鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

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1、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)1、前言鋼管混凝土即在薄壁鋼管內(nèi)填充普通混凝土，將兩種不同性質(zhì)的材料組合而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它是將鋼管結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起而發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)。鋼管混凝土作為一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式最早在十九世紀(jì)八十年代被設(shè)計(jì)應(yīng)用做橋墩，然后隨著科學(xué)技術(shù)的提高使它的應(yīng)用范圍得到了很大的擴(kuò)展。從八十年代末開始，鋼管混凝土在我國的土建工程中的應(yīng)用發(fā)展很快。近年來，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生，工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

2、按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣泛。2、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強(qiáng)，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高。同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力。鋼管混凝土柱在荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑是十分復(fù)雜的，僅以常用的一種

3、加載方式為例，對其受力、變形特點(diǎn)進(jìn)行簡單剖析。據(jù)有關(guān)大量實(shí)驗(yàn)表明，如圖l的一根鋼管混凝土短試件在軸向力N作用下鋼管和核心混凝土隨著縱向壓力的增加兩者均產(chǎn)生較大的縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變，同時將產(chǎn)生橫向變形。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的關(guān)系為，（式中的分別為縱向、環(huán)向應(yīng)變，μ為材料的泊松比，下標(biāo)s，c分別代表鋼管和核心混凝土)。在軸向力N作用下鋼管和核心砼的變形是協(xié)調(diào)的，即。鋼材的泊松在彈性階段為一常數(shù)(O.283)，進(jìn)入塑性階段(應(yīng)力達(dá)屈服點(diǎn)時)增大至0.5而保持不變。而混凝土的橫向變形系數(shù)則為變數(shù)，可以從低應(yīng)力時的0．17增加到0．5至1．0甚至大于

4、1.0。由上式可見，鋼管混凝土在軸心壓力N作用下，開始時，10N鋼管P混凝土N圖1試件軸壓時的內(nèi)力狀態(tài)故,但在很快趕上,則=,而,隨后>，。這說明鋼管混凝土在壓力N作用下混凝土向外的橫向變形大于鋼管向外的橫向變形。鋼管約束了砼，在鋼管與混凝土之間產(chǎn)生了相互作用力P，稱為緊箍力。從而使鋼管縱向和徑向受壓而環(huán)向受拉，混凝土則處于三向受壓狀態(tài)。這樣一來就大大提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時塑性性能得到了很大的改善。在工作性質(zhì)上起了質(zhì)的變化。由原來的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?，這一轉(zhuǎn)變決定了鋼管混凝土這種結(jié)構(gòu)形式的基本性質(zhì)和特點(diǎn)。2、1優(yōu)點(diǎn)2.1.1承載

5、力高鋼管混凝土強(qiáng)度提高的原因，主要是構(gòu)件受壓時，由于鋼管和混凝土的泊松系數(shù)不同，隨著荷載的增加，鋼管由彈性工作狀態(tài)進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，其泊松系數(shù)由0.283增大到0.5后就保持不變；而混凝土的泊松系數(shù)大約由0.2增大到0.5以后仍繼續(xù)增大。這時鋼管始終對填入的混凝土產(chǎn)生緊箍力，這樣鋼管和混凝土都處在三向應(yīng)力狀態(tài)下工作，因而抗壓強(qiáng)度和變形能力都得到極大的提高。鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。經(jīng)有關(guān)專家實(shí)驗(yàn)和理論分析證明鋼管混凝土受壓構(gòu)件強(qiáng)度承載力可以達(dá)

6、到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和101.7～2.0倍。2.1.2延性好據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：鋼管混凝土軸向壓縮到原長的2／3，構(gòu)件表面已褶曲，但仍有一定的承載能力，可見塑性之好。在壓彎剪循環(huán)荷載作用下，水平力與位移之間的滯回曲線十分飽滿，吸能能力很好，基本無剛度退化。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性性能明顯改善。2.1.3抗震性能優(yōu)越抗震性能是指在動荷載或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在這方面，鋼管混凝土構(gòu)件要比鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)得多。在壓彎反復(fù)荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明，結(jié)構(gòu)的吸能

7、性能特別好，無剛度退化，且無下降段，不喪失局部穩(wěn)定性的鋼柱相同。但在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性，但還常發(fā)生塑性彎曲后喪失局部穩(wěn)定。因此，鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。此外，高層建筑中和鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的自重大幅度減小，地震作用引起的地震反應(yīng)也將減小。據(jù)有關(guān)資料分析，高層建筑中采用鋼管混凝土柱和鋼梁等結(jié)構(gòu)體系比采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重可以減少1／3～1／2。地震作用可以減小一半，相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一度。這將意味著結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸的進(jìn)一步減小。同時基礎(chǔ)的負(fù)荷也相應(yīng)減少，由此降低了基礎(chǔ)造價。2.1.4施

8、工方便鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時，鋼管可以作為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量，施工不受混凝土養(yǎng)護(hù)時間的影響。該種結(jié)構(gòu)形式和鋼結(jié)構(gòu)相比零件少，焊縫短，可以采用構(gòu)造簡單的插入式柱腳，免去了復(fù)雜