钢管混凝土柱受力性能分析

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1、http://www.paper.edu.cn钢管混凝土柱受力性能分析李海锋河海大学土木工程学院，南京（210098）E-mail：lihai_feng@126.com摘要：本文分析了钢管混凝土结构的基本力学性能找出了此结构形式承载力高的原因，并用算例比较了钢管混凝土结构与普通混凝土结构的差异，得出了一些结论并对工程建设提出了几点建议。关键词：钢管混凝土结构；承载力；受压中图分类号：TU171.前言近年来由于钢管混凝土结构承载力高，塑性和韧性好，经济效果显著和施工快速方便等[1]优点而越来越受到工程界的重视。在我国钢管混凝土结构主要应用于单层和多层工业厂房柱，高炉和锅炉构造柱，各种设备

2、支架柱以及送变电杆塔结构等，近年来随着工程技术水平提高已被广泛应用于桥梁和多，高层建筑中，取得了很好的经济效益。钢管混凝土结构与钢结构相比在不增加或少许增加结构自重条件下，可大幅节省钢材；与混凝土结构相比，可大幅减轻结构自重，空钢管骨架的吊装重量大为减轻，不需模板和钢筋，施工大为简化。在高层建筑中采用钢管混凝土结构可发挥它的抗压和抗剪性能好，承载力高，抗震性能优越，延性好，控制构件长细比后可以不限制轴压比，并能充分发挥高强混凝土的承载力防止其脆性[2]破坏等一系列优点。多年来的研究表明，钢管混凝土结构中的钢管具有套箍，支架，模板三打作用，使钢管混凝土结构表现出用钢量小，刚度大，安装重量

3、轻，承载力高，施工快速方便，经济效益明显等一系列突出优点。由于以上钢管混凝土结构各种优点，应该大力推广这种结构形式，使其为我国社会主义现代化工程建设做出更突出的贡献。2.钢管混凝土柱力学性能钢管混凝土柱为钢管混凝土结构中主要结构形式，在这种结构中可以充分发挥钢材和混凝土这两种材料的性能。下面主要分析钢管混凝土柱力学性能，找出其力学上受力合理的原因。2.1组成材料的力学性能[3]钢管混凝土柱是有钢管和混凝土两种材料组成，而钢管混凝土柱的承载力并不是钢管和混凝土两种构件承载力简单的加和，从后面的算例可以看出钢管混凝土柱的承载力是钢管和混凝土两种构件承载力加和的1.61倍左右。①混凝土材料的

4、基本力学性能为抗压不抗拉。三向受压强度远大于单向受压强度也是混凝土材料受力性能的另一特点。具体原因为：在混凝土形成过程中不可避免的在内部会留下大小不等的空隙和在水泥石和骨料结合界面形成微细裂缝。当混凝土单向受压时在这些空隙处会产生应力集中并会产生新的微细裂缝。当荷载增加时，微细裂缝显著增加并相连通，将混凝土分割成若干与轴向压力方向大致平行的微柱，混凝土会因微柱失稳或折断而完全破坏。破坏后粗骨料基本完好，破坏面大都沿粗骨料的表面发展。而当混凝土三向受压时，由于侧压力影响顺纵微裂缝有闭合的趋势。若侧压力足够大，则沿骨料与水泥砂浆结合面形成的微柱始终不会失稳，混凝土的破坏将进入第二层次的破坏

5、，即粗骨料的破坏。混凝土的粗-1-http://www.paper.edu.cn骨料将如同处于三轴压力下的岩石一样，在更高的轴压力下，在平行于最大主应力的平面形成第二层次的微柱，最后第二层次的微柱失稳导致混凝土破坏。混凝土的构造及破坏体过程见图1。微柱孔隙微裂缝裂缝图1混凝土的构造及破坏示意图②钢材的抗拉强度和抗压强度相等，但由于钢结构受压时有稳定性问题并且其稳定承载力比强度承载力低的多，所以在结构设计时应尽量使钢材料受拉，这样才能充分发挥钢材的力学性能。对于薄壁钢管来说，在轴心压力作用下，其承载力是极不稳定的，远比理论计算值低，因为它对局部缺陷很敏感。实验证明：实际承载力往往只是理论

6、计算值的1/3～1/5，当有残余应力存在时，影响则更大。在管中灌混凝土形成轴心受压钢管混凝土柱后，钢管保护了混凝土，使它三向受压，延缓了受压时的纵向开裂。而混凝土却保护了薄壁钢管的局部稳定，相互弥补了彼此的弱点，也充分发挥了彼此的长处。2.2钢管混凝土柱的基本工作性能上面从钢管混凝土柱组成材料角度分析了钢管混凝土柱承载力提高的原因。下面分析二者组合起来后形成钢管混凝土短柱的力学性能。[4][5]一般情况下钢管混凝土柱轴心受压可分为三个阶段，即如下图所示，弹性阶段oa段，弹塑性阶段ab段，强化阶段bc段。钢管混凝土柱轴心受压过程图见图2。bcao图2钢管混凝土柱轴心受压过程图①弹性阶段在

7、钢管混凝土柱受荷初期，钢管的横向变形率小于核心混凝土，钢管壁荷混凝土之间产生拉应力。随着荷载的增大混凝土的横向变形率超过钢管，此时钢管和混凝土之间的作用力由拉应力转为挤压应力钢管中产生环向拉应力，而核心混凝土受到环向和径向压力的作用，加上纵向压力，处于三向应力状态。但此时横向压力较小，钢管和混凝土均可以认为在单向应力作用下工作。②弹塑性阶段-2-http://www.paper.edu.cn进入弹塑性工作阶段的钢管承受的纵向压应力和环向拉应力都