鋼管混凝土柱受力性能分析

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1、http://www.paper.edu.cn鋼管混凝土柱受力性能分析李海鋒河海大學(xué)土木工程學(xué)院，南京（210098）E-mail：lihai_feng@126.com摘要：本文分析了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能找出了此結(jié)構(gòu)形式承載力高的原因，并用算例比較了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)的差異，得出了一些結(jié)論并對工程建設(shè)提出了幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；承載力；受壓中圖分類號：TU171.前言近年來由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力高，塑性和韌性好，經(jīng)濟(jì)效果顯著和施工快速方便等[1]優(yōu)點(diǎn)而越來越受到工程界的重視。在我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱，高爐和鍋爐構(gòu)造柱，各種設(shè)備

2、支架柱以及送變電桿塔結(jié)構(gòu)等，近年來隨著工程技術(shù)水平提高已被廣泛應(yīng)用于橋梁和多，高層建筑中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比在不增加或少許增加結(jié)構(gòu)自重條件下，可大幅節(jié)省鋼材；與混凝土結(jié)構(gòu)相比，可大幅減輕結(jié)構(gòu)自重，空鋼管骨架的吊裝重量大為減輕，不需模板和鋼筋，施工大為簡化。在高層建筑中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可發(fā)揮它的抗壓和抗剪性能好，承載力高，抗震性能優(yōu)越，延性好，控制構(gòu)件長細(xì)比后可以不限制軸壓比，并能充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的承載力防止其脆性[2]破壞等一系列優(yōu)點(diǎn)。多年來的研究表明，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管具有套箍，支架，模板三打作用，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出用鋼量小，剛度大，安裝重量

3、輕，承載力高，施工快速方便，經(jīng)濟(jì)效益明顯等一系列突出優(yōu)點(diǎn)。由于以上鋼管混凝土結(jié)構(gòu)各種優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該大力推廣這種結(jié)構(gòu)形式，使其為我國社會主義現(xiàn)代化工程建設(shè)做出更突出的貢獻(xiàn)。2.鋼管混凝土柱力學(xué)性能鋼管混凝土柱為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中主要結(jié)構(gòu)形式，在這種結(jié)構(gòu)中可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土這兩種材料的性能。下面主要分析鋼管混凝土柱力學(xué)性能，找出其力學(xué)上受力合理的原因。2.1組成材料的力學(xué)性能[3]鋼管混凝土柱是有鋼管和混凝土兩種材料組成，而鋼管混凝土柱的承載力并不是鋼管和混凝土兩種構(gòu)件承載力簡單的加和，從后面的算例可以看出鋼管混凝土柱的承載力是鋼管和混凝土兩種構(gòu)件承載力加和的1.61倍左右。①混凝土材料的

4、基本力學(xué)性能為抗壓不抗拉。三向受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單向受壓強(qiáng)度也是混凝土材料受力性能的另一特點(diǎn)。具體原因為：在混凝土形成過程中不可避免的在內(nèi)部會留下大小不等的空隙和在水泥石和骨料結(jié)合界面形成微細(xì)裂縫。當(dāng)混凝土單向受壓時在這些空隙處會產(chǎn)生應(yīng)力集中并會產(chǎn)生新的微細(xì)裂縫。當(dāng)荷載增加時，微細(xì)裂縫顯著增加并相連通，將混凝土分割成若干與軸向壓力方向大致平行的微柱，混凝土?xí)蛭⒅Х€(wěn)或折斷而完全破壞。破壞后粗骨料基本完好，破壞面大都沿粗骨料的表面發(fā)展。而當(dāng)混凝土三向受壓時，由于側(cè)壓力影響順縱微裂縫有閉合的趨勢。若側(cè)壓力足夠大，則沿骨料與水泥砂漿結(jié)合面形成的微柱始終不會失穩(wěn)，混凝土的破壞將進(jìn)入第二層次的破壞

5、，即粗骨料的破壞?；炷恋拇?1-http://www.paper.edu.cn骨料將如同處于三軸壓力下的巖石一樣，在更高的軸壓力下，在平行于最大主應(yīng)力的平面形成第二層次的微柱，最后第二層次的微柱失穩(wěn)導(dǎo)致混凝土破壞?；炷恋臉?gòu)造及破壞體過程見圖1。微柱孔隙微裂縫裂縫圖1混凝土的構(gòu)造及破壞示意圖②鋼材的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相等，但由于鋼結(jié)構(gòu)受壓時有穩(wěn)定性問題并且其穩(wěn)定承載力比強(qiáng)度承載力低的多，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量使鋼材料受拉，這樣才能充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能。對于薄壁鋼管來說，在軸心壓力作用下，其承載力是極不穩(wěn)定的，遠(yuǎn)比理論計算值低，因為它對局部缺陷很敏感。實驗證明：實際承載力往往只是理論

6、計算值的1/3～1/5，當(dāng)有殘余應(yīng)力存在時，影響則更大。在管中灌混凝土形成軸心受壓鋼管混凝土柱后，鋼管保護(hù)了混凝土，使它三向受壓，延緩了受壓時的縱向開裂。而混凝土卻保護(hù)了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定，相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)，也充分發(fā)揮了彼此的長處。2.2鋼管混凝土柱的基本工作性能上面從鋼管混凝土柱組成材料角度分析了鋼管混凝土柱承載力提高的原因。下面分析二者組合起來后形成鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能。[4][5]一般情況下鋼管混凝土柱軸心受壓可分為三個階段，即如下圖所示，彈性階段oa段，彈塑性階段ab段，強(qiáng)化階段bc段。鋼管混凝土柱軸心受壓過程圖見圖2。bcao圖2鋼管混凝土柱軸心受壓過程圖①彈性階段在

7、鋼管混凝土柱受荷初期，鋼管的橫向變形率小于核心混凝土，鋼管壁荷混凝土之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著荷載的增大混凝土的橫向變形率超過鋼管，此時鋼管和混凝土之間的作用力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為擠壓應(yīng)力鋼管中產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，而核心混凝土受到環(huán)向和徑向壓力的作用，加上縱向壓力，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。但此時橫向壓力較小，鋼管和混凝土均可以認(rèn)為在單向應(yīng)力作用下工作。②彈塑性階段-2-http://www.paper.edu.cn進(jìn)入彈塑性工作階段的鋼管承受的縱向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力都