鋼管混凝土組合構件

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　　【摘 要】與普通混凝土和鋼結構相比，鋼管混凝土在承載能力、抗震性能、耐火性能以及施工方面都具有明顯優勢。鋼管混凝土軸壓承載力計算有3種：1、鋼管和核心混凝土共同承擔荷載，但不考慮相互影響；2、鋼管和核心混凝土共同承擔荷載，考慮相互影響；3、鋼管內核心混凝土在鋼管側向壓力的環箍作用下，處于三向受壓應力狀態，提高了混凝土軸向承載力，且從脆性破壞轉變成塑性破壞。
　　【關鍵詞】鋼管混凝土；承載力
　　
　　鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成、且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的結構構件。根據鋼管截面形式不同，可分為圓鋼管混凝土，方、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。一般的，我們把混凝土強度等級在C50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強度等級在C50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強混凝土；混凝土強度等級在C100以上的鋼管混凝土稱為鋼管超高強混凝土。
　　混凝土的抗壓強度高，但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結構上能夠將兩者的優點結合在一起，可使混凝土處于側向受壓狀態，其抗壓強度可成倍提高；同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發揮作用，從而大大地提高了承載能力。
　　鋼管混凝土作為一種新型的組合結構，主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓構件為主，被廣泛使用于框架結構中(如廠房和高層建筑物)。鋼管混凝土結構的迅速發展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現為以下幾個方面：
　　1 承載力高、延性好、抗震性能好
　　鋼管混凝土柱中，鋼管對其內部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態，提高了混凝土的抗壓強度；鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發生局部屈曲。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，構件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，具有優越的抗震性能。
　　2 施工方便、工期縮短
　　鋼管混凝土結構施工時，鋼管可以做為骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量，施工不受混凝土養護時間的影響；鋼管混凝土結構施工時，不需要模板，既節省了支模、拆模的材料和人工費用，也節省了時間。在澆筑后，鋼管內處于相當穩定的濕度條件，水分不易蒸發，省去澆水養護工序，簡化了混凝土的養護工藝。
　　3 利于鋼管的防火
　　由于鋼管內填有混凝土，能吸收大量的熱能，因此遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時間，減慢鋼柱的升溫速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結構倒塌。組合梁的耐火能力也會提高，因為鋼梁的溫度會從頂部翼緣把熱量傳遞給混凝土而降低。經實驗統計數據表明:達到一級耐火3小時要求和鋼柱相比可節約防火涂料1/3一2/3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節約涂料也越多。但由于外部鋼材缺少混凝土保護，相當鋼筋混凝土而言，耐火性能大大下降。
　　4 耐腐蝕性能優于鋼結構
　　鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結構少得多，抗腐和防腐所需費用也比鋼結構節省。
　　鋼管混凝土構件的截面形式對鋼管混凝土結構的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構件借助于圓鋼管對其內部混凝土有效的約束作用，使鋼管內部的混凝土處于三向受壓狀態，使混凝土具有更高的抗壓強度。但是圓鋼管混凝土結構的施工難度大，施工成本較高。相比之下，方鋼管混凝土結構的施工較為方便，但鋼管混凝土受到的約束作用較小，結構的承載力較低。
　　對鋼管混凝土柱，一般長細比（λ=4LO/D）小于12∽16的柱為短柱。在實際結構中，鋼管高強混凝土軸壓柱的長細比超過20，因而構件的承載力取決于穩定性。鋼管混凝土長柱承載力的計算時考慮初始缺陷的影響，在短柱界限承載力計算的基礎上乘以一個穩定系數φ。我國現行鋼結構設計規范對鋼結構軸心受壓構件承載力的計算，是考慮桿長千分之一的初始撓度，計入殘余應力的影響，按照壓彎構件用最大強度理論來確定鋼構件的臨界力。
　　國外鋼管混凝土的設計規范主要參考文獻一∽文獻三，我國的鋼管混凝土相關規范參考文獻四∽文獻七。一些規范對圓鋼管截面和方鋼管或矩形鋼管截面進行了區分。鋼管混凝土構件承載力的計算大都采用極限狀態設計。構件剛度的計算采用換算剛度法。強度和剛度的設計公式中，考慮混凝土和鋼管的貢獻都應用疊加法。我國相關規范在圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算中都計入鋼管套箍系數。柱軸心受壓承載力采用穩定折減系數。
　　4.1 短柱極限承載力計算公式
　　短柱承載力又稱為壓潰荷載，是鋼管混凝土各材料達到強度極限的承載力指標。
　　文獻一：方鋼混凝土短柱軸壓承載力：
　　
　　其中：
　　 鋼管的截面面積
　　 混凝土的截面面積
　　 鋼筋的截面面積
　　 鋼管的抗壓屈服強度標準值
　　 混凝土的軸心抗壓強度標準值
　　 鋼筋的抗壓屈服強度標準值
　　 鋼管的材料分項系數
　　 混凝土的材料分項系數
　　 鋼筋的材料分項系數
　　圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力
　　
　　其中：-考慮緊箍效應系數
　　 鋼管的厚度
　　 鋼管的直徑
　　為防止鋼管局部屈曲，寬厚比應滿足：
　　
　　文獻二：美國鋼結構協會的設計規程：將混凝土強度折算到鋼材中，寬厚比小于限值時，可認為不發生局部屈曲，鋼管混凝土軸壓承載力：
　　
　　其中： 鋼管的截面面積
　　 相對長細比
　　 鋼材修正屈服強度
　　文獻三：采用疊加原理，填充混凝土和鋼管兩部分的承載力疊加作為鋼管混凝土構件的承載力。
　　圓鋼管混凝土短柱在計算其承載力時，考慮鋼管和混凝土之間的約束效應而引入承載力提高系數，承載力計算：
　　
　　其中： 應力上升系數，取 0.27
　　 鋼材的強度標準值，取
　　 混凝土的圓柱體抗壓強度
　　矩形鋼管混凝土短柱：不計鋼管和混凝土之間的約束作用，承載力計算：
　　
　　文獻四：認為圓鋼管對核心混凝土的約束作用與螺旋箍筋的約束作用類似。圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力：
　　
　　其中： ―套箍系數，且
　　 鋼管設計屈服強度
　　 混凝土軸心抗壓強度
　　文獻五：主要針對矩形鋼管混凝土，短柱承載力計算：
　　
　　其中： -無地震作用組合時，取其等于結構重要性系數；
　　有地震作用組合時，取其為承載力抗震調整系數。
　　文獻六：把鋼管和混凝土認為是統一的組合材料，通過試驗回歸得到組合材料的性能指標，采用構件整體幾何特性和鋼管混凝土的組合材料性能指標計算構件的承載力。圓鋼管混凝土短柱的承載力 通過套箍系數（ ）計入鋼管和混凝土之間的相互作用。承載力計算：
　　
　　其中：組合構件橫截面面積
　　組合軸壓強度設計值
　　文獻七：采用套箍系數（ ）計入鋼管和混凝土之間的相互作用，矩形鋼管混凝土構件的承載力 為:
　　
　　其中： 組合構件橫截面面積
　　組合軸壓強度設計值
　　以上即為國內外鋼管混凝土主要規范給出的短柱軸壓承載力計算公式。計算鋼管混凝土柱軸心受壓承載力時，應考慮柱的長細比以及柱端約束情況。一般采用長細比參數通過柱的穩定設計曲線進行計算。
　　4.2 壓彎構件承載力計算公式
　　偏心軸壓荷載作用下，柱為壓彎構件。
　　文獻一：鋼管混凝土柱設計表達為軸力與彎矩相關曲線，軸力與彎矩應分別滿足：
　　
　　其中：穩定承載力系數
　　壓桿歐拉臨界承載力
　　由相關曲線確定
　　純彎時的極限承載力
　　文獻二：鋼管混凝土柱軸力和彎矩相關方程由純鋼柱的壓彎相關方程變換得到，兩者在形式上完全一致。組合截面的幾何特征仍僅考慮外層鋼管部分，而剛度和強度則要考慮管內混凝土的影響。軸力和彎矩共同作用下構件的相關曲線用一條直線代替。實際公式中要分別考慮小軸力和大軸力兩種情況，小軸力作用下，公式中與軸力有關的一項要減?。淮筝S力作用下，公式中與彎矩有關的一項要略微減小。
　　
　　
　　其中： 取0.85
　　 取0.9
　　 軸壓強度的極限
　　 抗彎強度的極限
　　 名義軸向抗壓強度
　　我國規范CECS28:90（1992）方法：引入考慮偏心率影響的承載力折減系數 計算壓彎構件承載力：
　　
　　
　　其中：柱端軸向壓力對構件截面重心的偏心距
　　 鋼管的內半徑
　　我國規范CECS159:2004方法：將矩形鋼管混凝土構件在壓彎作用下的相關曲線簡化成一條折線，構件承受的軸力和彎矩應滿足：
　　
　　 同時應滿足 且
　　
　　其中： -混凝土工作承擔系數
　　 鋼管的凈截面面積
　　 管內混凝土受壓區高度
　　 凈截面受彎承載力設計值（只有彎矩作用時）
　　
　　
　　參考文獻：
　　[1]鋼管混凝土設計與施工規程CECS28:29-1990 [S].北京,中國計劃出版社,1992
　　[2]矩形鋼管混凝土結構技術規程CECS159:2004 [S].北京, 中國計劃出版社,2004
　　[3]陳忠漢.組合結構[M].北京,中國建筑工業出版社,2009
　　[4]張向榮.鋼管混凝土結構在高層建筑中的應用現狀及發展[B].中外建筑,2007
　　作者簡介：
　　樸紅梅 女 高級工程師，1972年12月4日出生，1994年畢業于沈陽建筑工程學院工業與民用建筑專業

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