鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設計方法

1、鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設計方法 鐘善桐：鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設計方法 鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設計方法鐘善桐 (哈爾濱工業(yè)高校土木工程學院哈爾濱 109) 500 設計及標準規(guī)范篇 當時國內外采納的設計方法，主要是采納疊加法.即分別計算鋼管和混凝土的承載力和剛度，然后疊加得到構件的承載力和剛度。有的在計算承載力時，考慮了鋼管和混凝土之間相互間產生的緊箍效應，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算方法來計算其承載力。而關于鋼管混凝土在彈塑性和強化階段的軸壓剛度，以及簡單應力狀態(tài)下構件的承載力則無法計算。 17年間我就設想， 98疊加法雖然簡潔，但不能反映鋼管混凝

2、土軸壓構件的真實工作狀況，而且也不精確；疊加剛度更不能反映構件的精準剛度，尤其是無法計算彈塑性階段的剛度，也不能計算簡單應力下構件的承載力。因此，我就想從構件的軸壓工作曲線來找出它的承載力極限和剛度。這一設想到了18年通過我第一個博士生才 98得以實現。也是由于計算機技術的進展才能得以實現。 順當地獲得了鋼管混凝 土軸壓構件的承載力設計指標，見上圖中的fc;和彈性與彈塑性以及強化階 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，統(tǒng)一體的幾何參數和截面形式，以及應力狀態(tài)的轉變而轉變。改變是連續(xù)的，相關的，計算是統(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)性和相關性。 在選定鋼材和混凝土三向應力狀態(tài)下的本構關 系的基礎上，采納了合成法最終獲得了鋼管混凝土軸壓構件的荷載一變形關系曲線，成為通過計算得到這種荷載一變形關系全過程曲線的首創(chuàng)者。圖1是試驗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件荷載一應變的全過程關系曲線示意圖. 3.;2c 2 .統(tǒng)一理論的

4、應用和進展統(tǒng)一理論形成后， 在它的指引下，連續(xù)進行理論討論，不斷取得新的討論成果.它已經成為我們開展 這一方面的討論工作的指路標。 2統(tǒng)一理論的進展 . 1在統(tǒng)一理論對鋼管混凝土工作性能討論方法的 指導下。 19年獲得了圓鋼管混凝土構件動力性能的科 94研成果。得到了限制構件的長細比，可不限制軸壓比的結論。這就大大地提高了采納鋼管混凝土構件時的經濟效益。 20年獲得了實心圓形， 01多邊形和方 (形鋼矩)管混凝土構件工作性能的新成果 ( )。圖4 k1= 圖2荷載一應變的全過程關系曲線示意圖 ( 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是毛時的荷載一變形典型曲線也就很得到了荷載一變形關系全過程曲線后， b )八邊形 c )正方形 圖4各種截面形式的實心鋼管混凝土構件 鐘善桐：鋼管混凝土統(tǒng)一理論與統(tǒng)一設計方法 2 0年又獲得了空心圓形， 05多邊形和方 (形矩) 鋼管混凝土構件工作性能的成果。見圖5 0 圖5離心法產生的空心鋼管混凝土構件B/ a舊 s2 2/ 而圖6表示的是當空心率改變時的系列N e -關系曲線。 圖7各種截面形式的空心鋼管混凝土構件 圖7 表示的則是空心鋼管混凝土構件的各種截面形式。N ! l 4 成和進展并非我個人的力氣，它是五十多位博士和碩士辛勤勞動與共同奮斗和努力的結果。同時，科學進展是永無

6、止境的，它的進一步進展還有待于后人的連續(xù)努力。22 .統(tǒng)一理論的應用 0= V w0=. w 04,= ., 鋼管混凝土結構特別適合我國國情， 因而深受我國工程技術界的青睞，在我國得到廣泛的推廣和應用。迄今為止，我國己成為鋼管混凝土結構應用最廣，理論討論最深的國家。實心鋼管混凝土構件圓形方形矩形多邊形空心鋼管混凝土構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空心鋼管混凝土構件空心率改變時的系列N關系曲線一 在我國， 鋼管混凝土結構的進展非?？焖伲瑥拈_頭時的實心圓形構件進展到方形和矩形構件；又由實心構件進展到

7、空心構件等等。如下圖所示。圖中除了實心多邊形構件外，其他各種形式的 鋼管混凝土構件在工程中都有采納。而且，在實心中的圓形，方形和矩形鋼管混凝土，以及空心圓形鋼管混凝土方面，也都先后制訂了設計規(guī)程。這些規(guī)程采納的構件設計方法多種多樣。在統(tǒng)一理論的指導下， 獲得了統(tǒng)一設計公式。由于以受壓為主的構件總是決定于穩(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完整的理論體系應當指出的是 鋼管混凝土統(tǒng)一理論的形 (當/A.1 To-/)/c 0 (T 2Vo 1y 1 N, 2- ) V22時 ),- 5/ ( 1f(N+m0M1./)1 T0十 V M17,-4N.(T/) N巾O旦/.

8、1(0NE+ )( 0/ ) 4 2V 2/ 設計及標準規(guī)范篇毛1. . . ( A) (當/A- o2Vo 1.s 2 Nb,1(T -/)/ 2。 ), T ) V22 f時/ (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 這是一個四維方程。當T0成為三項式 (=時，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8三向應力狀態(tài)下的相關曲面 TV O 變?yōu)閴簭潣嫾膬身検?( );=時，圖9 圖9壓彎構件的相關關系曲線 TVMO變?yōu)檩S心受壓的設計公式。=時，式中：N, M T V分別是構件所受的軸，,向壓力，彎矩，扭矩和剪力；扭矩和剪力設計承載力；不同的構件有不同的值；構件的長細比。 的塑性進展系數。 A是截面面積， s c實心截面和空心截面不同。 N M T V分別是構件的軸向 a o00,壓力，彎矩，面模樹，實心和空心截面時，其值也不同。 W和 S S WT C C分別是構件的抗彎截面模數和抗扭截f S分別是鋼管混凝土構件的軸壓強度設 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， 。按鋼結構設計規(guī)范的規(guī)定采納。 計值和抗剪強度設計值。軸壓強度設計值： 實截： 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,分別是構件抗彎， v m T和Y抗扭和抗剪時截面形 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k 實 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)一設計方法 抗剪強度設計值： 的特點。 由于有了統(tǒng)一的設計公式， 全部的鋼管混凝土實截：, (3+2