钢管初应力对钢管混凝土压弯构件力学性能的影响研究.pdf

摘要随着钢管混凝土的理论研究不断深入 和完善， 钢管混凝土结构在我国 的应 用己 经越来越广泛 在多层或高 层钢管混 凝土结构的实际工程中， 一般都是先 安装空 钢管， 在安 装施工完 若干楼层结构后，再向 管内 浇灌混凝土因 此， 就 出 现了 在钢管和混凝土 共同 受荷前， 空钢管 就预先 承受纵向压力( 包括自 重、 施 工荷载等) ， 在钢管中 产生了 初应力 钢管初应力对钢管 混凝土工作性能的 影响 已 成为工程界关心的 热点问 题之一本文具体进行了以 下几个方面的工作: I 建立了 考虑钢管初 应力影响时钢管混凝土构 件荷载一 变形全过程关系曲 线的数值分析模型; 2 进行了1 4 个有或无初应力的方钢管混凝土构件的 试验研究，理论计算结果与试验结果吻合良好; 3 分析了长细比、 截面 含钢率、 钢材屈服强度、 混凝土强度、 荷载偏心率和 初应力系 数等因 素的 影响; 4 提出了 考虑钢管初应力影响时钢管混凝土构件承载力实用验算公式关 键 词 : 钢 管 混 彩 应 力 .}燕 续 系 :‘ / - 荷载 变形关系曲线;钢 va } j7. } : 钢 管 初 应 力 ! 7 ;承载力侧 厂Ab s t r a c tAb s t r a c tC o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b u l a r ( C F S T ) c o l u m n s h a v e b e t t e r s t r u c t u r a l p e r f o r m a n c e t h a n t h a t o f b a r e s t e e l o r r e i n f o r c e c o n c r e t e . T h e u s e o f C F S T s t r u c t u r e h a s b e c o mew i d e s p r e a d i n t h e p a s t f e w d e c a d e s .I n p r a c t i c e , f ir s t l y h o l l o w s t e e l t u b e s a r e f i x e d c o m m o n l y ， c o n c r e t e i n s t e e l t u b e s i s c a s t e d s e c o n d l y . S o , t h e a c t u a l s t a t e o f c o n c r e t e ·f i l l e d s t e e l t u b e o n l o a d i s a l w a y s t h a t t h e r e i s p r e - s t r e s s i n s t e e l t u b e .T h e s e m e m b e r s a r e s u s c e p t i b l e t o t h e e f f e c t s o f p r e - s t r e s s i n t h e s t e e l t u b e d u e t o c o n s t r u c t i o n l o a d . T h e i n fl u e n c e o f p r e - s t r e s s h a s b e c a m e o n e o f h o t s p o t p r o b l e m s c a r e d i n e n g i n e e r i n g c i r c l e s . I n t h i s p a p e r : 1 . A m e c h a n i c s m o d e l f o r t h e l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p c u r v e s c o n s i d e r e dp r e - s t r e s s i n t h e s t e e l t u b e o f t h e C F S T c o l u m n s a n d b e a m - c o l u m n s w a se s t a b l i s h e d . 2 . A n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n 1 4 s q u a r e C F S T m e m b e r s w i t h a n d w i t h o u t p r e - s t r e s si n s t e e l t u b e w a s c a r r i e d o u t . A c o m p a r i s o n o f r e s u l t s c a l c u l a t e d u s in g t h i s m o d e ls h o w s g o o d a g r e e m e n t w i t h t e s t r e s u l t s . 3 . B a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l m o d e l , e ff e c t s o f i n fl u e n c e o f s l e n d e rne s s r a t i o , t h ec h a n g i n g s t e e l r a t i o , s t r e n g t h o f t h e s t e e l a n d t h e c o n c r e t e , l o a d e c c e n t r i c it y r a t i oa s w e l l a s p r e - s t r e s s c o e ff i c i e n t o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e m e m b e r sc o n s i d e r i n g i n fl u e n c e o f p r e - s t r e s s i n s t e e l t u b e w a s d i s c u s s e d . 4 . A k i n d o f s i m p l i f i e d m o d e l o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n s o f c i r c u l a r a n ds q u a r e C F S T b e a m - c o l u m n s w i t h p r e - s t r e s s e ff e c t s c o n s i d e r e d w a s s u g g e s t e d .K e y w o r d s : c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e ( C F S T ) ; r e l a t i o n s h i p o f s t r e s s a n d s t r a i n l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p ; p r e - s t r e s s ; p r e - s t r e s s c o e ff i c i e n t ;b e a r i n g c a p a c i t y1 1------~----咨兽驻擎理物理量名称及符号表钢管混凝土构件中混凝土承担的轴压力 钢管混凝土构件轴压稳定承载 力 钢管混凝土构件承载力试验值 钢管混凝土构件承载力计算值构件中钢承担的轴压力轴心受压构件强度承载力钢管管壁厚度 构件中截面挠度 构件截面抗弯模量 构件截面含钢率 ( a = A S / A c ) 初应力系数 抗弯承载力计算系数 构件长细比 约 束 效 应 系 数 ( } = a f y / f c k ) 轴心受压构件稳定系数 曲率 材料应力 混凝土的纵向应力 钢材的纵向应力 材料应变 受弯构件中截面形心处应变 混凝土的纵向应变 钢材的纵向应变NcNcNe玛NsNu钢管截面面积 核心混凝土截面面积 钢管混凝土截面面积 方钢管混凝土截面外边长 圆钢管混凝土截面外直径 荷载偏心距 钢材弹性模量 混凝土弹性模量 钢管混凝土轴压弹性模量 钢管混凝土轴压切线模量 钢管混凝土轴压强化模量 混凝土抗压强度标准值C = 0 .6 7 f } u ) 混凝土立方试块强度 钢材比例极限 钢管混凝土抗压屈服极限 钢材抗拉强度极限 钢材屈服极限 初应力对承载力影响系数 钢管混凝土构件计算长度 弯矩 内弯矩 钢管混凝土抗弯承载力 轴向压力 内轴力ru m 叽c maAsAcAscBD“EsEcEscEscEsc几刀场兄切.劝班b氏氏‘句旬旬几寿忘儿人‘。

M硫MuNNin钢管初应力对钢管混凝土压弯构件力学性能的影响研究第 1 章绪论1 . 1钢管混凝土的特点及发展概况1 . 1 . 1钢管混凝土的 特点简述钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件 通常不再配钢筋，只 在极少数情况:柱子承受特别大的压力或格构式时压力小而弯矩较大、有可能 出现向上拔力等时，管内需另外配置纵向钢筋和箍筋按截面形式不同，分为 圆形截面钢管混凝土、方形截面钢管混凝土和多边形钢管混凝土等本文的研 究对象是实际工程中常用的圆形截面钢管混凝土( 以下简称圆钢管混凝土) 与方 形截面钢管混凝土( 以下简称方钢管混凝土) 结构，且管内浇灌素混凝土，不再 配钢筋的情况此外，钢管混凝土构件采用的钢管应满足现行 《 钢结构设计规 范》对保证钢管局部稳定的要求实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式:一 是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力;二是外加荷载仅作 用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束 混凝土柱[[ 1 ,2 ,3 ]钢管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，即钢管 对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得 以提高，塑性和韧性性能大为改善。

同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓 钢管发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥;另外，在钢管混凝 土的施工过程中，钢管还可以作为浇注其核心混凝土的模板，与钢筋混凝土相 比，采用钢管混凝土可节省模板费用，加快施工速度总之，通过钢管和混凝 土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分 发挥两者的优点，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在因此，钢管混凝 土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便、耐火性能较好以及 经济效果好等优点[ 1 ,2 ]钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件福州大学硕士学位论文的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于单层 和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、 送变电杆 塔、 析架压杆、桩、空间结构、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，取得了良 好的 经济 效果 和建筑效果D ,2 1 大量工 程实际 表明: 采用钢管混凝土的 承 压构 件 比普通钢筋混凝土承压构件约可节约混凝土5 0 %，减轻结构自 重5 0 % 左右，钢 材用量略高或约略相等;和钢结构相比，可节约钢材5 0 % 左右。

方钢管混凝土对其核心混凝土的约束作用不如圆钢管混凝土显著，因而方 钢管混凝土在强度和塑性提高方面不如圆钢管混凝土那样突出，但方钢管混凝 土可以 有效提高构件的延性，梁柱结点。