钢管混凝土课件.ppt

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1、钢管混凝土技术,一、钢管混凝土定义：钢管混凝土是指将混凝土（如普通、高强、轻骨料混凝土等）灌入钢管内而形成的由钢管与核心混凝土协同承受外荷载作用的一种组合结构。从狭义上讲，“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”（Steel Tube-Confined Concrete）的简称，英文缩写为STCC，仅指圆形钢管。因为方形、矩形钢管对核心混凝土套箍作用并不明显；从广义上来讲，凡是在钢管内填入混凝土而形成的组合结构都称之为“钢管混凝土”（Concrete-Filled Steel Tube，简称CFST），按截面形式不同，可分为圆形钢管混凝土，矩形钢管混凝土和方形钢管混凝土等。,目前研究和应用最多的几种

2、钢管混凝土构件横截面形式 ：,二、钢管混凝土的特点1、构件抗压承载力高 一般都高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独的承载力之和，实现了所谓的1+12的组合效果2、塑性与韧性好 通常情况下，单纯受压的混凝土常属脆性破坏，对于高强混凝土更是如此，其工作可靠性因而有所降低。若借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，不但改善了核心混凝土在试用阶段的弹性性质，此外，钢管混凝土结构在水平荷载的反复作用下，滞回曲线P-十分饱满，延性好，吸收能量多，且刚度退化现象很小。因而抗震性能好。,3、制作与施工方便；4、耐火性能较好；5、经济效益好。,三、国内外对钢管混凝土的研究情况国外方面：,国内方面：,我国主要集中

3、研究在钢管内浇灌素混凝土（如普通、高强、轻骨料混凝土等）的内填型钢管混凝土结构，从20世纪80年代开始，在我国开展了钢管高强混凝土柱基本性能的试验研究，涵盖的混凝土强度等级从70MPa110MPa，试验项目包括轴压短柱、长柱、偏压柱和局部承压。 例如在20世纪80年代后期，中国建筑科学研究院共进行了10个钢管高强混凝土轴压短柱的探索性试验。 清华大学土木系于1997年做过 一批的钢管高强混凝土轴压短柱试验，共18个试件。 重庆建筑大学于1998年做过一批混凝土10cm立方体试块强度达102116MPa的钢管超高强混凝土轴压短柱试验，共18个试件。 中国建筑科学研究院于1989年曾进行了一组C7

4、0级的钢管高强混凝土凝土长柱试验，试件钢管为 ，长径比 五种，每种2个试件。,到目前为止，我国学者在钢管混凝土力学性能研究方面已取得了一系列研究成果，先后颁布了几本有关钢管混凝土结构设计方面的规程，例如国家建筑材料工业局标准JCJ 01-89（1989）、中华人民共和国国家军用标准GJB4142-2000（2001）、天津市工程建设标准DB 29-57-2003（2003）、福建省工程建设标准DBJ 13-51-2003、中华人民共和国电力行业标准DL/T 5085-1999（1999）、中国工程建设标准化协会标准CECS：28:29（1992）、安徽省钢管混凝土结构技术规程DB34/T126

5、2-2010（2010）等。,四、国内外钢管混凝土的发展及应用概况,20世纪60年代前后，钢管混凝土结构技术在苏联、英国、法国、美国、日本、德国等工业发达国家受到重视，在此阶段国外学者开展了大量的试验与理论方面的研究工作，曾在一些工业建筑和民用建筑工程中加以应用。如法国巴黎居民区的第一座摩天大楼，比钢柱节省钢材40%； 日本在鸣门海峡建造的高140m，跨距达1700m的钢管混凝土输电跨越塔等。20世纪80年代后期，由于先进的泵灌混凝土工艺和现代高强混凝土的迅速发展，在美国、日本、澳大利亚等国的若干高层建筑工程中，钢管混凝土结构技术得到了飞速的发展，如如美国旧金山市一幢办公楼（50层，高175.

6、3m，80年代末建成）、美国西雅图的联合广场大厦（58层，80年代末建成）和美国西雅图的太平洋第一中心大厦（44层，90年代初建成）； 日本1998年竣工的第一座最高的采用钢管混凝土的高层建筑埼玉县雄狮广场高层住宅楼（55层，高185.8m）； 澳大利亚1991年于墨尔本建成的联邦中心大厦（46层），是澳大利亚采用钢管混凝土的第一个高层建筑。,与国外相比，我国钢管混凝土结构起步较晚，20世纪60 年代初才进入我国，迄今已过半个世纪。它在我国的发展和应用经历了两个阶段：从60年代中期到80年代中期为应用推广阶段，从80年代中期迄今为提高发展阶段。 在应用推广阶段中，1966年首次成功将钢管混凝土

7、用于鞍山第三冶金建设工业公司预制构件厂制管车间柱和北京地铁中的“北京站”和“前门站”的站台柱，之后的北京地铁工程中的站台柱全部采用了钢管混凝土结构，取得了十分显著的经济效益。从此，钢管混凝土在我国得到了推广和应用。被广泛用于冶金工业、造船工业、电力工业等部门的单层、多层工业厂房柱和送变电构架等，建成的建设工程总数超过百项。 自20世纪80年代中期开始，随着我国改革开放政策的实施，钢管混凝土在我国的发展进入了提高发展阶段。在此阶段，钢管混凝土除继续在工业建筑中得到进一步的推广应用外，在高层、超高层建筑建设中得到了卓有成效的应用，取得了令人瞩目的成就。例如于1994年建成的厦门阜康大厦，高度为86

8、.5m，地下2层，地上25层，采用框架-剪力墙结构体系，从地下2层到地上12层采用了圆钢管混凝土柱，其它柱子采用钢筋混凝土。,1999年建成的深圳赛格广场大厦是世界上全部采用钢管混凝土柱的最高和超高层建筑，也是我国第一座自己投资、自己设计、全部国产钢材、自行加工制造及自行安装的超高层建筑，地上建筑高度为291.6m，地下4层，地上72层，采用框架-筒结构体系，建筑面积166700 m2，外框柱网为12m12m，内筒密排柱的柱距为3m，采用了圆钢管混凝土柱。 2003年建成的台北国际金融中心51占地面积30277 m2，地下5层，地上101层，总建筑面积166700 m2，地上建筑高度为508m

9、，101层塔楼应用了井字型结构体系，中低层柱子采用了矩形钢管混凝土，最大的钢管混凝土柱截面尺寸为2.4m3m，矩形钢管由四块钢板拼焊而成。 2010年建成的天津市标志性建筑津塔，高336.9m，在中国已建成的摩天大楼中排名第七位，在世界已建成的摩天大楼中排名第25位，主塔楼地下4层，地上73层，总建筑面积580000 m2，塔楼结构设计采用钢框架-钢板剪力墙结构体系，柱采用钢管混凝土组合柱，钢管柱最大直径1700mm，最小直径600mm，其中混凝土强度等级最高为C60。,台北国际金融中心,广州国际金融中心,微软用户1未介绍,五、钢管混凝土格构柱概述,钢管混凝土格构柱的分类： 钢管混凝土格构柱一

10、般由圆钢管混凝土柱肢和空钢管或型钢缀件组成，截面一般设计成双轴对称或单轴对称。与钢格构柱相似，钢管混凝土格构柱按柱肢数量可分为双肢柱、三肢柱、四肢柱和多肢柱。,双肢柱 三肢柱 四肢柱,目前在输电线塔、风力发电塔架、火车站站台柱、单层和多层工业厂房、大跨度拱桥中应用的比较多，将来有望在高层、超高层建筑的巨型框架结构中得到卓有成效的应用。除此之外，钢管混凝土柱因其独特的造型，应用于输电塔、火车站站台柱、大跨度拱桥、工业厂房中可以增加其美观性。,钢管混凝土双肢柱输电线 合肥火车站站台柱,广州丫鬟沙大桥 某重型钢结构工业厂房,钢管混凝土格构柱国内外研究状况 ：,目前，钢管混凝土格构柱因其突出的优点虽然

11、已在工程当中得到广泛应用，但国内外对这种格构式钢管混凝土柱的极限承载力试验研究和理论研究工作开展的还比较少，在实体结构上做试验更是寥寥无几。,国内较早开展研究的主要有中国建筑科学研究设计院蔡绍怀院士用极限平衡法求解了钢管混凝土格构柱在轴力和弯矩共同作用下的极限承载力。哈尔滨工业大学钟善桐院士在钢管混凝土统一理论的基础上计算出了双肢平腹杆柱、双肢斜腹杆、三肢斜腹杆柱、四肢斜腹杆柱体系在单位剪力作用下的单位剪切角，从而得出相应格构柱的换算长细比。 浙江大学于安林和童树根教授对钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁和四肢柱双腹板肩梁进行了试验研究和受力分析，得出了肩梁的设计方法和节点区钢管强度的计算方法，并对肩

12、梁设计提出了相关构造措施。,清华大学的聂建国教授和其博士廖彦波对钢管混凝土格构柱极限承载力进行长细比的影响分析，共对20个钢管混凝土格构柱进行了轴压试验研究，其中双肢柱试件6个，三肢柱和四肢柱试件各7个。由试验现象表明，钢管内填充混凝土可以有效地防止钢管的局部屈曲，钢管混凝土格构柱破坏时均呈整体破坏形态。通过本次试验，得出了试件的荷载-轴向位移曲线、荷载-跨中挠度曲线、柱肢钢管的纵向应变、环向应变和部分缀件的纵向应变曲线，据此分析了钢管混凝土格构柱的整个变形过程。,日本学者Kawano等对钢管混凝土格构柱的抗震性能进行了系列研究，提出了一种新型的抗震体系，即在钢框架中加入钢管混凝土格构柱，研究

13、表明，这种新型的抗震体系具有良好的抗震性能。,目前，钢管混凝土格构柱研究方面存在的问题主要有：试验研究较零散，缺乏系统性。研究内容和研究参数均非常有限，对其受力机理和特征缺少全面的了解钢管混凝土双肢柱柱肢钢管和核心混凝土的受力分配问题比较复杂，目前在这方面的理论与试验研究开展的并不多，有待进一步研究。,各国钢管混凝土结构设计规范,六、各国钢管混凝土结构设计规范简介,美国规程ACI（1999） ： 规程ACI（1999）在计算钢管混凝土构件的承载力时，是将其等效为钢筋混凝土构件，按照钢筋混凝土的方法进行，截面形式包括圆形、方形和矩形。 计算时采用了如下基本假设：钢材和混凝土变形协调；钢材采用理想

14、弹塑性应力一应变关系模型；混凝土受压边缘的极限应变为0.003；混凝土压应力分布和混凝土应变分布之间的关系，可假定为矩形、梯形或在强度计算上能符合多次综合实验结果的其他形状。若假定等效受压区为矩形分布，则对于等效受压区高度系数，当混凝土圆柱体强度不超过30N/mm2时，取为0.85；超过30N/mm2时，每增加7 N/mm2，其数值减小0.05，但不得小于0.65。,N构件轴力设计值；Nu轴压短柱强度承载力；折减系数，取值为0.85；fy钢材的屈服强度；As、Ac分别为钢管和核心和混凝土的截面面积，对于方钢管混凝土， ， ，其中B为方钢管混凝土外边长，t为钢管壁厚。 混凝土圆柱体抗压强度，对普

15、通等级的混凝土，混凝土立方体抗压强度与圆柱体抗压强度之间的关系 ；对于高强混凝土，混凝土立方体抗压强度与圆柱体抗压强度之间的关系为： 。,欧洲规程EC4（1994） ： EC4（1994）是欧洲标准化委员会（CEN）提出的钢-混凝土组合结构设计规程，其同时适用于圆形、方形和矩形钢管混凝土的设计计算。钢管混凝土轴心受压构件强度承载力按下式进行计算：,式中 N构件轴力设计值；Nu轴压短柱强度承载力，按以下公式计算：rs钢材的材料分项系数，其值为1.1；rc混凝土的材料分项系数，其值为1.5；fy钢材的屈服强度； 混凝土圆柱体抗压强度； As、Ac 分别为钢管和核心混凝土的截面面积。,钢管混凝土结构

16、技术规程DBJ13-51-2003（2003）:,规程DBJ13-51-2003（2003）是福建省工程建设标准，其同时适用于圆形、方形和矩形钢管混凝土的设计计算。对于方钢管混凝土轴心受压短柱，其强度承载力按以下公式进行计算：,式中:N构件轴力设计值；Nuo轴压短柱强度承载力；fscy钢管混凝土轴心受压组合强度承载力指标，按以下公式计算：,Asc钢管混凝土构件的组合截面面积fck混凝土轴心抗压强度标准值约束效应系数,七、钢管混凝土主要研究问题,1、静力荷载作用下的性能2、长期荷载作用的影响3、往复荷载作用下的性能4、耐火极限和抗火设计方法5、火灾后的力学性能和损伤规律6、钢管初应力的影响7、混凝土浇筑质量的影响8、钢管高性能混凝土9、中空夹层钢管混凝土10、钢管混凝土的质量监测与检测技术,实例分析：各国规程对方钢管混凝土计算对比分析实例分析：各国规程对园钢管混凝土计算对比分析,