鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

1鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用管道混凝土是指由管道中填充混凝土形成的構(gòu)件。根據(jù)截面形狀，可分為方管混凝土、圓形管道混凝土和多邊形管道混凝土。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，根據(jù)不同的管道處理方法，管道混凝土柱可分為兩種形式。首先，組成管道混凝土的管道混凝土和混凝土在加壓初期是共同的。其次，由于此處使用的負(fù)荷僅用于主混凝土，而管道僅用于限制其核心混凝土。換句話說(shuō)，所謂的管道混凝土限制柱。本文主要研究了實(shí)際工程中常用的圓形截面管混凝土（以下簡(jiǎn)稱管混凝土）、矩形截面管混凝土（以下簡(jiǎn)稱管混凝土）和矩形截面管混凝土（以下簡(jiǎn)稱矩形管混凝土）的結(jié)構(gòu)。管道和混凝土在上升和釋放初期共同承受外部負(fù)荷[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，34，35，36和37]。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用,即鋼管對(duì)混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下,從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高,塑性和韌性性能大為改善.同時(shí),由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲,保證其材料性能的充分發(fā)揮,另外,在鋼管混凝土的施工過(guò)程中,鋼管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板,與鋼筋混凝土相比,可節(jié)省模板費(fèi)用,加快施工速度.總之,通過(guò)鋼管和混凝土組合而成為鋼管混凝土,不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn),而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn),這也正是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37].本文簡(jiǎn)要回顧了鋼管混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀,探討了組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土之間的相互作用問(wèn)題,介紹了鋼管混凝土在單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架、棧橋柱、地鐵站臺(tái)柱、送變電桿塔、桁架壓桿、樁、空間結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況.最后,對(duì)需要進(jìn)一步開展的研究工作進(jìn)行了探討.2鋼管混凝土的應(yīng)用鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的.最早采用鋼管混凝土的工程之一是1879年英國(guó)的賽文鐵路橋橋墩,在鋼管內(nèi)填充混凝土以防止銹蝕并承受壓力,隨后又被用做單層或多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)柱.但在早期的應(yīng)用中一般不考慮由于組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土間相互作用對(duì)承載力的提高.對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能進(jìn)行較為深入的研究,及這類結(jié)構(gòu)被大范圍推廣應(yīng)用主要是在60年代以后.早期鋼管混凝土采用的鋼管往往是熱軋管,鋼管的壁厚一般均較大,而且由于鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝未得到很好解決,因而經(jīng)濟(jì)效果不明顯,從而使鋼管混凝土的推廣應(yīng)用受到一定的影響.前蘇聯(lián)在五六十年代對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究,并在一些土建工程,如工業(yè)廠房和拱橋結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了應(yīng)用.在西歐一些國(guó)家,如英國(guó),德國(guó)和法國(guó)等,主要研究方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu),核心混凝土為素混凝土,或在核心混凝土中配置配筋或型鋼,目前的設(shè)計(jì)規(guī)程主要有:EC4(1996);德國(guó):DIN18800(1997)等.在美國(guó),以研究方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土為主,核心混凝土為素混凝土,設(shè)計(jì)規(guī)程主要有:ACI319-89,SSLC(1979)和LRFD(1994);1923年日本關(guān)西大地震后,發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在該次地震中的破壞并不明顯,故在以后的建筑,尤其是(多)高層建筑中,鋼管混凝土得到大量應(yīng)用,尤其1995年阪神地震后,鋼管混凝土更顯示了其優(yōu)越的抗震性能,鋼管混凝土的研究進(jìn)一步成為熱門課題之一,在日本,主要研究方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu),核心混凝土為素混凝土或配筋混凝土,目前的設(shè)計(jì)規(guī)程主要有AIJ(1980,1997).澳大利亞和加拿大等國(guó)學(xué)者尚對(duì)薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究.我國(guó)主要集中研究在鋼管中灌素混凝土的內(nèi)填型鋼管混凝土結(jié)構(gòu),目前已先后由國(guó)家建材總局、中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程,分別是:JCJ01-89(1989),CECS28:90(1992),DL5085/T-1999(1999)和GJB4142-2000(2001).目前,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(包括鋼管混凝土)已被列入國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目.對(duì)于鋼管混凝土構(gòu)件的研究存在各種不同的方法,區(qū)別在于如何估算鋼管和核心混凝土之間相互約束而產(chǎn)生的“效應(yīng)”.這種“效應(yīng)”的存在構(gòu)成了鋼管混凝土構(gòu)件的固有特性,從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的復(fù)雜性.研究者們從不同的角度對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了研究,由于對(duì)鋼管和混凝土之間緊箍效應(yīng)理解不同,因而估計(jì)的準(zhǔn)確程度也會(huì)有所不同,所獲計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果也就會(huì)有所出入.1鋼管混凝土自適應(yīng)識(shí)別極限時(shí).設(shè)計(jì)內(nèi)對(duì)鋼管混凝土軸心受壓短試件強(qiáng)度承載力的計(jì)算方法可歸納為兩類:①確定極限承載力;②確定進(jìn)入塑性工作階段的承載力.由于混凝土工作性能的非線性,以及兩種材料共同工作時(shí)性能的復(fù)雜性,求其極限荷載是比較簡(jiǎn)捷的方法.也可認(rèn)為這類方法是對(duì)螺旋箍筋約束鋼筋混凝土柱計(jì)算原理和方法的移植和發(fā)展.基本概念是:鋼管對(duì)核心混凝土提供了約束,使混凝土三向受壓,從而提高了承載力.達(dá)到極限承載力時(shí),鋼管縱向應(yīng)力為零,環(huán)向應(yīng)力達(dá)屈服點(diǎn),因而約束效應(yīng)最大.后來(lái),不少研究者通過(guò)試驗(yàn)觀察到試件在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),鋼管縱向應(yīng)力并未降為零,環(huán)向應(yīng)力也未達(dá)到單向受拉時(shí)的屈服點(diǎn).有的研究者將鋼管達(dá)到屈服、核心混凝土達(dá)抗壓強(qiáng)度作為鋼管混凝土軸心受壓時(shí)的極限狀態(tài).該類研究方法又可分兩種類型:一種是不考慮組成鋼管混凝土的鋼管及其核心混凝土之間的組合作用對(duì)其承載力的提高,另一種是考慮這種組合作用對(duì)鋼管混凝土強(qiáng)度的提高.當(dāng)然,以后者較為合理.該方法的關(guān)鍵是如何確定進(jìn)入塑性階段時(shí)鋼管的縱向應(yīng)力.不同的研究工作者采用不同的強(qiáng)度理論.有的采用塑性理論,有的采用八面體理論,有的假設(shè)鋼管和核心混凝土均為理想彈性塑性體,采用最大剪應(yīng)力理論,或用莫爾強(qiáng)度理論,所得結(jié)果大體相同,而按理想彈塑體分析時(shí),結(jié)果稍偏低.根據(jù)試件轉(zhuǎn)入塑性階段為承載力極限的方法,一般均未提出極限狀態(tài)準(zhǔn)則.而且鋼管出現(xiàn)塑性和核心混凝土達(dá)強(qiáng)度極限也不一定同步.有個(gè)別研究工作者采取了限制縱向變形的方法來(lái)確定軸壓承載力,如美國(guó)ACI319-89設(shè)計(jì)規(guī)程定義混凝土縱向應(yīng)變?yōu)?000μs時(shí)相應(yīng)的承載力為強(qiáng)度承載力.也有學(xué)者提出以殘余應(yīng)變?yōu)?000μs時(shí)對(duì)應(yīng)的承載力為強(qiáng)度承載力.對(duì)于并無(wú)明顯屈服階段的構(gòu)件,以變形達(dá)某一值為極限狀態(tài)是合理可行的,但是,以殘余應(yīng)變值為標(biāo)準(zhǔn)不便于使用.對(duì)鋼管混凝土軸心受壓時(shí)臨界力的計(jì)算方法可歸納為如下幾種:①應(yīng)用歐拉公式確定承載力;②根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸計(jì)算公式;③數(shù)值解法.2鋼管縱向纖維強(qiáng)化階段與最優(yōu)支護(hù)極限荷載以往對(duì)鋼管混凝土受彎構(gòu)件研究得不多,對(duì)鋼管混凝土抗彎承載力的確定方法也不盡相同.有的學(xué)者定義截面塑性充分發(fā)展(截面2/3以上范圍達(dá)到屈服),而鋼管最外邊緣纖維尚未強(qiáng)化的點(diǎn)為構(gòu)件的抗彎承載力極限.有的學(xué)者則認(rèn)為比較合理的極限荷載,應(yīng)是鋼管約束效應(yīng)充分發(fā)揮,而又尚未進(jìn)入強(qiáng)化階段時(shí)的最大荷載,亦即鋼管縱向纖維開始進(jìn)入強(qiáng)化階段的荷載.3鋼管混凝土壓彎性能作用在壓彎構(gòu)件上的荷載可以有不同的加載路徑.過(guò)去,研究者們主要對(duì)構(gòu)件受偏心壓力的情況進(jìn)行研究.對(duì)鋼管混凝土壓彎構(gòu)件承載力的計(jì)算方法可歸納為如下5種:①采用最大荷載理論;②軸力與彎矩相關(guān)方程;③增大偏心率法;④經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法;⑤數(shù)值解法.與對(duì)軸壓構(gòu)件的研究方法類似,也有的學(xué)者采用有限單元法和纖維模型法進(jìn)行鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的承載力計(jì)算.近些年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的動(dòng)力性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)采用纖維模型法對(duì)圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的動(dòng)力性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論分析.由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補(bǔ)、共同工作的優(yōu)勢(shì),這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能.在英、德、加拿大、盧森堡、日本和澳大利亞等國(guó)、研究者們對(duì)圓形和矩形截面的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究[15,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33],已制訂了專門的設(shè)計(jì)規(guī)程.但在進(jìn)行鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)時(shí),由于考慮到勞動(dòng)力較為昂貴,因而大都采用在核心混凝土中配置專門考慮防火的鋼筋或鋼纖維、或者通過(guò)降低柱子的軸壓比以使構(gòu)件達(dá)到所要求的耐火極限.3鋼管混凝土構(gòu)件的約束-變形耦合過(guò)程分析目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)鋼管混凝土工作機(jī)理和力學(xué)性能研究方面已取得一系列重要成果,為進(jìn)一步深入該領(lǐng)域的研究工作創(chuàng)造了條件.但對(duì)鋼管混凝土的研究仍存在如下不足之處:1)對(duì)鋼管混凝土承載力的計(jì)算,采用理想彈性塑性體的假設(shè),這對(duì)抗變形能力很強(qiáng)的鋼管混凝土進(jìn)行承載力計(jì)算是不合理的;2)對(duì)于圓鋼管混凝土,根據(jù)定值側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系來(lái)確定其承載力,這和核心混凝土的工作狀態(tài)不符;3)把鋼管普通強(qiáng)度混凝土和鋼管高強(qiáng)混凝土機(jī)械地分割來(lái)進(jìn)行研究.進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限的計(jì)算時(shí)不考慮鋼和混凝土之間的相互作用問(wèn)題,這和材料的實(shí)際工作狀態(tài)不符,得到的計(jì)算結(jié)果也不夠準(zhǔn)確;4)對(duì)鋼管混凝土在動(dòng)力荷載作用下性能的研究主要以實(shí)驗(yàn)為主,不利于深入系統(tǒng)地了解動(dòng)力荷載作用下性能.因此,有必要對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究,提供理論上更為合理,設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)單的方法.鋼管混凝土構(gòu)件工作的實(shí)質(zhì)在于鋼管及其核心混凝土間的相互作用和協(xié)同互補(bǔ).這種相互作用,使鋼管混凝土具有一系列優(yōu)越的力學(xué)性能,同時(shí)也導(dǎo)致了其力學(xué)性能的復(fù)雜性,因此,合理地估計(jì)這種相互作用的“效應(yīng)”成為迫切需要解決的鋼管混凝土理論研究熱點(diǎn)課題.從廣大設(shè)計(jì)部門的角度,不僅希望這一問(wèn)題在理論上取得較透徹的解決,而且更希望能進(jìn)一步提供便于工程設(shè)計(jì)人員使用的實(shí)用設(shè)計(jì)方法.從研究者的角度來(lái)說(shuō),在工程技術(shù)領(lǐng)域從事理論研究,其最終目的也應(yīng)該是更好地為實(shí)際應(yīng)用服務(wù).按照這一指導(dǎo)原則,作者及其課題組近年來(lái)進(jìn)行了一些有益的探索,在進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究共時(shí)經(jīng)歷了三個(gè)階段:一是在總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了能夠進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件荷載-變形全過(guò)程分析的理論和方法;二是根據(jù)研究的需要有針對(duì)性地進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究,以更加全面地驗(yàn)證全過(guò)程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;三是將上述研究成果進(jìn)一步推進(jìn)到實(shí)用化的程度,提出以精確分析理論為基礎(chǔ)的鋼管混凝土構(gòu)件承載力和變形的實(shí)用驗(yàn)算方法.在對(duì)以往有關(guān)研究者們大量卓有成效的理論和實(shí)驗(yàn)研究成果分析的基礎(chǔ)上,作者及其課題組認(rèn)為組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間的相互作用主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:1)對(duì)于鋼管混凝土構(gòu)件截面,表現(xiàn)在鋼管對(duì)其核心混凝土的約束作用,使混凝土的材性發(fā)生變化,即強(qiáng)度得以提高,塑性和韌性性能大為改善.同時(shí),由于混凝土的存在可以延緩或阻止鋼管不能發(fā)生內(nèi)凹的局部屈曲;在這種情況下,不僅鋼管和混凝土材料本身的性質(zhì)對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件性能的影響很大,而且二者幾何特性和物理特性參數(shù)如何“匹配”,也將對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能起著非常重要的影響.最后認(rèn)定以“約束效應(yīng)系數(shù)ξ”[ξ的表達(dá)式參見式(1)]作為衡量這種相互作用的基本參數(shù);2)對(duì)于構(gòu)件,尤其是長(zhǎng)細(xì)比較大的鋼管混凝土構(gòu)件,表現(xiàn)在由于混凝土的存在,構(gòu)件的“破壞模態(tài)”表現(xiàn)出很大的不同,從而使鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載力和同等長(zhǎng)度的空鋼管相比具有很大的提高.這時(shí),核心混凝土的“貢獻(xiàn)”主要在于延緩鋼管過(guò)早地發(fā)生局部屈曲,從而使鋼管混凝土構(gòu)件整體的承載力和塑性能力得到很大提高.在這種情況下,混凝土材料本身的性質(zhì),例如強(qiáng)度等的變化對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件整體的力學(xué)性能影響不大.基于上述對(duì)組成鋼管混凝土的鋼材和混凝土之間相互作用的基本認(rèn)識(shí),第一階段首先以“約束效應(yīng)系數(shù)”(ξ)為基本參數(shù)來(lái)描述鋼管對(duì)其核心混凝土的約束.ξ的表達(dá)式如下:ξ=AsfyAcfck=αfyfck(1)ξ=AsfyAcfck=αfyfck(1)式中:As,Ac分別為鋼材和混凝土的截面積;α=As/Ac為鋼管混凝土截面含鋼率;fy為鋼材屈服極限;fck為混凝土抗壓強(qiáng)度.由式(1)可以看出,對(duì)于某一特定的鋼管混凝土截面,約束效應(yīng)系數(shù)ξ可以反映出組成鋼管混凝土截面的鋼材和核心混凝土的幾何特性和物理特性參數(shù)的影響,ξ值越大,表明鋼材所占比重大,混凝土的比重相對(duì)較小;反之,ξ值越小,表明鋼材所占比重小,混凝土的比重相對(duì)較大.約束效應(yīng)系數(shù)ξ對(duì)鋼管混凝土性能的影響主要表現(xiàn)在:ξ值越大,在受力過(guò)程中,則鋼管可對(duì)核心混凝土提供足夠的約束作用,混凝土強(qiáng)度和延性的增加相對(duì)較大;反之,隨著ξ值的減小,鋼管對(duì)其核心混凝土的約束作用將隨之減小,鋼管混凝土的強(qiáng)度和延性提高得就越少,也就是說(shuō),ξ的大小可以很好地反映出鋼管和混凝土的組合作用.以“約束效應(yīng)系數(shù)”為基本參數(shù)可較準(zhǔn)確地描述鋼管混凝土截面的“組合作用效應(yīng)”,概念準(zhǔn)確,便于有關(guān)設(shè)計(jì)人員從概念上理解鋼管混凝土的力學(xué)實(shí)質(zhì),進(jìn)而進(jìn)行合理設(shè)計(jì).基于上述認(rèn)識(shí),首先確定組成鋼管混凝土的鋼材及混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,在此基礎(chǔ)上,采用纖維模型法,分析了鋼管混凝土構(gòu)件在短期和長(zhǎng)期荷載、動(dòng)力、火災(zāi)作用下和火災(zāi)作用后荷載-變形全過(guò)程分析關(guān)系曲線,并和已有的國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照,結(jié)果令人滿意.為了進(jìn)一步更加全面驗(yàn)證以上理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,在第二階段針對(duì)國(guó)內(nèi)外以往進(jìn)行過(guò)的實(shí)驗(yàn)研究狀況,有計(jì)劃地進(jìn)行了一系列鋼管混凝土構(gòu)件在短期荷載和長(zhǎng)期荷載、動(dòng)力、火災(zāi)作用下和火災(zāi)作用后的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)研究,使理論分析結(jié)果更為可信.以上這種以充分考慮組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間相互組合作用的分析方法自然是比較系統(tǒng)和完善的,而且得到大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果也較精確.但是也要看到,從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮,這種理論方法顯得還是比較復(fù)雜,不便于應(yīng)用.如何從上述理論成果出發(fā),搭起必要的橋梁,過(guò)渡到便于廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的實(shí)用方法,是一項(xiàng)十分有意義的工作,也是作者在第三階段研究中的主要任務(wù).為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),在充分考慮到工程實(shí)際應(yīng)用的情況下,對(duì)影響鋼管混凝土性能的基本參數(shù)(包括物理參數(shù)、幾何參數(shù)和荷載參數(shù)等)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,并考慮各種可能的影響因素,然后對(duì)所得大量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和歸納,考察鋼管混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律;最后從理論高度進(jìn)行概括,提出鋼管混凝土構(gòu)件實(shí)用設(shè)計(jì)方法.有關(guān)圓鋼管混凝土的研究成果為國(guó)家經(jīng)貿(mào)委頒布的設(shè)計(jì)規(guī)程DL5085/T-1999所采用;有關(guān)方鋼管混凝土的研究成果為國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB4142-2000(2001)所采用;有關(guān)鋼管混凝土耐火性能研究方面的研究成果為深圳賽格廣場(chǎng)鋼管混凝土柱防火設(shè)計(jì)所采用.在對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件靜力性能深入研究的基礎(chǔ)上,提出了承載力和剛度的計(jì)算公式,簡(jiǎn)化計(jì)算方法和理論分析結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果均吻合得令人滿意.基于鋼管混凝土構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下的荷載-變形全過(guò)程分析結(jié)果,可以方便地確定鋼管混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型,例如圖1所示各參數(shù)均可根據(jù)鋼管混凝土構(gòu)件的幾何特性和物理特性參數(shù)直接確定,簡(jiǎn)化模型與理論分析結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好.該簡(jiǎn)化模型的提出可為采用鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析提供參考.在對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下的耐火極限主要與構(gòu)件的截面尺寸(對(duì)于圓構(gòu)件為直徑D;對(duì)于方構(gòu)件為截面邊長(zhǎng)B)和長(zhǎng)細(xì)比(對(duì)于圓構(gòu)件:λ=4L/D;對(duì)于方構(gòu)件:λ=2√3L/Bλ=23√L/B;)以及防火保護(hù)層厚度(a)有關(guān).這樣可方便地計(jì)算出一定耐火極限下構(gòu)件所需的防火保護(hù)層厚度.通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算曲線的分析擬合,且適當(dāng)考慮安全度,最終可給出鋼管混凝土柱防火保護(hù)層厚度a的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下:對(duì)于圓鋼管混凝土:a=(19.2t+9.6)·C-(0.28-0.0019λ)(2)對(duì)于方鋼管混凝土:a=(148.6t+22)·C-(0.42+0.0017λ)(3)式(2)和式(3)中,t為耐火極限(h);C為柱截面周長(zhǎng)(mm);λ為構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比.保護(hù)層采用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《CECS24:90鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》.對(duì)于有長(zhǎng)期荷載作用的鋼管混凝土構(gòu)件,基于荷載-變形關(guān)系的全過(guò)程分析結(jié)果,可方便地計(jì)算出考慮長(zhǎng)期荷載作用時(shí)對(duì)承載力的影響系數(shù)kcr(為考慮長(zhǎng)期荷載作用時(shí)的承載力和不考慮長(zhǎng)期荷載作用時(shí)的承載力之比),從而方便地進(jìn)行工程設(shè)計(jì).例如對(duì)于方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件,系數(shù)kcr可表示為:kcr={(1-0.25kλ)ξ0.08kλ[1+0.13kλ(1-ke)](λ≤40)(0.13k2λ-0.3kλ+1)ξ0.08kλ((1+1-ke15+25k2λ))(40<λ≤120)0.85kξ[(1+1-ke15+25k2λ)](λ>120)(4a)(4b)(4c)kcr=???????????(1?0.25kλ)ξ0.08kλ[1+0.13kλ(1?ke)](λ≤40)(0.13k2λ?0.3kλ+1)ξ0.08kλ((1+1?ke15+25k2λ))(40<λ≤120)0.85kξ[(1+1?ke15+25k2λ)](λ>120)(4a)(4b)(4c)其中,kλ=λ/100;kξ=ξ0.1;ke=(1+e/r0)-2,e為荷載偏心距,r0=B/2.這樣,在計(jì)算出方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件一次加載情況下的承載力后,將其乘以kcr值,即可很方便地獲得考慮長(zhǎng)期荷載作用影響時(shí)構(gòu)件的承載力.對(duì)火災(zāi)后鋼管混凝土壓彎構(gòu)件力學(xué)性能的理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果表明,火災(zāi)作用對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件承載力的影響系數(shù)kr(為考慮火災(zāi)作用影響時(shí)的承載力和常溫下的承載力之比)主要是構(gòu)件的受火時(shí)間、截面尺寸和構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比.通過(guò)對(duì)工程常用參數(shù),即fy=235～390MPa、C30～C80混凝土、α=0.04～0.20、λ=10～120、e/ro=0～3.0情況下的kr數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,可回歸出按ISO-834規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線作用后鋼管混凝土構(gòu)件的kr計(jì)算公式,例如對(duì)于方鋼管混凝土柱:其中,t0=t/100;Do=D/600;λo=λ/40;f(Do)為構(gòu)件截面尺寸影響函數(shù);f(λo)為長(zhǎng)細(xì)比影響函數(shù).上述各式中,t以分鐘(min)計(jì),D以毫米(mm)計(jì).可見,只要給定鋼管混凝土構(gòu)件和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間(t),即可利用式(5)方便地計(jì)算出構(gòu)件的承載力影響系數(shù)kr,進(jìn)而確定出火災(zāi)作用后構(gòu)件的殘余承載力.目前,課題組正在進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件的疲勞性能、初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件性能的影響和鋼管混凝土柱與鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土梁組成的框架結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下力學(xué)性能等方面的研究工作.4鋼管混凝土生長(zhǎng)國(guó)內(nèi)外研究者已在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得一系列重要成果,該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法也正日趨完善和成熟,因而近年來(lái)鋼管混凝土的應(yīng)用日益增多,發(fā)展速度之快驚人.根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),其應(yīng)用領(lǐng)域主要有:1)單層和多層工業(yè)廠房柱.和鋼筋混凝土柱相比,鋼管混凝土柱顯得較為輕巧,因而被廣泛地用作廠房柱.我國(guó)是這類結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的國(guó)家.例如1972年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間,1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠和1984年完工的上海特種基礎(chǔ)科研所科研樓也采用了鋼管混凝土柱.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)采用鋼管混凝土柱的工業(yè)廠房已達(dá)二百余座.2)設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架柱和棧橋柱.在各種平臺(tái)或構(gòu)筑物中,下部支柱常屬于軸心受壓構(gòu)件,且往往荷載較大,因而采用鋼管混凝土柱非常合理.鋼管混凝土被作為各種設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架柱和棧橋柱的情況很多,例如1978年建成的首鋼二號(hào)高爐構(gòu)架,1979年建成的首鋼四號(hào)高爐構(gòu)架以及1982年建成的湖北荊門熱電廠鍋爐構(gòu)架,1983年建成的江西德興銅礦礦石儲(chǔ)倉(cāng)支架柱,以及北京首鋼自備電廠和山西太一電廠的輸煤棧橋柱等.3)地鐵站臺(tái)柱.地下鐵道站臺(tái)柱承受的壓力很大,采用鋼管混凝土柱時(shí),可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效果,不但承載力高,而且柱截面也可減小,從而可擴(kuò)大使用空間.例如,地鐵北京站和前門站及環(huán)線工程中的站臺(tái)柱都采用了這種結(jié)構(gòu).4)送變電桿塔.檔距大的高壓輸電桿塔或微波塔,采用鋼管混凝土作立柱可取得良好的經(jīng)濟(jì)效果.例如,1980年松蚊220kV線路中的終端塔采用了鋼管混凝土柱,1986年在沿葛洲壩水電站輸出線路上及繁昌變電所500kV變電構(gòu)架中都廣泛采用了鋼管混凝土.5)桁架壓桿.在桁架壓桿中采用鋼管混凝土可充分運(yùn)用這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),從而達(dá)到節(jié)省鋼材,減少投資的目的.實(shí)際工程有60年代建造的山西中條山某礦的鋼屋架中的壓桿.1982年完工的吉林造紙廠堿爐與電站工程中電除塵工段的屋架中也采用了鋼管混凝土構(gòu)件.6)樁.80年代后期寶鋼二期工程中曾嘗試用鋼管樁內(nèi)灌入混凝土以解決樁偏移過(guò)大影響樁承載力的問(wèn)題.此后,上海楊浦大橋建設(shè)中也采用了鋼管混凝土樁技術(shù).90年代的寶鋼三期工程中,試驗(yàn)成功并推廣了具有較高承載力的鋼管混凝土樁技術(shù).經(jīng)過(guò)20余年的工程實(shí)踐,寶鋼已經(jīng)形成了比較完整的長(zhǎng)樁系列.將鋼管混凝土樁作為沿海軟土地基上高層建筑、橋梁、碼頭等重要建筑物的基礎(chǔ)具有很好的推廣應(yīng)用前景.7)空間結(jié)構(gòu).建成于1998年的日本北九州市多目的賽車場(chǎng),建筑面積:94835m2;地上8層,地下1層,地上1～8層采用了鋼管混凝土柱和鋼結(jié)構(gòu)梁,充分發(fā)揮了鋼管混凝土剛性大、強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)和耐火特性好等特點(diǎn),取得了良好的建筑效果和經(jīng)濟(jì)效果.該建筑的主要部分用于觀覽場(chǎng)地、其他部分為多功能展示場(chǎng).8)高層和超高層建筑.鋼管混凝土可用于高層和超高層建筑的柱結(jié)構(gòu)和抗側(cè)力體系,主要優(yōu)點(diǎn)有:①構(gòu)件截面減小,節(jié)約建筑材料,可增加使用空間,且構(gòu)件自重減輕,從而減小了基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān),可降低基礎(chǔ)的造價(jià);②抗震性能好;③耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu),相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)可降低防火造價(jià);④可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法,從而可大大加快施工速度等.自90年代以來(lái),鋼管混凝土在我國(guó)高層建筑中的應(yīng)用發(fā)展很快,經(jīng)歷了由局部柱子采用,到大部分柱子采用,最后發(fā)展到全部柱子采用的過(guò)程.由我國(guó)企業(yè)自行投資、設(shè)計(jì)、制造和施工的深圳賽格廣場(chǎng)大廈是其中比較典型的一座,該建筑于1999年建成,占地面積9653m2,地下4層,地上72層,總建筑面積166700m2;地上建筑高度為291.6m,為框筒結(jié)構(gòu)體系,其框架柱及抗側(cè)力體系內(nèi)筒的28根密排柱均采用了圓鋼管混凝土.于1998年修建完成的香港中心大廈,地下3層,地上70層,總建筑面積140000m2;地上建筑高度為292m,采用了方鋼管混凝土柱,最大截面尺寸為800mm×800mm,鋼材屈服極限為450MPa,混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度為45MPa.橫向荷載由方鋼管混凝土柱組成的巨型結(jié)構(gòu)體系承受.已經(jīng)完成試設(shè)計(jì)的日本東京Shimizu超高層建筑,共計(jì)121層,高度為550m,采用了矩形截面鋼管混凝土柱,柱距分為26m和12.8m兩種,鋼管混凝土柱最大截面尺寸為4000mm×2400mm.Shimizu超高層建筑地處日本東京灣,地震荷載和風(fēng)荷載的作用是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題.矩形鋼管混凝土由于具有承載力高、剛度大、延性好和施工方便等優(yōu)點(diǎn),在該建筑的試設(shè)計(jì)方案中被采用.9)橋梁結(jié)構(gòu).在我國(guó),鋼管混凝土已被較為廣泛地應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中,在斜拉橋結(jié)構(gòu)中也已開始應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.拱式結(jié)構(gòu)主要承受軸向壓力,當(dāng)跨度很大時(shí),拱肋將承受很大的軸向壓力,采用鋼管混凝土是十分合理的.鋼管混凝土被用作拱橋的承壓構(gòu)件,在施工時(shí)空鋼管不但具有模板和鋼筋的功能,還具有加工成型后,空鋼管骨架剛度大、承載能力高、重量輕的優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)與橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝相結(jié)合,可以解決轉(zhuǎn)體重量和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度這一矛盾,因而深受橋梁工程師的青睞.在具體應(yīng)用時(shí),根據(jù)鋼管混凝土發(fā)揮材料的作用和施工作用的差異,實(shí)際拱橋結(jié)構(gòu)中有以下兩個(gè)方面的應(yīng)用方向:一種為鋼管內(nèi)填混凝土,即鋼管表皮外露,與核心混凝土共同作為結(jié)構(gòu)的主要受力組成部分,同時(shí)也作為施工時(shí)的勁性骨架,該類橋梁一般被稱為鋼管混凝土拱橋;另一種形式是鋼管分別內(nèi)填和外包混凝土,鋼管表皮不外露,鋼管主要作為施工時(shí)的勁性骨架,先內(nèi)灌混凝土,形成鋼管混凝土后再掛模板外包混凝土形成斷面,該類橋梁一般被稱為鋼管混凝土勁性骨架拱橋.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前己建成的鋼管混凝土拱橋和鋼管混凝土勁性骨架拱橋已達(dá)120余座.例如1996年建成的下牢溪大橋是三峽工程對(duì)外交通專用公路上的重要橋梁,主跨采用了上承式鋼管混凝土懸鏈線無(wú)鉸拱,跨度為160m,凈矢高為32m,矢跨比為1/5,拱軸系數(shù)m=1.543.由于公路主要服務(wù)于三峽大壩施工,設(shè)計(jì)荷載很大,因而采用變截面拱圈,全橋布置了四條拱肋,中心距離為4.5m,肋與肋之間以主撐和副撐加強(qiáng)以保證拱的橫向剛度.拱圈截面為啞鈴型,高度為2.5～2.9m,鋼管混凝土外直徑為1000mm,壁厚為10-12mm,鋼材為Q345,內(nèi)填C50混凝土.圖2所示為下牢溪大橋鋼管混凝土拱肋的施工過(guò)程.1998年7月23開始動(dòng)工興建,2000年6月建成通車的廣州丫髻沙大橋是廣州東南西環(huán)高速公路西環(huán)線上跨越珠江主副航道和丫髻沙島的一座標(biāo)志性橋梁,全橋總長(zhǎng)1084m.主橋跨徑76m+360m+76m,主跨360m采用了連續(xù)自錨中承式鋼管混凝土拱橋.大橋按一級(jí)汽車專用公路汽-超20,掛車-120級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).地震強(qiáng)度按8級(jí)設(shè)防.大橋建成后橋面雙向六道,橋下凈高34m,可通過(guò)萬(wàn)噸貨輪.大橋采用岸上立架拼裝拱肋,然后豎轉(zhuǎn)加平轉(zhuǎn),合攏成拱的施工工藝,每側(cè)轉(zhuǎn)體總重量約為13860t.1997年建成的萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋橋區(qū)處于三峽庫(kù)區(qū),建橋要求一孔過(guò)江,前后共在兩個(gè)橋位上作了吊橋、斜拉橋、混凝土剛構(gòu),拱橋等多種橋型與布孔方案.從經(jīng)濟(jì)耐用、養(yǎng)護(hù)容易、抗腐蝕強(qiáng)(酸雨地區(qū))、景觀優(yōu)美等因素考慮,采用凈跨420m單孔跨越長(zhǎng)江的鋼管混凝土勁性骨架拱橋方案.全橋總長(zhǎng)856.12m.四車道全封閉高速路,路基全寬24.5m;橋?qū)?凈2m×7.5m行車道,2m×3m人行道,總寬24m;地震烈度:基本烈度6度,按7度驗(yàn)算;在三峽水庫(kù)正常蓄水位175m以上通航凈空為24m×300m(高×寬).雙向可通行三峽庫(kù)區(qū)規(guī)劃的萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì).鋼管混凝土勁性骨架主拱圈凈跨420m,凈矢高84m,矢跨比1/5,拱圈高7m,寬16m,橫向分為三箱.勁性骨架既作為施工成拱的承重結(jié)構(gòu),又是橋梁結(jié)構(gòu)受力的永久組成部分.鋼管混凝土作為骨架弦桿,需滿足施工過(guò)程受力與穩(wěn)定的要求.骨架鋼管外直徑為402mm,壁厚為16mm,Q345鋼,內(nèi)填充C60混凝土.鋼管混凝土骨架合攏后,外包混凝土,并適當(dāng)配置鋼筋.隨著橋梁跨徑的日益增大,其恒載所占的比例也隨著加大,結(jié)構(gòu)承載能力用于承擔(dān)活載的比例相對(duì)減小,承載能力利用系數(shù)減小,從而造成建筑材料的浪費(fèi).如何通過(guò)利用新材料及采用新結(jié)構(gòu)兩條途徑,以減輕預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋上部結(jié)構(gòu)的恒載,同時(shí)采用與之相適應(yīng)的合理施工工藝,以簡(jiǎn)化施工程序,減少施工設(shè)備,加快施工速度,達(dá)到降低造價(jià)的目的,這一直是橋梁工程界共同關(guān)注的問(wèn)題.1996年建成通車的南海市紫洞大橋是采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)的橋梁,大橋跨越南海市潭洲水道(三級(jí)航道).其主橋采用跨徑組合為69m+140m+69m的雙塔三跨單索面斜拉橋.文獻(xiàn)對(duì)紫洞大橋主橋進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析,結(jié)果表明,主橋與原設(shè)計(jì)方案(預(yù)應(yīng)