鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法

1、鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法 鐘善桐：鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法 鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法鐘善桐 (哈爾濱工業(yè)高校土木工程學(xué)院哈爾濱 109) 500 設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范篇 當(dāng)時(shí)國內(nèi)外采納的設(shè)計(jì)方法，主要是采納疊加法.即分別計(jì)算鋼管和混凝土的承載力和剛度，然后疊加得到構(gòu)件的承載力和剛度。有的在計(jì)算承載力時(shí)，考慮了鋼管和混凝土之間相互間產(chǎn)生的緊箍效應(yīng)，有的則忽視緊箍作用帶來的承載力提高效果：也有的仿效鋼筋混凝土的計(jì)算方法來計(jì)算其承載力。而關(guān)于鋼管混凝土在彈塑性和強(qiáng)化階段的軸壓剛度，以及簡單應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的承載力則無法計(jì)算。 17年間我就設(shè)想， 98疊加法雖然簡潔，但不能反映鋼管混凝

2、土軸壓構(gòu)件的真實(shí)工作狀況，而且也不精確；疊加剛度更不能反映構(gòu)件的精準(zhǔn)剛度，尤其是無法計(jì)算彈塑性階段的剛度，也不能計(jì)算簡單應(yīng)力下構(gòu)件的承載力。因此，我就想從構(gòu)件的軸壓工作曲線來找出它的承載力極限和剛度。這一設(shè)想到了18年通過我第一個(gè)博士生才 98得以實(shí)現(xiàn)。也是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展才能得以實(shí)現(xiàn)。 順當(dāng)?shù)孬@得了鋼管混凝 土軸壓構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)指標(biāo)，見上圖中的fc;和彈性與彈塑性以及強(qiáng)化階 sy 段的模量，上圖中的Ec Ec和Ec s, t s'。 s在隨后的年月里， 通過系統(tǒng)而深化的討論，包括受彎，受扭和受剪，在鋼管混凝土構(gòu)件的理論討論工作中取得了系列的成果。最終在19年完成并提出 93了鋼

3、管混凝土統(tǒng)一理論。 鋼管混凝土統(tǒng)一理論的內(nèi)容是：把鋼管混凝土視為統(tǒng)一體， 是鋼材和混凝土組合成的一種組合材料。它的工作性能隨著材料的物理參數(shù)，統(tǒng)一體的幾何參數(shù)和截面形式，以及應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。改變是連續(xù)的，相關(guān)的，計(jì)算是統(tǒng)一的。概括而言，鋼管混凝土的工作性能具有統(tǒng)一性，連續(xù)性和相關(guān)性。 在選定鋼材和混凝土三向應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān) 系的基礎(chǔ)上，采納了合成法最終獲得了鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的荷載一變形關(guān)系曲線，成為通過計(jì)算得到這種荷載一變形關(guān)系全過程曲線的首創(chuàng)者。圖1是試驗(yàn)曲線和理論曲線的比較，可見符合很好。圖2 是合成法算得的軸壓構(gòu)件荷載一應(yīng)變的全過程關(guān)系曲線示意圖. 3.;2c 2 .統(tǒng)一理論的

4、應(yīng)用和進(jìn)展統(tǒng)一理論形成后， 在它的指引下，連續(xù)進(jìn)行理論討論，不斷取得新的討論成果.它已經(jīng)成為我們開展 這一方面的討論工作的指路標(biāo)。 2統(tǒng)一理論的進(jìn)展 . 1在統(tǒng)一理論對(duì)鋼管混凝土工作性能討論方法的 指導(dǎo)下。 19年獲得了圓鋼管混凝土構(gòu)件動(dòng)力性能的科 94研成果。得到了限制構(gòu)件的長細(xì)比，可不限制軸壓比的結(jié)論。這就大大地提高了采納鋼管混凝土構(gòu)件時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。 20年獲得了實(shí)心圓形， 01多邊形和方 (形鋼矩)管混凝土構(gòu)件工作性能的新成果 ( )。圖4 k1= 圖2荷載一應(yīng)變的全過程關(guān)系曲線示意圖 ( I s) Q二N A c 圓形 fa s9 Yr I一 f .! 圖31軸心受壓石典型曲線 -一

5、圖3大于1是毛時(shí)的荷載一變形典型曲線也就很得到了荷載一變形關(guān)系全過程曲線后， b )八邊形 c )正方形 圖4各種截面形式的實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件 鐘善桐：鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法 2 0年又獲得了空心圓形， 05多邊形和方 (形矩) 鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的成果。見圖5 0 圖5離心法產(chǎn)生的空心鋼管混凝土構(gòu)件B/ a舊 s2 2/ 而圖6表示的是當(dāng)空心率改變時(shí)的系列N e -關(guān)系曲線。 圖7各種截面形式的空心鋼管混凝土構(gòu)件 圖7 表示的則是空心鋼管混凝土構(gòu)件的各種截面形式。N ! l 4 成和進(jìn)展并非我個(gè)人的力氣，它是五十多位博士和碩士辛勤勞動(dòng)與共同奮斗和努力的結(jié)果。同時(shí)，科學(xué)進(jìn)展是永無

6、止境的，它的進(jìn)一步進(jìn)展還有待于后人的連續(xù)努力。22 .統(tǒng)一理論的應(yīng)用 0= V w0=. w 04,= ., 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特別適合我國國情， 因而深受我國工程技術(shù)界的青睞，在我國得到廣泛的推廣和應(yīng)用。迄今為止，我國己成為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣，理論討論最深的國家。實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件圓形方形矩形多邊形空心鋼管混凝土構(gòu)件圓形方形矩形多邊形 V 06=. 30 0伽 鋼管混凝土 鉚 . 9 f V0= q 04 f .= W O6=.30 0伽圖s空心鋼管混凝土構(gòu)件空心率改變時(shí)的系列N關(guān)系曲線一 在我國， 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)展非常快速，從開頭時(shí)的實(shí)心圓形構(gòu)件進(jìn)展到方形和矩形構(gòu)件；又由實(shí)心構(gòu)件進(jìn)展到

7、空心構(gòu)件等等。如下圖所示。圖中除了實(shí)心多邊形構(gòu)件外，其他各種形式的 鋼管混凝土構(gòu)件在工程中都有采納。而且，在實(shí)心中的圓形，方形和矩形鋼管混凝土，以及空心圓形鋼管混凝土方面，也都先后制訂了設(shè)計(jì)規(guī)程。這些規(guī)程采納的構(gòu)件設(shè)計(jì)方法多種多樣。在統(tǒng)一理論的指導(dǎo)下， 獲得了統(tǒng)一設(shè)計(jì)公式。由于以受壓為主的構(gòu)件總是決定于穩(wěn)定，故只需用以下公式二 至此，鋼管混凝土統(tǒng)一理論基本上形成一個(gè)完整的理論體系應(yīng)當(dāng)指出的是 鋼管混凝土統(tǒng)一理論的形 (當(dāng)/A.1 To-/)/c 0 (T 2Vo 1y 1 N, 2- ) V22時(shí) ),- 5/ ( 1f(N+m0M1./)1 T0十 V M17,-4N.(T/) N巾O旦/.

8、1(0NE+ )( 0/ ) 4 2V 2/ 設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范篇毛1. . . ( A) (當(dāng)/A- o2Vo 1.s 2 Nb,1(T -/)/ 2。 ), T ) V22 f時(shí)/ (0 (. 4 m( . 4/ 2/ 2 N 14 0, NF+ T+ V/ ) ) MM1 4N ( 0 ( 0 N+/ 0/) T ) V ) o -12 10 08 06 04 02 0蕊1二 n/o二NN0 3 C0 2 5 3 () B 這是一個(gè)四維方程。當(dāng)T0成為三項(xiàng)式 (=時(shí)，圖8 ); S M=/G M ' M/o二NN0 4 C 0 3 5 4 0B 06 04 02MI p M( o 0

9、 c M=/O M ' 圖8三向應(yīng)力狀態(tài)下的相關(guān)曲面 TV O 變?yōu)閴簭潣?gòu)件的兩項(xiàng)式 ( );=時(shí)，圖9 圖9壓彎構(gòu)件的相關(guān)關(guān)系曲線 TVMO變?yōu)檩S心受壓的設(shè)計(jì)公式。=時(shí)，式中：N, M T V分別是構(gòu)件所受的軸，,向壓力，彎矩，扭矩和剪力；扭矩和剪力設(shè)計(jì)承載力；不同的構(gòu)件有不同的值；構(gòu)件的長細(xì)比。 的塑性進(jìn)展系數(shù)。 A是截面面積， s c實(shí)心截面和空心截面不同。 N M T V分別是構(gòu)件的軸向 a o00,壓力，彎矩，面模樹，實(shí)心和空心截面時(shí)，其值也不同。 W和 S S WT C C分別是構(gòu)件的抗彎截面模數(shù)和抗扭截f S分別是鋼管混凝土構(gòu)件的軸壓強(qiáng)度設(shè) S c C和f N一 E歐拉臨

10、界力，N 311E,X x .一， .,是= 46 j,/ N=S、 oY f二 TSf M= s S oY TS; OA f;,。 m cC w;T Wc c V V Y S; 0 vcc= s v Af0是等效彎矩系數(shù)， 。按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采納。 計(jì)值和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 實(shí)截： c 1 1B 2 f 5 ( 2+ 2 k,心面 f . k O 2 0= 2+ 2 C )B 01 9/ 5 .7; y 3 094= 7 f 2+ . 5C 0 1 8c 000; 3f+. 9二一., 3 0 Y, Y,分別是構(gòu)件抗彎， v m T和Y抗扭和抗剪時(shí)截面形 空截面： s f

11、 f f s k。I心 c。 x一= V,正方形 八邊形圓形和 1邊形 6Q3和 25Q4 35a .= 0 0 508 .9 Q9 3001 . 009 .0 1 . 5 Q3, 5 30 25Q4和Q9 302 .0 式 k 21 。= . 00 507 .4 01 . 0 01 . 5 02 .0 08 . 09 .3 09 .8 07 . 3 07 . 2 07 . 1 系數(shù)k 實(shí) 心 截 面 空 心 截 面 圓和1邊形八邊形 6 方和矩形 圓和1 6邊形 八邊形 方和矩形08 .5 0 2 . 0 4 . 5 0 . 0 9 . 5 0 9 5 . 0 08 . k,xm 1 6邊形 09 .5 09 . x二一043 96二 .+. 1 82 24 1/ 2Y . 1 181 T二一040 93 2 7+. 1/ 1 0 . 1 0 . . 10 1 0 . 1 0 . 0 1 . 0 8 5 . 5 0 8 0 8 . .5 Yx v, x二一. 28/、 025+. ' 93 91 1 2 鐘善桐：鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法 抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 的特點(diǎn)。 由于有了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)公式， 全部的鋼管混凝土實(shí)截：, (3+2