钢管混凝土柱论文第1篇

关键词：统一强度理论；钢管混凝土空心柱；轴心受压；承载力

中图分类号:TU312 文献标识号:A文章编号:2306-1499(2014)07-0182-02

钢管混凝土空心柱由钢管和混凝土内衬组合而成，其截面形式如图1所示。内衬混凝土通常采用离心法浇筑。该种构件除具有普通钢管混凝土承载力高、刚度大、塑性韧性好、抗震性能好等良好的力学性能外，还具有自身的优点：

第一，自重轻，由于构件中心部分的混凝土是抽空的，因而同实心钢管混凝土构件相比显著地减轻了重量，从而更便于运输和吊装；

第二，可以预制，该种构件可以进行大批量的工厂生产，减少现场的作业，由于是工厂的标准化生产，因此混凝土的成型质量较好地得到了保证。由于上述优点，该种构件已被广泛地应用到电塔结构中。国内外学者已对其开展了大量的研究工作，日本MIYAKI SATOSH[1-2]等先后报道了离心钢管混凝土短圆管的轴压测试和圆柱体轴向受力的剪切弯曲测试结果，分别给出了其抗压强度和极限抗弯强度的计算公式，0' Shea& Bridge[3]进行了短圆形离心钢管中填以溶剂和高强混凝土的性能试验，蔡绍怀、钟善桐等先后进行了钢管混凝土空心短柱和长柱的试验研究[4-7]。本文拟运用统一强度理论，考虑钢管因环向受拉导致纵向应力降低的影响分析钢管混凝土空心柱的轴压力学性能。

图1钢管混凝土空心柱截面示意图

1.统一强度理论

统一强度理论是1991年俞茂宏从双剪单元体出发，考虑应力状态的所有应力分量以及它们对材料屈服和破坏的不同影响，建立的一种全新的统一强度理论和一系列新的典型计算准则，它用一个统一的力学模型、简单的统一的数学表达式，可以十分灵活地适用于各种不同特性的材料，其数学表达式为[8]：

当 时 (1a)

当 时 (1b)

2.钢管混凝土空心短柱的轴压承载力

2.1钢管混凝土空心短柱的受力和破坏机理

钢管混凝土空心柱中，在受荷初期，由于钢材的泊松比大于混凝土的泊松比，因此钢材的横向变形大于混凝土，钢管和混凝土有相互分离的趋势。此时，钢管和混凝土按刚度比承受外荷载，截面的承载力可以认为是钢管和混凝土单独受力的简单叠加；当荷载继续增大时，混凝土泊松比增大并超过钢材，截面开始进入弹塑性阶段，混凝土的横向膨胀大于钢管的环向应变，两者产生相互作用力(紧箍力和鼓胀力)，混凝土内衬受钢管的侧向约束产生应力 ，同时混凝土内衬对钢管反作用有应力 ，如图3所示。进入塑性阶段后，混凝土的弹性模量时刻都在发生变化，随着荷载的进一步增大，钢管屈服后，钢管处于主要承受环向受拉、纵向受压的不利受力状态，钢管的环向应力不断增大，当环向应力达到屈服时，钢管对混凝土的约束控制力失效，截面承载力达到极限状态[4，6]。

(a)截面示意图(b)钢管所受侧压力 (c)混凝土内衬所受侧压力

图3钢管混凝土空心短柱截面及受力示意图

1.2钢管的承载力

在绝大多数工程实际和试验研究中的钢管混凝土空心柱采用的钢管均满足径厚比 ，因此可将其示为薄壁钢管。由前面所述的受力和破坏机理可知，在钢管混凝土空心柱中，外钢管对混凝土内衬作用有侧向压力，反过来混凝土内衬对钢管作用径向压力，并使钢管产生环向拉力。当钢管的环向拉应力达到屈服极限时，钢管失去对混凝土的约束控制力，构件达到极限承载能力状态，进而破坏。薄壁钢管处于轴向受压、径向受压、环向受拉的受力状态，令其所受的轴向压应力、径向压应力、环向拉应力分别为 、 、 ，则有

(3)

式中： 为薄壁钢管所承受的轴向压力； 为薄壁钢管的面积， ； 为薄壁钢管的壁厚； 为薄壁钢管的直径(外直径)； 为核心混凝土对钢管的径向压应力。文献[4]通过实验分析认为，当薄壁钢管达到屈服而开始塑流后，钢管混凝土空心柱的应变发展加剧，薄壁钢管所受的环向拉应力不断增大，纵向压应力相应减小，薄壁钢管从主要承受纵向压应力转变为主要承受环向拉应力，且环向拉应力大于纵向压应力的绝对值，即 。依据 的规定，对于薄壁钢管而言，其主应力为

(4)

1.3混凝土的承载力

在普通钢管混凝土中，因混凝土在轴向压力作用下，其横向扩展受到钢管的约束，从而处于轴向压缩和侧向均匀围压的三向受压应力状态，即 ，文献[9]依据统一强度理论推得

(9)

式中： ， 为混凝土的内摩擦角； 为混凝土在三向应力状态下的轴向抗压强度，用 表示； 为混凝土的单轴抗压强度； 为钢管对混凝土的侧向约束应力，用 表示。则式(9)可改写为

(10)

G .G .Meyerhof. N. M Hawkins等学者的试验指出，三向受压混凝土得出的内摩擦角变化范围为 ，侧压力小，内摩擦角大，侧压力大，内摩擦角小，相应的 值在 之间变化。钢管混凝土计算时经常取 ，具体值由试验确定。

2.3.2混凝土内衬的承载力

1.4钢管混凝土空心短柱轴压承载力统一解

钢管混凝土空心短柱的轴压承载力由钢管和混凝土内衬共同承担，即

(13)

式中： 为轴压承载力， 、 分别为钢管和混凝土内衬所承受的轴向压力。将式(8)、(12)代入式(13)，整理可得钢管混凝土空心短柱的轴压承载力统一解为

(14)

3.钢管混凝土空心长柱的轴压承载力

对于长柱来说，随着长细比的增加，钢管混凝土空心柱的破坏形态将由混凝土内衬塌落为标志的材料破坏逐渐转化为失稳破坏，因此，本文参照文献[10]的思路，引入一个考虑长细比影响的承载能力折减系数 来计算钢管混凝土空心长柱的轴压承载力 ，即

(15)

其中： 的表达式为， 。

4.结语

钢管混凝土柱论文第2篇

关键词：钢管叠合柱; 设计; 应用

Abstract: This paper taking the steel tube of laminated column with steel tube combined structure mechanical characteristics and development as the starting point, from the design, construction and so on several aspects of the analysis, summed up the steel pipe of laminated column and its advantages, the development of industry of our country construction importance, as well as in structural design should give attention to the design points discuss, put forward steel laminated column structure development prospect and can work in future research in several points of attention.

Key words: steel tube composite columns; design; application

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

0、前言

2008年在我国四川汶川发生的地震，给建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。更多的建筑设计者和科研人员都将目光放在了组合结构上，希望借此提高我国建筑结构的抗震水平。钢管叠合柱是组合结构中的比较常用的一种结构形式。目前在我国的应用也比较广泛，沈阳万鑫大厦和沈阳和泰大厦等等都是采用了钢管混凝土叠合柱的比较成功的案例。

1、钢管混凝土叠合柱的力学特性

钢管混凝土叠合柱是由钢管混凝土和外包混凝土构成，有时候因构造上的需要会在外包混凝泥土内配置纵筋与箍筋。分析钢管混凝土叠合柱的力学特性是建立在与钢管混凝土，型钢混凝土，普通钢筋混凝土构件的对比的基础之上的。钢管混凝土叠合柱是一种由钢管混凝土与外包混凝土所组成的组合结构，它的力学性能并不是构件内部组成部分的简单叠加，而是各个部分协调工作状态下，性能的相互强化，所以它兼有钢管混凝土与普通钢筋混凝土的优点的同时，又表现出一些新的特性。

2.1 钢管混凝土叠合柱的优点

2.1.1 承载力高，使用性能好

高强混凝土虽具有强度高的优点，但是与低等级的混凝土相比缺乏足够的延性性能。使用的混凝土强度等级越高，当达到极限承载力的时候强度下降的越明显，表现出一定的脆性，不利于抗震，强度越低承载力下降越平缓。钢管的约束作用克服了高强混凝土的脆性，同时，钢管的围压力使管内混凝土的轴心抗压强度大幅度提高，充分发挥了高强混凝土受压能力高的优势。

2.1.2 延性好，抗震性能强

对于钢管混凝土叠合柱，作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土；轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后，按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土。分配轴压力时，钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。结果，钢筋混凝土分担的轴压力比按管外、管内混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小、轴压比低，通过配置适量的纵筋和箍筋，能提高整个构建的延性，增强构建在地震荷载作用下的耗能作用。

2.1.3 抗剪能力强

与普通钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土叠合柱受剪承载力由箍筋、混凝土和核心小钢管混凝土柱及钢翅片提供。截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力，容易实现强剪弱弯。同时钢管混凝土的存在，可简化核芯区构造，方便施工。

2.1.4 耐火性能好

钢管混凝土叠合柱具有良好的耐火性。对于钢管混凝土叠合柱来说，外包混凝土的存在大大延缓的构件环境热量向核心钢管传递的速度，从而延长了核心钢管承载能力失效的时间，为消防救火赢得宝贵的时间。同时钢管混凝土叠合柱免去了钢管外层的防火涂层，降低的构件的防火成本。

3、钢管混凝土叠合柱的成柱特点和设计理念

在高层重载柱设计时，增强柱子承载能力和抗震性能是设计者的主导思想具体包括如下四个方面：强化、组合、约束、叠合。钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念，将结构柱的组成材料优化配置，充分发挥每种材料的力学性能，大大减少柱截面尺寸。

3.1强化

采用强度高性能忧的材料，目前我国已经具备批量生产高强厚壁钢管的能力；在混凝土材料方面，十年前就已经研制成功高强、高弹性模量、利于泵送、 收缩量小、徐变小、早期强度高的混凝土，辽宁地区已有20多幢高层建筑在管

内采用C80～C100级自密实高强度混凝土，高强度混凝土其配制材料完全达到了国产化。

3.2 组合

叠合柱基本上是钢和混凝土的组合，主要靠混凝土承受轴压力。钢管内用的是高强素混凝土(如 C60～C100 级) ，钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土(如C40～C60 级) 。叠合柱基本上属于混凝土结构，但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理，使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，混凝土和钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用量较少，用钢量远远低于同样荷载的型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。

3.3约束

通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。关于钢管对管内混凝土的约束增强作用，在钢管混凝土的文献中已有详细论述。

3.4 叠合

利用时间差进行截面优化组合，达到竖向轴向力的合理分配。混凝土理论证明，柱子的抗震延性控制，实质上是控制柱子在设计阶段(小震组合)的压应

变值不应过大；无论普通混凝土柱或组合柱，在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘，大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值 ( 01003～01003 3)时，则产生压溃现象，导致截面破坏。

4、钢管混凝土叠合柱结构在我国使用情况

仅沈阳市近几年就有多个采用 C100级钢管混凝土叠合柱的工程，下面将有代表性的几个案例介绍给大家：沈阳富林广场地上建筑30层，总建筑高度达到125米，总建筑面积为8万平方米，主体结构为框架筒体结构 ，外框柱间距8层以上为4.5m ，8层以下转换为9m，采用框支叠合柱，2001年完成叠合柱施工，为我国第一次在钢管内采用 C100 自密实混凝土的施工案例。沈阳远吉大厦地上结构为28层，总建筑高度为96.1米，总建筑面积为2.43万平方米，采用地下室逆作法，从地下2层到地上5层为框支层，采用叠合柱，地上6层以上为剪力墙结构，2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用。沈阳贵和回迁楼，地上结构28层，总建筑高度89.45米，总建筑面积5.1万平方米，该结构的特点是大底盘上设双塔楼，塔楼为剪力墙结构，底部4层大底盘采用框支叠合柱2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用；沈阳万鑫大厦主塔40层，副塔34层，主塔总高度180米，副塔高度148米，总建筑面积19.8万平方米。主体结构采用框架-筒体结构，塔楼均采用用叠合柱 ，最大柱边长由于采用叠合柱的结构其由原设计的1600mm减为1200mm，大大减少了结构占用的空间， 最大钢管直径为864mm，壁厚为22mm，采用Q345B结构钢管，2005年完成叠合柱施工，2006年结构封顶 ，当年为沈阳市最高建筑。沈阳宏发国际茗城，地上结构32层，建筑总高度110米，总建筑面积5万平方米，主体结构采用框剪结构，每单元中4个受力最大的柱截面尺寸为1200×1200叠合柱，2006年完成叠合柱施工，2006年末主体建成。

5、结语

钢管组合结构的研究才起步很短的时间，目前的研究成果已经表明钢管组合结构具有很好的力学性能，目前的研究结论也为设计工作和大面积推广提供了基础理论。由于该结构的复杂性，本人认为需要对如下问题给予重视：

5.1 何能更好的提高混凝土和钢管接触面的连接强度，以保证钢管和混凝土的协同工作是十分重要的问题。

5.2 钢管混凝土从具体操作上还需要深入研究，钢管在施工中成为封闭的容器，施工中要保证钢管内混凝土的质量，首先就要求密实度，混凝土密实度不够，在上部荷载的作用下容易产生局部失稳，会产生严重破坏后果；

5.3 采用有限元软件进行模拟得出的结论是可靠的，可以为钢管混凝土叠合柱进一步的力学性能分析提供基础，并且为此类结构的工程设计提供相应的依据。随着我国经济的发展，钢结构的广泛应用，组合结构特别是钢管混凝土叠合柱结构将在未来我国工程建设中发挥很重要的作用。

参考文献：

李 惠，吴波，林立岩. 钢管高强混凝土叠合柱的抗震性能研究[J]．地震工程与工程振动，1998，18(1)：45-52．

钢管混凝土柱论文第3篇

Abstract: This paper based on experiment of concrete filled square steel tubular columns under combined constant axial load and cyclic lateral loads, the reasons of the effect of axial compression ratio on the ductility of composite column are discussed in this paper .The conversion relation betweenexperimental axial compression ratio and design axial compression ratio is deduced .Finally, the limitedvalues of axial compression ratio of concrete filled square steel tubular columns are brought forward on the basis of the deduced result and experimental data.

关键词:钢管混凝土;轴压比;轴压比限值;延性

Key words: concrete filled square steel tubular columns;axial compression ratio;limited values of axial compression ratio;ductility

中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)10-0107-02

0引言

方钢管混凝土是整个钢管混凝土结构的一个组成部分,同圆钢管混凝土结构处于并列地位。较之圆钢管混凝土结构,方钢管混凝土结构具有以下特点,①截面受力合理。大开间是市场对现代化住宅提出的要求。选用钢框架体系,在两个方面跨度都较大。需要柱截面在两个方面上都要承受较大弯矩,双向同性的优点更能满足结构需要。②耐火性好。方钢管混凝土由于是由钢管和混凝土两种材料组成,混凝土的热熔较大。③塑性,韧性好。方钢管混凝土构件在大轴压比的情况下仍具有较好的耗能性能和延性,因而抗震性能好。④方钢管混凝土结构具有节点构造简单,施工方便,承载力高的特点,经济效果明显。因而文献[1]和文献[2]都作出钢管混凝土柱无需限制轴压比的论断。但此论断均是针对圆钢管混凝土柱作出的。

为了研究方钢管混凝土柱的抗震性能,在天津大学结构试验室进行了基本性能研究,试验结果简要的列于表1中。在本试验数据基础上,参考了文献[3]的试验结果,讨论了轴压比对方钢管混凝土柱延性的影响和方钢管混凝土柱轴压比限值的问题。

本文采用结构极限位移角作为衡量结构延性的指标,参照我国《高强混凝土结构设计与施工指南》[4](HSCC-99)中规定的混凝土框架结构层间弹塑性位移角限值为1/60。极限位移角计算公式为:

R=(1)

式中,Δ为层间极限位移,L为层高。实际中Δ、L分别为柱中点侧向位移和柱中点至辊轴中心的距离。

根据《天津市钢结构住宅设计规程》[5](DB29-57-2003),钢管混凝土柱的轴压比采用下面计算公式:

n=N/N0(2)

式中,N为轴向荷载,N0为钢管混凝土的极限承载力。N0=fcAc+fyAs,其中fc为混凝土抗压强度,fy为钢材的屈服强度。As、Ac分别为钢管和管内混凝土的面积。

1轴压比对钢管混凝土柱延性的影响

1.1 预压应变的影响凝土压弯柱在受到轴向荷载N后,将产生一个压应变 ,在水平荷载作用下,受压一侧的压应变将继续增大,如果材料的极限压应变为r,则r与r的差值大小决定了截面极限转角。因而极限转角随 的增大而减小,与此同时,钢管混凝土压弯柱地延性也就越差。

1.2 附加弯矩的影响当轴力为定值时,随着试件水平位移的不断增大,附加弯矩的影响越来越大,由于受压混凝土的破坏程度不断加大和钢材的屈服,截面承受弯矩的能力也会不断降低,这些将导致水平承载力不断下降。当轴压比较小时,附加弯矩的影响也小,反映在滞回曲线骨架曲线上,表现为下降段较缓,反之高轴压比会使骨架曲线下降段变陡

2试验轴压比与设计轴压比的换算关系

试验轴压比为: nt=N/N0(3)

设计轴压比为:nd=Nd /N(4)

式中,N为试验轴压力,N0为柱轴心受压极限承载力,Nd为设计轴力,N为设计轴心受压极限承载力。

若设计时取Nd=N,则:

n/n=NN(5)

根据(3)可得:

=(6)

式中,f、f分别为钢管屈服强度的试验值和设计值;f、f分别为混凝土强度的试验值和设计值。

根据《混凝土结构设计规范》[6](GB 5000.10-2002),混凝土的轴心抗压强度设计值的计算公式为:

f=(7)

式中,f为混凝土强度等级值,即具有规定保证率的混凝土立方体抗压强度标准值;α为混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值;α为对C40以上混凝土考虑脆性折减的系数。本文综合考虑α和α,取αα=0.77。

混凝土的强度标准值应具有95%的保证率,混凝土强度标准值与立方体强度平均值fcu的关系为:

f=f(1-6.645δ)(8)

式中,δ为变异系数,统一取δ=0.1。

由此可得:

==0.525(9)

类似地,对于钢管,设计值与试验值的关系为:

==0.760(10)

将公式(9)和(10)代入公式(6),即可得:

==0.760-0.235(11)

取钢管混凝土的约束效应系数ξ=AfAf,代入上式可得:

=0.760-0.235(12)

3方钢管混凝土柱轴压比限值的讨论

表1针对本试验和文献[3]中方钢管混凝土压弯试验结果进行了试验轴压比与设计轴压比对应值的对比。方钢管混凝土柱压弯试验的基础上,探讨了轴压比影响柱延性的原因,并推导了试验轴压比与设计优压比的换算关系公式,最后根据换算关系公式实验数据,以层间弹塑形位移角作为延性控制指标,指出了方钢管混凝土柱的轴压比限制。从表1中关于方钢管混凝土柱压弯试验的结果,可以看出轴压比越大,极限位移角Ru越小,也即方钢管混凝土柱的延性越差。可知轴压比是影响钢管混凝土柱延性的重要指标,因此为了满足抗震设计要求,确定一个合适的轴压比限值就显得尤为重要。合适的轴压比应该既满足结构延性的要求,又能充分发挥钢管混凝土柱提高承载力的优势,做到既安全又经济。根据表1的对比可知,当试验轴压比为0.5时,极限位移角均能满足1/60的结构设计有限延性的要求。而当试验轴压比为0.5时,其对应的设计轴压比约为0.8,取二级抗震等级时轴压比限值为0.8。再根据抗震等级不同浮动0.10,即可得方钢管混凝土柱的轴压比限值可按表2取值。

4结语

轴压比是影响钢管混凝土柱延性的重要因素,轴压比越大则延性越差。轴压比主要通过预压应变和附加弯矩影响柱的延性。以层间弹塑性位移角为延性控制指标,通过本文和文献[3]方钢管混凝土柱压弯试验的数据以及本文推导的试验轴压比与设计轴压比的关系式可以导出轴压比限值,为方钢管混凝土柱抗震设计提供参考。

参考文献:

[1]钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]吕西林,陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2000;21-2.

[4]HSCC-99.高强混凝土结构设计与施工指南[S].

钢管混凝土柱论文第4篇

【关键词】钢管混凝土加固柱，有限元模型，ABAQUS，延性，轴压比，翼缘长度，钢管厚度

0 引言：

随着建筑行业的发展，翼墙加固方法也引用到了建筑结构中，翼墙能够很好提高构件的抗侧移能力，放置在柱子的两侧或者一侧和柱子形成一个新的整体，共同承担荷载，增加了柱子的抗震性能[1]。在地震的作用下翼墙先于框架柱破坏，起到了很好的保护框架柱的作用，增大了整体结构的延性和耗能能力。

翼墙加固法具有加固效果非常的显著、施工方便、造价低等优点，本文在上述实验的基础上进一步考虑了影响钢管混凝土翼墙加固柱受力性能的几个参数。利用有限元软件ABAQUS通过对比分析法，得出参数对加固柱受力性能的影响。

1试件设计和材料力学性能

1.1试件设计

本文模拟中选取如下模型作为研究对象：混凝土柱尺寸为500×500mm，柱高为1.8m，纵向钢筋为12B16，箍筋为B8@ 200mm，底端加密箍筋为B8@100mm，两侧的翼墙为钢管混凝土，用钢套箍将钢管混凝土翼墙端部与钢筋混凝土柱固结在一起，其它部位无连接，钢套箍为高度为300mm，厚度为5mm。其中一个构件的截面如图5.1所示。

构件组的尺寸如表1所示。其中L（mm）表示钢筋混凝土柱的长，B（mm）表示钢筋混凝土柱的宽；l（mm）表示钢管混凝土翼墙的长度，b（mm）表示钢管混凝土翼墙的厚度；n表示轴压比；t表示钢管的厚度。

1.2材料力学性能

本文混凝土采用 C30，纵向受力钢筋和箍筋均采用HRB335级钢材，钢管采用Q345的钢材。

2利用ABAQUS对加固柱进行模拟分析

2.1模型建立

在本模拟中，混凝土翼墙和混凝土柱以及钢管三个部件均用8节点线性减缩积分式单元（C3D8R），纵向钢筋和水平箍筋采用两节点线性减缩积分式三维桁架单元（T3D2）[3]。

2.2定义相互作用

为了能够很好的拟钢管和混凝土之间的相互作用，本文认为钢管和混凝土之间满足下面几个条件[4-5]：（1）钢管和混凝土不可相互侵入；（2）接触力的法向分量只能是压力；（3）接触面的切向存在摩擦。钢管单元为主面，混凝土单元为从面，钢管和混凝土之间允许小滑移，摩擦系数为0.6，法向设定为硬接触，允许主、从面分离。

2.3施加边界条件与荷载

结合工程实际我们取框架柱中反弯点到固定端的部分作为研究对象，所以本文模拟中模型一端为自由端，另一端为固定端。

3管混凝土翼墙加固柱模拟结果分析

本文利用ABAQUS软件对三组构件，共6个有限元模型分别进行低周反复荷载作用下的模拟，这三组构件分别采用了轴压比不同其余变量相同和翼缘长度不同其余变量相同的原则进行对比分析，现选出其中几组进行分析。

3.1轴压比对构件的影响

通过对构件进行模拟分析，分别提取了加固柱的滞回曲线和骨架曲线，钢管混凝土翼墙中钢管厚度为7mm时，轴压比分别为0.3、0.5的加固构件的滞回曲线、骨架曲线图所示。

如图可知滞回曲线的形状比较饱满，当n=0.3时，构件受到的最大荷载值Fmax=723KN；n=0.5时，Fmax=881KN；n=0.7时，Fmax=987KN；在加载后期，骨架曲线出现下降趋势；随着轴压比的增大，曲线的下降斜率也越大；

本文利用有限元软件ABAQUS对建立的6个加固模型进行了模拟分析，并提取了它们的滞回曲线和骨架曲线。对其曲线进行了整理和分析得到以下结论：

（1）利用有限元软件ABAQUS轴压比、为参数建立的6个钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱模型进行分析，从滞回曲线和骨架曲线上可知，钢管混凝土翼墙加固柱均具有较好的耗能能力及抗震性能。

（2）通过对轴压比不同的几组加固构件的有限元模拟分析结果看出，随着轴压比的增加，加固柱的极限承载力增大。加载过程中随着加载位移的增大，钢管混凝土翼墙加固柱水平承载力有所下降，说明轴压比越大加固柱的延性越低。

参考文献

[1] 林树枝，袁兴仁.翼墙加固单跨框架抗震性能研究[J]. 工程抗震与加固改造，2011（01）

[2] 刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州大学博士论文，2005

[3] Harada T.，Takeda，J.，Yamane，S.and Furumura，S.Strength.Elasticity and thermal properties of concretesubjected to elevated temperatures. International seminar on concreteforreactors，SCISP-34，Detroit.1992：377-406

[4] 景悦.方钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析[D].河北工业大学学位论文，2008

[5] 许哲.预制翼墙及钢桁架加固钢筋混凝土框架试验研究[D]. 沈阳建筑大学硕士论文，2012

作者简介：

龙秋颖（1990―），女，汉族，黑龙江省富锦市人，职务：学生，学历：研究生，研究方向为结构加固。

钢管混凝土柱论文第5篇

【关键词】钢管混凝土柱；抗火性能；耐火极限；抗火设计

火灾是人们日常生活中常遇的自然或人为灾害之一，火灾发生频率高，火势发展迅速，给人们的生命财产安全带来巨大威胁。如2001年9月11日，美国纽约世界贸易中心两栋大楼受到恐怖组织的袭击，“9·11事件”使美国损失民航飞机4架、世贸双子塔楼和五角大楼一角；伤亡3465人；估计带给美国的直接损失为255亿美元，而间接损失高达2000亿美元， 2003年11月3日，湖南衡阳发生特大火灾，衡州大厦3000多平方米建筑整体倒塌， 20名消防官兵身亡。

钢管混凝土柱是一种性能十分优异的组合结构形式，由于其在结构体系中的重要性以及在实际工程中应用的广泛性，研究其抗火性能具有重要的现实意义。为此，本文对钢管混凝土柱的抗火性能研究现状进行总结。

一、国内外钢管混凝土柱抗火研究

钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的柱，其工作实质在于钢管及其核心混凝土之间的相互作用和协同互补，也正是由于这种相互作用使这种结构具有较好的耐火性能。

1、国外的抗火试验研究

目前为止，国外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多， 主要研究试验结果表明：

（1）影响钢-混凝土组合柱抗火性能的主要因素有骨料类型、长细比、构件截面、混凝土强度等。钙质混凝土的钢管混凝土柱耐火极限的实测结果离散性较小，而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。

（2） 钢管仅在受火初期承担荷载，受火后期主要由核心混凝土承担荷载。

（3） 当构件长细比较大时，钢管混凝土柱耐火极限较低，破坏形态为失稳破坏，当构件长细比较小时，钢管混凝土柱耐火极限较高，破坏形态为强度破坏，并局部出现鼓曲和褶皱；

（4） 当轴压比较低时，钢管混凝土柱轴向膨胀变形明显，当轴压比较高时，柱轴向膨胀变形不明显，柱耐火极限低于30min。

2、国内的抗火试验研究

国内的抗火试验起步较晚，抗火试验也相对较少，比较著名的试验有两个：韩林海试验和韩金生试验。前者主要通过对钢管带保护层来提高其耐火极限，后者在核心混凝土中配置钢筋以提高抗火性能。

（1）韩林海采用的在钢管中填充素混凝土而成的钢管混凝土柱，共选用了25个试件（圆形14个、方形3个、矩形8个）。试件两端为铰接，控制升温曲线为ISO-834标准升温曲线，试件均四面均匀受火.该组试验主要考虑了截面形式、横截面尺寸、防火涂料保护层以及偏压与轴压对比等四个因素。

通过试验发现：

1）荷载偏心距对钢管混凝土柱耐火极限的影响不大。

2）防火保护层厚度对钢管混凝土构件的耐火极限有很大的影响，在其他条件相同的情况下，保护层厚度越大，构件耐火极限越长。

3）构件截面直径对钢管混凝土柱耐火极限有较大影响，构件在各自的火灾设计荷载作用下，直径越大，耐火极限越长。

4）钢管混凝土构件由于核心混凝土的吸热作用，及在火灾作用下钢管及其核心混凝土间的协同互补作用，使其具有较好的耐火性能，只要进行适当的防火保护即可达到要求的耐火极限。

（2）韩金生试验

该试验是没有防火保护的配筋钢管混凝土柱的火灾试验，选用5个试件，1个钢管素混凝土柱和 3个配筋钢管混凝土柱以及1个测温用短柱B1，同样按照标准升温曲线升温。

通过试验发现：

（1）在受火条件下，由于钢管，温度迅速升高，强度损失严重，钢管壁的厚度对耐火极限的影响不大。在受火较短时间内钢管已经基本上退出工作了。

（2）试件的破坏是由弯曲变形急剧增加造成的， 所有试件的最终破坏形态均为弯曲破坏。

（3）配筋量的多少对其抗火性能有着显著的作用，一方面，埋置在混凝土内部的钢筋升温较慢，在火灾下可保持足够的承载能力，直接提高柱的耐火极限；另一方面，加配的箍筋和纵筋对核心混凝土的约束作用和销栓作用可以改善核心混凝土火灾下的受力性能， 间接提高钢管混凝土柱的耐火极限。

二、理论研究

1、温度场计算

温度场计算理论较成熟，对于钢管混凝土柱，一般采用有限元法，包括ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件以及学者们自编的有限元软件，也有部分学者采用有限差分法，还有学者采用解析法或其他经验公式法。

2、结构构件抗火分析方法

（1）ANSYS、ABAQUS、DYNA3D等大型有限元软件

国外，Ding J， WangY C和 Hong Sangdo分别采用ANSYS和ABAQUS有限元软件对圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱抗火性能进行分析。

国内，查晓雄采用DYNA3D有限元软件对圆钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。王卫华运用ABAQUS对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析，计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变，计算结果与实验结果比较总体偏于安全。

（2）自编有限元程序

WangY.C采用其自编的有限元程序FIREFRAME对无侧移钢管混凝土柱的抗火性能进行分析，通过建立无侧移框架模型分析柱有效长度、轴力和弯矩等因素对其耐火极限的影响。

韩林海利用自编有限元程序计算分析钢管混凝土柱截面的温度场，分析火灾荷载比、材料强度、截面含钢率、截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对标准火灾下钢管混凝土柱的耐火极限和承载力的影响规律，理论结果与试验结果总体吻合。

东南大学韩金生根据Delphi和VF语言自编了数值计算有限元程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场，计算中考虑了水分、接触热阻和高温瞬态热应变的影响， 程序计算结果与试验结果符合得较好。

（3）纤维模型法

Lie TT和KodurV K R分别基于采用纤维模型法，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。该公式中考虑了火灾下作用在构件上荷载的大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响。

Yang Y F采用纤维模型法对火灾下中空夹层钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算，并提出了中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法。

三、尚需解决的问题：

1、材料热-力耦合本构关系

在火灾作用下，钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场，同时材料性能在高温下会不断恶化，其温度效应和结构效应是同时存在的。由于火灾下组合结构构件截面受火的不均匀性，其存在明显的截面应力重分布和构件间的内力重分布，同时已有的研究和火灾案例表明，结构可能在降温阶段破坏，此时结构受火时间较长，结构抗火分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变不能忽略，因此需建立考虑升、降温的多轴滞回应力状态下的高温热-力耦合材料本构关系。

2、基于整体性能和升降温全过程的结构抗火分析计算理论

钢管混凝土柱构件中的混凝土和钢管中存在相互作用，混凝土和钢材间存在粘结-滑移。因此，有必要建立考虑火灾高温对钢管与混凝土约束套箍作用的弱化、对钢与混凝土间粘结-滑移性能的弱化、甚至高温导致的钢与混凝土分离、考虑升降温全过程的抗火分析计算理论。

3、“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估

火灾下，钢管混凝土柱是结构的最不利位置之一，与地震作用下结构的最不利位置是一致的，因此结构抗火设计原则可以基于结构抗震中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则。故在结构抗火设计中提出“小火不坏、中火可修、大火不倒”的抗火设计原则，在火灾后评估工作中建立“小火维修、中火加固、大火重建”的结构评定准则及相应的火灾损伤指标评定体系，具有十分重要的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]韩林海，杨有福，霍静思.钢管混凝土柱火灾后剩余承载力的试验研究[J].工程力学，2001（6）：100～109.

[2]韩林海，贺军利，吴海江，韩庆发.圆形截面钢管混凝土柱耐火性能的试验研究[J].土木工程学报，2000，33（3）：31-36.

[3]韩林海，徐蕾，冯九斌，杨有福.钢管混凝土柱耐火极限和防火设计实用方法研究[J].土木工程学报，2002，35（6）：6-13.

[4]韩林海.钢管混凝土结构[M]北京：科学出版社，2000：290-334.

[5]杨有福，韩林海，冯九斌，徐蕾，经建生，杜兰萍.钢管混凝土柱防火保护层厚度实用计算方法研究[J].钢结构，2001，16（6）：39-42.

[6]韩林海，霍静思.火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究[J].土木工程学报，2002，35（4）：25-35.

钢管混凝土柱论文第6篇

关键词：钢管混凝土柱；平板；节点；钢管不连通；可行性

中图分类号：TU392.3

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2008）08-0171-04

1前言

钢管混凝土柱－平板结构日渐受到结构工程师的青睐，它既能发挥板柱结构在使用功能上的灵活性，又可以利用钢管混凝土柱在承重方面优异的力学性能，从而有着广泛的适应性，既适用于需要大空间的多高层建筑、商场、停车场等，又适用于荷载较重的工业厂房及仓库等，尤其对于高层建筑的地下室，在技术和经济上均是一个良好的选择。

现时国内外关于钢管混凝土柱－平板节点的研究不多，现有的板柱节点的思路均是保持钢管混凝土柱沿全高贯通成整体，楼盖平板只能从柱子侧面与其连接。主要依靠加强环板或连续钢筋来实现弯矩传递，而通过牛腿、抗剪销等钢构件进行剪力传递，节点构造较为复杂，而且对结构灵活布置的适应性较差。对预应力平板结构而言，还须在节点钢管上开洞，以保证一定数量的预应力筋正交穿过节点[1]，进一步加大了施工难度。

作者近年来对钢管混凝土柱节点进行了系列研究，并得出了一些有意义的成果[2~7]。作为该系列研究的一部分，本文根据约束混凝土的原理提出了一种新型钢管混凝土柱板节点型式，并通过试验论证了其可行性，初步探讨了其传力机理和力学性能。

2节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱－平板节点的基本构思

本文提出的节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱－平板节点，其思路是保持混凝土平板楼盖的连续性，各层楼盖在板柱交接处的板面和板底与钢管混凝土柱连接。为了避免节点区由于钢管不连通而受到削弱，在柱头附近局部加厚楼板形成柱托板，通过托板内的混凝土和环向钢筋约束节点核心混凝土，使其承载力达到或超过相应的钢管混凝土柱（如图1所示）。

该新型节点能很好地解决混凝土平板与钢管混凝土柱的连接问题。由于节点区内混凝土平板是连续的，弯矩与剪力的传递与普通钢筋混凝土结构无异。同时，楼盖荷载是直接施加于钢管和核心混凝土上的，对钢管混凝土而言这是理想的加载方式。另一方面，由于在节点区内柱身混凝土和楼盖混凝土均是连续的，传力路线明确，且节点的刚性容易得到保证。

不过，由于柱钢管在节点区内断开，最大的问题是节点的轴压承载力是否能达到甚至超过相应的钢管混凝土柱――这是关系到该种新型节点可行与否的关键性问题。本文将通过试验对这一问题进行研究。

3试验设计

钢管混凝土柱中钢管的主要作用是对核心混凝土提供约束，从而使其具有更高的强度和变形能力。这种约束通常用套箍指标θ（θ=faAa/fcAc）来衡量。对本文研究的新型板柱节点而言，由于在节点区内柱钢管不连通，这种约束力就主要靠托板混凝土和间接钢筋来提供。柱子的套箍指标θ越大，则托板需要提供的约束作用也越大。统计表明，工程上应用的钢管混凝土柱，其套箍指标θ在0.70～1.60之间。本次试验中，选取钢管混凝土柱的套箍指标θ＝1.83，期望验证即使在工程应用中选用套箍指标θ较大的钢管混凝土柱的情况下，本文提出的节点仍是安全的。

本次试验共包含6个试件（见图1），其中A1、A2节点高度不同，A2、A3构造方式不同（A3下柱钢管插入节点内76mm）。B1、B2、B3分别为A1、A2、A3的同条件对比试件，试件构造参数见表1。本次试验的所有试件均不设置楼板及其纵向钢筋，这是由于它们的存在对节点受力有利，工程应用上可作为安全储备。

钢管柱内及节点采用C25混凝土，柱钢管采用Q235无缝钢管，节点环筋采用HRB335级钢筋。

在试件节点区环筋以及钢管柱管壁上粘贴电阻应变片以量测其应变值(位置见图1)。本次试验加载装置采用华南理工大学结构试验室CSS-254型15000kN大型压力试验机，试件受力简图如图2所示。

4试验结果分析

4.1节点区的破坏过程及特点

本试验中各试件节点区裂缝发展情况类似，其典型例子如图3所示（试件B2）。

试验中各节点均未达到极限承载力，其破坏过程中的一些共同特征可归纳如下：在一定荷载下，节点的顶面首先出现放射状裂缝，并迅速延伸至侧面形成竖向裂缝。随着荷载的增加，裂缝逐步延伸和扩展，同时新裂缝不断增加。荷载加至某一数值后，节点顶面和侧面相继出现环向裂缝，环向裂缝出现后发展较为迅速。另外，试件A3、B3的节点下表面几乎没有可见的裂缝，表面完整度明显好于节点上表面，这说明柱钢管插入节点区内对节点受力有利。

4.2节点与钢管混凝土柱承载力比较

各试件在试验中的荷载情况如表2所示。由表中可看到：

4.2.1本试验中6个试件的钢管混凝土柱均先于节点屈服，至试验结束时，所有钢管混凝土柱均达到极限承载力而发生破坏，而节点则尚未达到极限承载力。由于本次试验采用的钢管混凝土柱的套箍指标较高（θ=1.83），高于工程上应用的一般水平（θ=0.7～1.6），所以可以认为本节点型式在工程上的应用是可行的。

4.2.2本次试验中节点最大裂缝宽度0.2mm时的荷载与钢管混凝土柱的屈服荷载相近，由于规范对正常使用状态的安全度要求低于极限状态，这一结果显然已可满足正常使用极限状态的要求。

4.2.3件A1、B1与A2、B2比较，节点高度较小，而轴压屈服承载力越高。虽然前者环筋配筋率略高，但通过与试件A3、B3比较可知其对试验结果影响不大。因此，在其他因素相同的情况下，节点高度越小，轴压承载力越高。

4.2.4下柱钢管插入节点内一定距离的构造方式（A3、B3与A2、B2比较）可以提高节点轴压屈服承载力。其原因是这种构造方式令到两钢管间的距离更近，相当于减小了节点的高度。

4.2.5从表中还可看出，A1、B1与A3、B3的轴压承载力相近，故在计算A3、B3的节点轴压承载力时，节点高度可取上下两段钢管间的净距离。在实际工程中这种构造方式还有一个优点，就是可以将下柱钢管伸至楼板底部，从而可充分利用节点周围楼板的约束作用。

4.3 节点环筋应变特点

4.3.1同层环筋应变比较

图4为试件A1中同一层环筋上的1#、3#、5#测点的荷载-应变曲线（其它试件的情况类似）。由图可见，同层各环筋的应变由内圈向外圈逐渐减少。

4.3.2沿竖向各环筋应变比较

图5为试件B2节点区从上而下第一层（实线）和第二层（虚线）中各圈环筋的荷载-应变曲线。由图可见，沿竖向各环筋应变从第一层到第二层有增大的趋势，即图4 试件A1同层环筋应变比较沿竖向各环筋的应变从节点区中央向上下两端逐渐减小。

采用和图5类似的表现方法，下柱钢管插入节点区内的试件B3沿竖向各环筋的应变分布特点如图6所示。由于第一、二层环筋分别分布于节点内钢管的上下断口附近，沿竖向这两层环筋的应变相近；而第三层环筋处于节点内钢管连续区域之内，其应变明显小于同圈的第一、二层环筋。即沿竖直方向节点内钢管断开区域范围内的环筋应变比钢管连续范围内的环筋应变要大。

由图7可见，在相同的荷载下，试件A3各环筋的应变均比A2同位置环筋的应变要小。也就是说，在轴向压力作用下，试件A2将比A3更早达到屈服。

5结语

本文详细论述了作者所提出的节点区柱钢管不连通式板柱节点前期试验研究的情况，并对试验结果进行了讨论，得出以下结论：

5.1节点区内柱钢管不连通，而通过托板混凝土和环向钢筋形成约束混凝土的板柱节点在工程应用中是可行的。试验中所有试件的破坏都是由于钢管混凝土柱抗压承载力不足而发生，破坏时节点核心区混凝土仍未达到其抗压强度。

5.2从本次试验中节点最大裂缝宽度为0.2mm时的荷载与钢管混凝土柱的屈服荷载比较来看，可满足正常使用状态要求。

5.3在其他因素相同的情况下，节点高度越小，轴压承载力越高。

5.4下柱钢管插入节点内一定距离的构造方式可以提高节点的轴压承载力。这种节点在计算其轴压承载力时，节点高度可取上下两段钢管之间的净距离。

5.5在横向上，托板内环筋的应变由内圈到外圈逐渐减小。

5.6在竖向上，若下柱钢管不插入节点区内，则托板内环筋的应变从节点区中央向上下两端逐渐减小；若下柱钢管插入节点区内，则在钢管断开区域范围内的环筋应变比钢管连续范围内的环筋应变要大。

参考文献：

[1] 建设部.无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ/T92-93).中国计划出版社，1994.

[2] 蔡健，黄泰，苏恒强. 新型钢管混凝土中柱劲性环梁式节点的设计方法初探[J]. 土木工程学报，2002(1):6~10.

[3] 蔡健，黄泰. 钢管混凝土柱节点的应用现状和存在问题[J].建筑结构，2001,31(7):8-10.

[4] 蔡健，杨春等. 穿心钢筋暗牛腿式钢管混凝土柱节点的试验研究[J]. 工业建筑，2000(3):61~64.

[5] 蔡健，杨春等.对穿暗牛腿式钢管混凝土柱节点试验研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2000,28(5):105~109.

[6] 陈庆军，蔡健，林瑶明等. 柱钢管不直通的新型钢管混凝土柱-梁节点(Ⅰ) -轴压下采用钢筋网加强钢管不直通的节点区的性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2002,30(9):91~95.

钢管混凝土柱论文第7篇

论文关键词：方钢管混凝土柱,长细比,有限元

1 引言

方钢管混凝土的研究开展的较晚，各方面的理论还不够成熟和完善，以往的研究主要集中在试验研究上，本文采用有限元分析对方钢管混凝土柱的设计和施工提出合理建议，克服试验的不足。考虑到钢管混凝土是由钢管和混凝土两种不同材料所组成，混凝土和钢管之间有相对滑移，引入一种能反映钢管和混凝土两者间界面性能的单元----粘结单元，它能比较真实地反映方钢管混凝土柱的受力性能。

2 有限元模型的建立

本文模拟框架结构中间层的中柱，截取了方钢管混凝土柱从梁顶面到柱反弯点处的部分为研究对象。为了深入分析钢管混凝土柱的受力性能，充分考虑我国有关规范的规定，依据常见的工程实例设计了4个试件，采用大型商用有限元软件ANSYS对其受力性能进行了非线性有限元模拟。

2.1模型的几何尺寸

为了研究长细比对方钢管混凝土柱的受力性能影响，以BASE试件为基础，设计了ZG系列试件，详细尺寸见表1。

表1 试件尺寸明细表

 

试件名称

柱宽度

（mm）

柱高度

（mm）

管壁厚度（mm）

混凝土强

度等级

轴压比

钢 材

牌 号

ZG-1

500

1650

16

C50

0.5

Q345

BASE

500

1800

16

C50

0.5

Q345

ZG-2

500

1950

16

C50

0.5

Q345

ZG-3

500

2100

16

C50

钢管混凝土柱论文第8篇

关键词：方钢管混凝土 节点

引言

工程实践表明，钢管混凝结构是一种抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外形美观和造价经济的结构。现代钢管混凝土结构的广泛应用，代替了传统的在高层结构中采用普通钢筋混凝土结构，并且避免了采用普通混凝土结构造成的“肥梁胖柱”、浪费使用空间、不美观又不经济等现象[1]。

1.钢管混凝土研究现状

方钢管混凝土结构是钢管混凝土结构的一个重要分支，1964～1965年，Chapman和Neogi对圆形、矩形、方形截面钢管混凝土柱进行了较为全面的对比实验研究，标志着对方钢管混凝土应用研究的开始。方钢管混凝土结构是在钢管内填充素混凝土，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，内填混凝土有效地提高了钢管的局部稳定性和抗火能力，而钢管对内填混凝土的约束作用又使其强度提高、塑性和韧性性能大为改善，充分发挥了两种材料的优点和潜力，可使构件截面减小，承载力提高，整体重量减轻，钢管壁板不需太厚，可大量使用国产钢材实现工厂化生产；能够大幅度节约钢材和基础费用，降低结构造价；因施工中可省去大量支模板的工作，工期可缩短1/4～1/3；环境污染小；由于柱子截面的减小，可使使用面积增加5～8%。方钢管混凝土构件外形规则，连接构造相对简单，双向受力性能较好，抗扭能力强，具有良好的经济和社会效益[2]。以方矩形钢管混凝土柱－钢梁组成的框架结构，是一种具有巨大的开发与应用前景的新型房屋体系，经国内外学者多年研究，已取得丰硕成果。

2.钢管混凝土柱节点研究

由于节点是诸多构件的力流交汇之处，节点的受力模式较之于一般构件更为复杂，特别是在地震作用下的节点受力尤为复杂，又由于节点联系着多个构件，其失效的后果比起一般的构件更为严重，因此，在工程实践中，对节点的性能应格外重视。随着钢管混凝土柱越来越多的被应用于多高层建筑，到了上个世纪90年代，由于工程应用的需要，日本率先开始方钢管混凝土柱与钢梁节点的受力性能和连接构造研究，并以日、美等国为代表的发达国家，于1993成立了“美－日地震工程合作研究计划：组合与杂交结构”组织，对钢－混凝土组合结构进行了有计划、有组织地跨国研究，其内容包括各种组织结构、构件、不同构造节点等的承载能力和抗震性能研究，取得了丰硕的成果，现正在向纵深发展。特别是在1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震后，世界各国开始对钢结构、钢混凝土组合结构的连接进行了大量的研究，并定期在国际范围进行专题讨论交流，为各国制订相关规范和工程应用起了重要作用。在这种国际环境下，我国也结合工程应用开始了较大规模的钢管混凝土节点的研究，其中，以圆钢管混凝土柱节点的研究较多，而方矩形钢管混凝土柱节点的研究相对较少。

3.方钢管混凝土柱节点研究

方钢管混凝土柱节点根据应用的不同也分为“方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点”和“方钢管混凝土柱－钢梁节点”两大类，随着工程应用的发展，近年又出现了一些“方钢管混凝土柱与钢－混凝土组合梁节点”。方钢管混凝土柱外表相对规则，其连接构造也比较简单，但由于应用与研究较少，目前这类已开发的构造形式和研究成果远比圆钢管混凝土节点少。

3.1方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点

方钢管混凝土柱配合钢筋混凝土梁板体系在我国也存在较大的应用前景。环梁－钢承重销式连接、穿筋式连接是我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的两种连。环梁－钢承重销式连接在钢管外壁焊半穿心牛腿，柱外设八角形钢筋混凝土环梁，梁端纵筋锚入钢筋混凝土环梁传递弯矩；穿筋式连接为在柱外设矩形钢筋混凝土环梁，在钢管外壁焊水平肋钢筋（或水平肋板），通过环梁和肋钢筋（或肋板）传递梁端剪力，框架梁纵筋通过预留孔穿越钢管传递弯矩。

3.2方钢管混凝土柱－钢梁节点

我国矩形钢管混凝土结构技术规程推荐了四种连接形式：带短梁内隔板式梁柱连接、外伸内隔板式梁柱连接、外隔板式梁柱连接、内隔板式梁柱连接。带短梁内隔板式梁柱连接，为矩形钢管内设隔板，柱外预焊短钢梁，钢梁的翼缘与柱边预设短钢梁的的翼缘焊接，钢梁的腹板与短钢梁的腹板用双夹板高强度螺栓摩擦型连接； 外伸内隔板式梁柱连接，为矩形钢管内设隔板，隔板贯通钢管壁，钢管与隔板焊接，钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接，钢梁翼缘与外伸的内隔板焊接；内隔板式梁柱连接，为钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接，矩形钢管混凝土柱内设隔板，钢梁翼缘与柱钢管壁焊接；外隔板式连接为钢梁腹板与柱外预设的连接件采用摩擦型高强度螺栓连接，柱外设水平外隔板，钢梁翼缘与外隔板焊接。这些钢管混凝土柱－钢梁的节点形式构造简单、整体性好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便。

参考文献:

[1]谢晓栋, 杨娜, 杨庆山. 钢结构翼缘削弱型节点的参数分析[J]. 钢结构，2004，19(4)：50-64.

钢管混凝土柱论文第9篇

关键词：钢管混凝土结构建筑工程特征应用前景

中图分类号：TV331文献标识码： A

经过近半个世纪的发展, 钢管混凝土的研究在我国日趋完善和深入。特别是近20 年, 不断地取得了很多杰出的成果, 在构件性能和理论研究方面已经达到了国际领先水平。同时在工程应用方面也做出了突出的贡献。

一、关于钢管混凝土结构的特征分析

1.施工方便快捷。钢管混凝土柱由于零件少, 焊缝少, 构造简单, 同时构件自重轻, 运输和吊装容易, 可以采用“逆作法”或“半逆作法”施工工艺, 因而施工方便快捷。与钢筋混凝土柱相比, 没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序, 施工简单；钢管内无钢筋, 混凝土浇灌、振捣容易。在管柱下部开临时浇灌孔, 用泵送顶升法自下而上灌注混凝土, 既方便快捷又容易保证浇灌质量。而且在浇筑后钢管内处于相当稳定的湿度条件, 水分不易蒸发,省去了浇水养护。我国创造并广泛使用的高位抛落免振捣混凝土施工方法,更是简化了现场浇灌混凝土的工序, 方便了施工。

2.耐火性能和火灾后性能好。钢管内所灌混凝土相对钢材具有较大的热容量, 能吸收大量的热量。在遭受火灾时, 外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 仍具有一定的承载力, 因而增加了柱子的耐火时间, 相对钢结构可以大量节约防火涂料。此外, 火灾后, 随着外界温度的降低, 已屈服钢管的强度可以得到一定程度的恢复, 截面的力学性能相对高温下有所改善, 因而钢管混凝土具有良好的火灾后性能。这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境, 也可减少补强工作量, 降低维护费用。

二、关于钢管混凝土结构在建筑工程中的应用分析

1.钢管混凝土在拱桥中的应用。将钢管混凝土用于拱桥, 符合拱桥设计中要求材料高强、拱圈无支架施工及轻型化的发展方向. 我国采用钢管混凝土拱桥是从上个世纪80年代开始的, 某县东河大桥是采用钢管混凝土拱肋的公路拱桥, 净跨度为115m, 为下承式拱。近十几年以来, 钢管混凝土拱桥在我国公路和城市桥梁中发展十分迅速。钢管混凝土拱桥一般分为两类, 一种是将钢管混凝土直接用作拱桥结构的主要受力部分, 同时也作为结构施工时的劲性骨架, 截面设计由前者控制；另一种是先将钢管用于施工时的劲性骨架, 然后再内灌混凝土并与外包混凝同形成断面, 钢管混凝土参与拱桥建成后的受力、截面设计以及施工阶段控制。直接以钢管混凝土为劲性骨架的最大跨度拱桥是万县长江大桥, 跨度420m, 也是世界上目前跨度最大的拱桥。

2.钢管混凝土在高层建筑中的应用。钢管混凝土用于高层建筑的柱结构和抗侧力体系, 可使构件截面减小, 节约建筑材料, 增加使用空间, 且构件自重减轻, 从而可减小基础的负担和造价。同时, 钢管混凝土抗震性能好, 耐火性能优于钢结构, 相对于钢结构可降低防火造价。由于钢管混凝土中的钢管可作为施工期间的支架, 从而可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法, 大大加快施工速度, 降低施工费用。我国自上个世纪90年代初开始将钢管混凝土应用于高层建筑。全部或部分采用钢管混凝土的高层建筑已有近100幢.我国钢管混凝土应用于超高层建筑中规模最大的是某广场, 共40层, 地上部分高200.6m,建筑面积共15. 5万m2。该建筑的柱结构及抗侧力体系的内筒全部采用了钢管混凝土柱。该工程的设计、制造和施工为高层超高层建筑中采用钢管混凝土积累了宝贵的经验, 并为继续发展和推广这一新结构体系,以代替传统的钢结构奠定了基础。国外的钢管混凝土超高层建筑发展也很快。已经完成设计的日本东京Shimizu超高层建筑, 总计121层, 总高550m, 采用矩形截面钢管混凝土柱, 压型钢板-轻型混凝土组合楼盖体系。

三、关于钢管混凝土结构存在的问题和发展前景

1.国内外对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段, 且大都只能从滞回性能定性的得出钢管混凝土抗震性能好的结论, 缺乏相应的理论推导, 尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。由于钢管混凝土柱延性好、

抗震性能优良, 对由钢管混凝土柱和钢筋混凝土横梁组成的框架结构, 在设计中其抗震等级的划分和计算参数的选取暂按钢筋混凝土结构的有关规定执行, 显然偏于保守, 弹性和塑性层间位移角限制的选取也值得商榷。对结构进入弹塑性后的动力性能( 如阻尼比等的变化规律) 、结构的耐疲劳性能、钢骨- 钢管混凝土组合柱的动力性能及基于性能的钢管混凝土抗震设计方法等的研究更是几乎没有。

2.构件及节点制造缺乏标准化和定型化。钢管混凝土柱节点类型多样, 性能各异, 且管柱都是先在钢结构制造工厂定制, 然后运到工地直接拼装。构件及节点的标准化和定型化可以大大提高其生产效率, 更加充分地发挥钢管混凝土的经济效果, 并且能改善构件制造的质量。

3.残余应力和初应力的影响。实际结构中使用的钢管往往由钢板焊接而成, 焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大, 当管壁较薄时更为突出。且在施工中, 内填混凝土浇注前钢管也有相当的初应力。关于残余应力和初应力对

结构性能影响方面的研究尚不够深入和系统。

结束语

近些年来钢管混凝土结构无论在科研还是工程应用方面都取得了很大的发展. 在科研方面, 科研人员对钢管混凝土构件的力学性能及钢管混凝土的耐火性能进行了较深入的研究, 已取得大量有实用意义的成果, 而且许多都应用在最新规程的编制和工程实践当中；工程应用方面, 在大跨度拱桥结构和高层、超高层建筑中都得到愈来愈广泛的应用。

参考文献：

[1]韩林海. 钢管混凝土结构--理论与实践[M] .北京: 科学出版社, 2009.

[2]李盛勇等. 广州合景大厦圆钢管混凝土柱与钢支撑框架组合结构设计[J] . 建筑结构, 2008, 36( 8) .