜配C50或C60级以上的混凝土；19（4）钢管接长时，如管径不变，宜采用等强度的坡口焊缝；如管径改变，可采用法兰盘和螺栓连接。法兰盘采用带孔板，使管内混凝土保持连续；（5）为保证混凝土的浇筑质量，钢管外径不宜小于100mm