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    【钢管混凝土的工作原理和设计应用】地泵打混凝土原理

    时间:2020-03-03 07:17:31来源:百花范文网本文已影响

    (包头市劳动培训中心,内蒙古 包头 014010)
    摘 要:阐述了钢管混凝土结构的工作原理、在各种结构 中的应用、计算方法,并对钢管混凝土的优缺点作了简要分析。
    关键词:钢管混凝土;
    工作原理;
    技术规程;
    构件设计
    中图分类号:TU528.571  文献标识码:B  文章编 号:1007—6921(2008)24—0136—03

    随着建筑材料科技的不断进步,一些新的结构形式和建筑类型应运而生,其中钢管混凝土具 有承载力高,塑性、韧性好,抗震性能高,耐火性能好等优点,使其得到了广泛的应用和发 展。由于钢管混凝土在较小的截面下还具有较高的承载能力,可以增加建筑有效使用空间, 用钢管混凝土柱代替混凝土柱可大大加快施工速度。故在高层结构、超高层结构、单层多层 工业厂房及桥梁结构中应用广泛。

    钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,一般不配钢筋。只在极少数的情况下, 例如柱子承受特别大的压力,或压力小而弯矩大,或可能承受很大的上拔力时则在管 内配置纵向钢筋。根据钢管混凝土的种类,构件截面类型可分为;
    内填、外包型、内填外包 型三类,构件截面形状又分为圆形、方形等。本文将着重介绍钢管混凝土的工作原理,设计 应用及设计中应注意的问题。
    1 钢管混凝土的基本工作原理

    根据试验数据结果,钢管混凝土轴心受压时组合性能曲线形状和破坏性质随套箍系数:θ =fs·Αs/fC·ΑC,(fs、Ac分别是钢材及混凝土强度设计值;
    As、Ac分 别是钢管、混凝土的截面积)的不同而不同,可归纳为三种类型,如图1所示。

    套箍系数0.4<θ<1时(如图1曲线1所示),次数钢管对混凝土的约束力不大,曲线有下降段 。随着套箍系数的减小塑性阶段越来越短;
    当套箍系数≈0.4~0.5时几乎无塑性阶段。当套 箍系数θ≈1时(如图1曲线2所示),工作分弹性、弹塑性和塑性三个阶段。当套箍系数θ>1 时(如图1曲线3所示),工作分弹性、弹塑性和强化三个阶段。

    在实际工作中最常见的情况是图中2、3所示情况即θ≥1。只有含钢率很低,而混凝土的强 度又较高时才会有图中的第1种情况。图中曲线2、3所示两种类型钢管混凝土的工作过程分 析如下:

    oa段为非常接近直线的弹性工作阶段,这一段直到钢管应力达比例极限,这时荷载约为极限 荷载的70%~80%。ab段为弹塑性工作阶段,钢管与混凝土处于三向应力状态。bc"段为强化 阶段,从b点开始由于钢管塑性的发展荷载增量主要将由核心混凝土负担,混凝土的横向变 形迅速增大,因而径向推挤钢管促使钢管的环向应力增大,因而箍紧力增大。但此时钢管已 进入塑性工作,根据VonMises屈服条件的关系,在环向应力增加的同时纵向应力必然下降, 与此同时核心混凝土却由于侧压力的增大而提高了承载力。

    圆钢管混凝土短试件,在纵向轴心压力N的作用下,产生纵向压应变ε3。由此将引起钢管 和核心混凝土的环向应变ε1s和ε1c,它们分别按下列公式计算:ε1s= μsε3,ε1ccε3,式中μs和μc分别是钢材和混凝土的泊松比。

    圆管混凝土短试件在轴心压力N的作用下,开始时μs〉μc
    待钢管纵向压应力б3≈ fp时μs≈μc 。因此,在N力继续增大,钢管应力超过比例极限后,μc将大于μ s即ε1c1s。意味着这时核心混凝土向外未扩张的变形应大于钢管的直径扩 张变形。由此而产生了钢管与核心混凝土之间的相互作用力p,此力称为紧箍力,如图2,使 得钢管与核心混凝土都处于三项应力状态。钢管纵向受压(б3 )、径向受压(б2) 环向受拉(б1);
    而核心混凝土纵向径和环向皆受压(б3、б2、б1)。紧 箍力p在钢管内的分布与钢管形状有很大关系。圆钢管中紧箍力均匀分布;
    方管中紧箍力在 直线边的中部大为减小,而在四角部紧箍力最大;
    八边形也是中部紧箍力小而各四角部的紧 箍力大。所以从紧箍力的效应来说,圆钢管最大,方钢管最小多边形则介于二者之间。钢管 混凝土轴心受压时产生的紧箍效应,是钢管混凝土具有特殊性能的根本原因。

    2 受压构件承载力

    根据钢管和与混凝土共同工作的原理,参照我国建筑结构设计统一标准的规定和《钢管混凝 土结构设计与施工规程》(CECS28:90)着重对圆钢管混凝土构件承载力的计算分析介绍。轴心受压构件的承载力计算包括强度和稳定验算。钢管的局部稳定由限制钢管的壁厚来保证 ,要求壁厚不得小于直径的1%即 D/t≤100这对于内填混凝土的钢管来说完全可得到保证。用作框架柱时容许长细比为[λ]=80,用作平台柱时容许长细比为[λ ]=100,用作桁架可放宽到120。
    2.1 单管柱轴心受压构件强度设计
    N0≤Asc·fSC
    fSC=(1.212+Bξ0+Cξ20)fc
    B=0.1759×fy/235+0.974
    C=-0.1038×fck/20+0.0309
    ξ0=αsf/fc
    αs——构件截面含钢率,αs=As/Ac;

    As、Ac——钢管、混凝土的横截面面积;

    ξ0——套箍系数设计值;

    fc——混凝土的轴心抗压强度设计值;

    fSC——钢管混凝土组合抗压强度设计值。
    单管柱轴心受压稳定设计:
    N≤φ0·Asc·fSC
    式中:φ0——轴心受压稳定系数;

    N——轴心压力设计值;

    Asc——钢管混凝土的截面面积。
    2.2 格构式柱承载力设计
    格构式柱是有双肢,或多肢钢管混凝土柱组成的构件,通常有双肢格构柱、三肢格构柱、四 肢格构柱,如图3所示。

    格构式柱的承载力力计算,应分为别对单肢的承载力和整体承载力两种情况进行计算。格构 式柱单肢承载力计算,首先应按桁架确定其单肢的轴向力,即压力和拉力,然后按压肢和拉 肢分别进行承载力计算。压肢承载力计算可按单管柱轴心受压构件的方法计算其计算长度在 桁架平面内取格构柱节间长度。在垂直于桁架平面方向(即平面外)取测向支撑点的间距。

    拉肢承载力计算应按钢结构拉杆计算,不考虑混凝土抗拉强度。计算简图如图4。
    格构式柱的整体承载力应满足下式的要求:



    件;
    λ1≤0.7λmax。λmax是构件在x和y轴方向长细比的较大值;
    λ1是 单肢长细比。

    
    3 结论

    通过以上的叙述,我们对钢管混凝土的工作原理及设计方法有了一个初步的了解和认识。一 般情况下,在设计中对构件的设计不会发生错误,除非是荷载计算错误或遗漏。但对一些节 点设计,如构造不合理,使内力分布复杂与计算相差很大常会导致意外破坏,甚至倒塌。节 点是构件间的可靠连接,节点破坏会使构件间失去联系,构件再强也将造成整体结构的破坏 ,因此设计中必须重视,节点的构造设计应符合以下几个设计原则:

    ①“强柱、弱梁、节点更强”的原则,要求节点具有比柱子更大的刚度和更强的整体性;
    ② 节点构造必须符合计算中采用的力学模型,刚接必须保证梁和柱轴线间的夹角不变,才能可 靠地传递梁端的弯矩、轴力、剪力;
    而铰接只传递梁对支座的压力;
    ③梁和柱在节点处传力 要明确、简洁。

    在满足上述各条原则的基础上力求构造简单、制作方便、尽可能的考虑节约钢材。切不可本 末倒置在违背上述各条原则而单纯地简化节点构造、节约钢材。
    [参考文献]
    [1] 钢管混凝土结构设计与施工规程[S].JCJ:01~89.
    [2] 钢管混凝土结构设计与施工规程[S].CECS:28~90.
    [3] 钢——混凝土组合结构设计规程[S].DL/T5085,1999.
    [4] 钢管混凝土结构技术规程[M].DBJ: 2003,13~51.
    [5] 钟善桐.钢管混凝土结构-第3版[M].北京:建筑工业出版社,2002.

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